海外高地下水位地段油氣管道抗漂計(jì)算*

程浩力 張大凡 高雪利 吳高鋒 劉暢 徐子健 金龍 桑玉希

1中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司

2中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

近年來(lái)，中國(guó)石油企業(yè)以“一帶一路”為重點(diǎn)不斷布局海外業(yè)務(wù)，以中石油為例，截至2020 年底，中國(guó)石油共在全球35 個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展海外油氣投資業(yè)務(wù)，在海外已建成的油氣管道總里程達(dá)到14 996 km[1]。在開(kāi)展油氣業(yè)務(wù)投資的同時(shí)，中國(guó)石油也同歐美石油公司及中東產(chǎn)油國(guó)國(guó)家石油公司進(jìn)行了大量合作，工程建設(shè)企業(yè)也參與了合作方的很多油氣田地面工程及長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目。當(dāng)油氣管道在高地下水位地區(qū)或鹽沼地區(qū)鋪設(shè)時(shí)，管道施工過(guò)程中面臨著漂管問(wèn)題，管道在一定條件下漂浮的特性可以在水域穿越及高地下水位地段沉管施工中得到應(yīng)用[2-4]。對(duì)于漂管的控制也有很多措施[5-12]，但當(dāng)采取常規(guī)開(kāi)挖回填施工方式時(shí)，處理不當(dāng)可能導(dǎo)致管道埋深不足，在運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生第三方破壞事故隱患或者間接引起管道的隆起屈曲[13]，因此需要對(duì)管道漂管的可能性進(jìn)行計(jì)算，以確定需采取的浮力控制措施。國(guó)外油氣管道工程設(shè)計(jì)中最常用的ASME B 31.4—2019[14]及ASME B 31.8—2018[15]均提出管道在水域或沼澤等敷設(shè)時(shí)，應(yīng)考慮采取配重及錨固措施以防止浮起。浮力計(jì)算是抗漂設(shè)計(jì)中的最基本內(nèi)容，美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)（The American Society of Civil Engineers，簡(jiǎn)稱ASCE）的Guidelines for the design of buried steel pipe 針對(duì)管道浮力的計(jì)算給出了基本公式[16]，挪威船級(jí)社的標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-RP-F 109—2021[17]及對(duì)其采標(biāo)的國(guó)內(nèi)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7060—2016[18]，對(duì)管道在水中垂向穩(wěn)定性的計(jì)算方式做了介紹。在對(duì)外合作過(guò)程中，很多歐美石油公司業(yè)主及工程公司均將單獨(dú)的管道抗漂計(jì)算報(bào)告作為項(xiàng)目必要文件進(jìn)行提交批復(fù)。阿布扎比國(guó)家石油公司（簡(jiǎn)稱ADNOC）標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)高地下水位的鹽沼地區(qū)管道抗漂也有相關(guān)技術(shù)要求[19]，其旗下項(xiàng)目中廣泛提交獨(dú)立的管道抗漂計(jì)算報(bào)告。ADNOC 由殼牌公司（SHELL）、英國(guó)石油公司（BP）、法國(guó)石油公司（CFP，道達(dá)爾石油公司前身）、美國(guó)美孚石油公司（MOBIL）、美國(guó)埃克森石油公司（EXXON）等石油巨頭創(chuàng)立，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范融合了歐美石油巨頭技術(shù)理念。因此，對(duì)ADNOC相關(guān)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中關(guān)于管道抗漂計(jì)算要求進(jìn)行探討，對(duì)于海外項(xiàng)目的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用性及借鑒意義。

1 漂管計(jì)算及校核原理

當(dāng)位于地下水靜水位以下的管道受到的浮力超過(guò)管道及其上方土壤向下的總重力時(shí)，埋地管道上會(huì)產(chǎn)生向上的力，此時(shí)管道無(wú)法保持穩(wěn)定，需要采取措施以防止管道浮起。為驗(yàn)證管道的穩(wěn)定性，管道的浮力檢查應(yīng)考慮以下安裝條件：未回填狀態(tài)下管溝中的管道（管道內(nèi)部無(wú)介質(zhì)，管溝未回填，管道淹沒(méi)于水中）；已回填狀態(tài)下管溝中的管道（管道內(nèi)部無(wú)介質(zhì)，管溝已回填，管道淹沒(méi)于水中）。

