欄目主持人戴聯(lián)雙博士：對(duì)敷設(shè)于凍土區(qū)油氣管道實(shí)施長(zhǎng)期監(jiān)控非常重要。如加拿大Norman Wells油氣管道通過建立凍土融沉監(jiān)測(cè)、管道內(nèi)檢測(cè)、翹曲上拱檢測(cè)、皺褶檢測(cè)、邊坡檢測(cè)、木屑層狀況檢測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等，使其技術(shù)水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位。美國(guó)阿拉斯加管道密切監(jiān)控多年凍土融化、侵蝕和管道沿途環(huán)境變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道沿線長(zhǎng)約50 km的多年凍土層發(fā)生融化引起管道沉降，經(jīng)采取措施有效避免了事故發(fā)生。

1  凍土區(qū)對(duì)管道產(chǎn)生的危害

管道穿越凍土區(qū)運(yùn)行及季節(jié)變化會(huì)影響管道周邊凍土層溫度場(chǎng)分布，引起凍土層物理狀態(tài)發(fā)生改變，部分凍土融化或凍結(jié)，使管道處于相當(dāng)復(fù)雜的受力狀態(tài)，容易導(dǎo)致管道斷裂發(fā)生泄漏事故。凍土凍脹引起土體膨脹促使管道翹起，相反，凍土融沉使管道沉降，都會(huì)造成管道變形。同時(shí)，凍脹可能使管道產(chǎn)生失穩(wěn)，處于邊坡的管道還會(huì)因土壤的熱融失去穩(wěn)定性而遭破壞。中國(guó)格爾木—拉薩成品油管道（以下簡(jiǎn)稱格拉管道）自1977年投運(yùn)以來(lái)，發(fā)生管道泄漏及屈曲等事故30多起，其中一個(gè)重要原因就是低溫引起的凍脹。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)為，凍土區(qū)最為常見的問題是凍土融化及其所導(dǎo)致的（差異性）融沉、凍脹、邊坡失穩(wěn)造成管道翹曲上拱。

當(dāng)埋地管道的輸送介質(zhì)或工作溫度大于施工溫度時(shí)，管道將受軸向壓應(yīng)力作用而可能產(chǎn)生軸向失穩(wěn)屈曲。由于土壤阻力的原因，該失穩(wěn)屈曲往往向上，常被稱為翹曲上拱。在格拉管道、Norman Wells輸油管道，以及俄羅斯、伊朗、阿聯(lián)酋等國(guó)管道都出現(xiàn)過翹曲上拱。格拉管道沿線烏麗附近有大量?jī)雒洠�使得屈曲后的管道最大上浮位移達(dá)1.9 m，地面屈曲長(zhǎng)度約3.6 m（圖 1(a)）。Norman Wells輸油管道在施工和運(yùn)行中都因凍脹和融沉發(fā)生過翹曲上拱（圖 1 (b)）。烏茲別克斯坦一條管徑1020 mm管道曾發(fā)生大位移翹曲上拱，如圖 2所示。

圖 1 格拉管道(a)和Norman Well管道(b)翹曲上拱管段

圖 2 烏茲別克斯坦塔什干管道翹曲上拱管段

2  俄羅斯管道失效事故及處置措施

俄羅斯多數(shù)大型油氣田氣候條件惡劣，不少油氣管道穿越永久凍土帶。經(jīng)常可以看到一些露出地表已經(jīng)形成拱形和皺褶的管道，失去縱向穩(wěn)定性。天然氣管道夏季運(yùn)行溫度與管道敷設(shè)時(shí)的溫差、油管道為輸送黏稠含蠟原油加熱溫度與管道敷設(shè)時(shí)的溫差，都會(huì)引起管道喪失縱向穩(wěn)定性。

俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司對(duì)3萬(wàn)公里天然氣管道進(jìn)行了內(nèi)部診斷檢查，想方設(shè)法解決管道穿越低承載能力土壤難題。針對(duì)天然氣管道采取的措施有重復(fù)填土和個(gè)別管道再次敷設(shè)，已取得成功；對(duì)敷設(shè)在永久凍土帶的天然氣管道，解決溫差的根本辦法是人為降低輸送溫度，降溫過程可以使凍土得到恢復(fù)，防止出現(xiàn)卡管和凍脹現(xiàn)象。針對(duì)敷設(shè)于低承載能力土壤的原油管道，措施為將地下管段改為地上敷設(shè)。此外，完善管道設(shè)計(jì)、建設(shè)及維護(hù)相關(guān)法規(guī)制度和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加強(qiáng)管道建設(shè)運(yùn)營(yíng)中的生態(tài)保護(hù)意識(shí)，都是對(duì)凍土區(qū)管道的保護(hù)措施。