1.1 未回填狀態(tài)下管道浮力校核

在高地下水位地區(qū)（包含水域開(kāi)挖穿越、沼澤等地區(qū)）且當(dāng)下溝和回填期間無(wú)法有效降水時(shí)，管道可能會(huì)由于浮力作用（為簡(jiǎn)化計(jì)算，以下均為靜水浮力）在管溝內(nèi)浮起及擺動(dòng)，影響管道的安裝。可以通過(guò)比較管道向下的重力與水對(duì)管道向上的浮力的差值來(lái)判斷管道的穩(wěn)定性，即比較單位長(zhǎng)度管道質(zhì)量同管道排開(kāi)水的體積。計(jì)算中通常考慮1.25的安全系數(shù)(F.O.S)，基本計(jì)算公式為

式中：Mp為單位長(zhǎng)度管道總質(zhì)量，kg/m；Mw為單位長(zhǎng)度管道排出的水的質(zhì)量，kg/m；Mst為單位長(zhǎng)度鋼管質(zhì)量，kg/m；γst為鋼管密度，kg/m3；Ast為鋼管截面積，m2；Mcorr為單位長(zhǎng)度鋼管防腐層質(zhì)量，kg/m；γcorr為防腐層密度，kg/m3；Acorr為防腐層截面積，m2；γw為水的密度，kg/m3；Ap為單位長(zhǎng)度鋼管截面積，m2。

如果F.O.S＜1.25，則需要考慮抗漂管措施。

1.2 回填狀態(tài)下管道浮力校核

當(dāng)管溝回填后，除了考慮管道在空管下質(zhì)量外，還應(yīng)考慮飽和土壤的質(zhì)量來(lái)驗(yàn)證管道的穩(wěn)定性。為保守起見(jiàn)，可以認(rèn)為管道上方的水位高度與管道覆土厚度相同（即土壤飽和含水量100%），即

根據(jù)式（6）計(jì)算結(jié)果，如果F.O.S＜1.25，則需要考慮回填后的抗漂管措施。

單位長(zhǎng)度管道排出的水的質(zhì)量Mw及土壤、鋼管（含防腐層）總的向下的質(zhì)量MD可用以下方程式求解：

式中：MD為土壤、鋼管（含防腐層）總的向下的質(zhì)量，kg/m；Ms為管道上方土壤的有效質(zhì)量，kg/m；Hw為管道上方水的深度，視為等同于回填土高度，m；Dtotal為管道外徑（含防腐層），m；PV為管道上方單位面積的飽和土壤的靜載荷，kg/m2；Rw為浮力系數(shù)，；C為管道上覆土厚度，m；γsoil為回填的土壤密度（干土壤），kg/m3。

1.3 試壓條件下管道沉降校核

在非黏性土壤中，管道充水試壓時(shí)，如果管道土壤承載力不足，可能導(dǎo)致管道沉降，影響管道安全。當(dāng)管道充水后總重力Fp不超過(guò)土壤安全承載力FN時(shí)，管道不會(huì)沉降。

可以使用標(biāo)準(zhǔn)的土壤力學(xué)公式來(lái)評(píng)估沒(méi)入飽和土壤中的管道。由標(biāo)準(zhǔn)土壤力學(xué)公式計(jì)算土的承載力，并將其與因管道載荷引起的壓力進(jìn)行比較。參照Brinch Hansen 公式，可將置于管溝的管道視為條狀淺基礎(chǔ)，土壤最大承載力如式（10）所示：

安全系數(shù)取3，土壤安全承載力可用式（11）計(jì)算：

式中：FG為土壤最大承載力，N；FN為土壤安全承載力，N；γ為土壤浮容重，N/m3；α為土壤內(nèi)聚力，非黏性土壤取值為0，N；D為含防腐層的管道外徑，m；H為管溝深度，m；Nc、Nq、Nγ為無(wú)量綱的土壤承載力系數(shù)，它們是土壤摩擦角φ的函數(shù)，由具體項(xiàng)目的地勘報(bào)告給出。

可以將以上計(jì)算出的安全承載力與注滿水的管道負(fù)載進(jìn)行比較，以驗(yàn)證其穩(wěn)定性。為了獲得保守的結(jié)果，管道負(fù)載應(yīng)考慮為未浸入水中時(shí)的質(zhì)量，管道中充水后的總重力Fp為

式中：Wp為單位長(zhǎng)度管道重力（含防腐層），N；Wc為單位長(zhǎng)度管道內(nèi)水的重力，N。

如果Fp＞FN，則管道可能發(fā)生沉降，需要在管道下溝前采取降排水、管底土壤置換或采取墊置沙袋等措施。

1.4 抗漂措施

進(jìn)行上述計(jì)算后，如果所獲得的安全系數(shù)小于1.25，則應(yīng)采取抗漂措施以確保管道的穩(wěn)定性。應(yīng)使用固定質(zhì)量的配重作為以永久的抗漂浮措施保持管道的穩(wěn)定性。

防止管道漂浮所需的配重質(zhì)量和間距，可以通過(guò)將管道和配重的總質(zhì)量與管道和配重所排出水的總質(zhì)量相等來(lái)計(jì)算，即

安全系數(shù)為1.25 時(shí)，配重安裝的間距S可由下式（14）求得：

式中：Msw為單位長(zhǎng)度配重質(zhì)量，kg/m；Mws為單位長(zhǎng)度配重排出水的質(zhì)量，kg/m；S為配重的中心間距，m。

2 計(jì)算實(shí)例

某油氣集輸項(xiàng)目中有219.1、323.8、406.4、457 mm 四種管徑的輸油管道，根據(jù)上述原理對(duì)管道進(jìn)行了抗漂計(jì)算并驗(yàn)證了其穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)及假設(shè)條件如下：

表1 管道抗漂計(jì)算結(jié)果Tab.1 Results of anti-floating calculations for pipelines

（1）在一般地段，計(jì)算中考慮了1 m的覆土厚度和0.72設(shè)計(jì)系數(shù)下的管道壁厚。為保守計(jì)算，不考慮高出地面的回填土。

（2）在道路穿越段，考慮了1.5 m 的覆土厚度和0.6設(shè)計(jì)系數(shù)下的管道壁厚。

（3）對(duì)于“未回填狀態(tài)”（在施工過(guò)程中）的計(jì)算，使用了管道未腐蝕的厚度（按照新建管道厚度計(jì)算）；對(duì)于“回填狀態(tài)”，則使用了完全腐蝕條件下的厚度計(jì)算（管道運(yùn)行壽命末期）。

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果可以得出結(jié)論，計(jì)算中的管道在回填條件下都是安全的，因此不需要采取永久性的抗漂措施。然而，由表1可知，各條輸油管道在未回填狀態(tài)下的一般地段及道路穿越地段，僅219.1 mm管徑管道不需要抗漂措施。因此，在施工過(guò)程中，應(yīng)采取降排水或增加管道配重等措施，確保管道下溝直至回填完畢的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

基于阿布扎比國(guó)家石油公司相關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)踐，介紹了高地下水位地段管道抗漂計(jì)算所涉及的詳細(xì)步驟和方法。

（1）從阿布扎比國(guó)家石油公司相關(guān)項(xiàng)目抗漂計(jì)算所涉及的未回填狀態(tài)下管道浮力校核、回填狀態(tài)下管道浮力校核（土壤飽和水）、試壓條件下管道沉降校核，以及采取的抗漂措施四個(gè)方面，較完整地進(jìn)行了管道在高地下水位地段的受力校核。

（2）抗漂措施中，管道配重的間距同配重物的體積及質(zhì)量有關(guān)。海外項(xiàng)目管道抗漂計(jì)算中，常常僅給出抗漂措施建議，針對(duì)具體壓重物及間距，則由施工單位確定配重物并經(jīng)業(yè)主批準(zhǔn)后，根據(jù)理論公式進(jìn)行計(jì)算或由供貨廠家提供相關(guān)技術(shù)要求（例如統(tǒng)一采購(gòu)壓重袋穩(wěn)管）。

（3）馬鞍形壓重塊容易產(chǎn)生失穩(wěn)，導(dǎo)致配重失效或?qū)艿婪栏瘜釉斐蓚ΓＭ庥蜌夤艿理?xiàng)目中壓重物常采用壓重袋或者混凝土涂層配重。