3  格拉管道失效事故

1990年7月下旬，因暴雨造成格拉管道328 m呈懸鏈狀吊懸在河道激流中，出現(xiàn)嚴(yán)重險(xiǎn)情。為確保格拉管道安全運(yùn)行，分三處采取岸邊拋石支撐防止管道斷裂的臨時(shí)性措施。1991年夏季，對(duì)該段懸空管道進(jìn)行石籠護(hù)堤砌筑和鋼筋混凝土支墩現(xiàn)澆永久性加固施工。1995年，由于河岸細(xì)沙土層經(jīng)不住激流巨浪沖刷，致使石籠護(hù)堤結(jié)構(gòu)在洪水泛濫中四分之一被沖垮，四分之一開裂倒塌，個(gè)別支墩出現(xiàn)了不均勻沉降下滑，已懸空的管道有繼續(xù)向兩端延伸之勢(shì)，嚴(yán)重威脅管道安全。1996年，決定對(duì)該段管道實(shí)施改線。

受油流熱力影響，格拉管道熱融沉陷明顯。1997年和2005年兩次勘探表明，管道周圍已形成直徑為1.4 m～1.5 m的融化圈（當(dāng)?shù)厝诨�深度僅0.9 m）。近年來(lái)，格拉管道多次因凍脹被擠出地面（距離地面高約0.7 m，長(zhǎng)約3.6 m），并在開挖釋放應(yīng)力時(shí)發(fā)生斷裂；地表以上最大翹曲上拱高度達(dá)0.5 m（管道埋深1.4 m，總翹曲上拱高度達(dá)到1.9 m）。

格拉管道途經(jīng)唐古拉山和桃兒九山的海拔達(dá)4700 m以上，氣候嚴(yán)寒，冬季最低氣溫達(dá)﹣40℃，地面凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá)8至9個(gè)月，屬多年凍土地帶。1978年3月至6月，格拉管道在唐古拉山地段發(fā)生冰堵事故；1982年11月至次年4月，在16#泵站到19#泵站兩山翻越點(diǎn)管段發(fā)生嚴(yán)重冰堵事故，由于大雪封山等原因，冰堵排除時(shí)間長(zhǎng)達(dá)81天；2000年3月，在開心嶺地段再次發(fā)生冰堵事故，不得不換管處理。這3次冰堵事故累計(jì)停泵達(dá)258天，損失巨大。

4  危害治理措施

（1）滑坡防治（主要包括工程防護(hù)和植物防護(hù)兩部分）和冰錐監(jiān)測(cè)，分別如圖 3、圖 4所示。

圖 3 滑坡防治示例

（2）溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)。主要確定凍土特征參數(shù)，如地表融化與凍結(jié)的起始時(shí)間、凍土上部融化層年最大融化深度出現(xiàn)時(shí)間、凍土上限深度、融化層完全凍結(jié)時(shí)間、持力層的年最高和最低地溫及出現(xiàn)時(shí)間、凍土溫度年變化幅度、凍土年平均地溫及凍土地溫梯度和變化趨勢(shì)等。

（3）管道位移監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)區(qū)域安裝基準(zhǔn)樁，在待監(jiān)測(cè)管道安裝標(biāo)志樁，定期測(cè)量各標(biāo)志樁的坐標(biāo)，若管道發(fā)生位移，則標(biāo)志樁的坐標(biāo)發(fā)生變化，兩次時(shí)間間隔的坐標(biāo)變化即為該時(shí)間間隔內(nèi)管道的位移。監(jiān)測(cè)原理如圖 5所示。

圖 5 管道位移監(jiān)測(cè)技術(shù)原理示意圖

（4）管—土相互作用監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)管道建設(shè)和運(yùn)行過程中各種特征指標(biāo)的相應(yīng)變化，如管道通行帶范圍內(nèi)的基本水文地質(zhì)指標(biāo)、基本凍土條件、管道主要變形情況。通過變形檢測(cè)器和內(nèi)檢測(cè)器檢測(cè)管道變形狀況，可以高度準(zhǔn)確檢測(cè)出管道凹痕、皺褶和彎曲損傷位置及其嚴(yán)重程度。利用慣性導(dǎo)航和聲波測(cè)徑器可為操作者提供三維圖像信息，用以確定不穩(wěn)定邊坡狀態(tài)、管道承受載荷狀況，以及凍脹上拱管道的載荷、溫度和壓力變化情況。

（5）陰極保護(hù)。國(guó)外凍土區(qū)長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)技術(shù)研究尚不完善，但應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，埋地管道陰極保護(hù)常見故障是由陽(yáng)極接地引起的。若陰極保護(hù)系統(tǒng)電位升高，則不能充分發(fā)揮抑制管道腐蝕作用。若管道防腐層受損，水分進(jìn)入保溫層，將會(huì)出現(xiàn)凍融現(xiàn)象，在漏點(diǎn)兩側(cè)會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕。

（6）其他措施。Norman Wells輸油管道采用對(duì)原油進(jìn)行冷卻的方法，而阿拉斯加管道采用將管道架空的方法，盡管增加了大量的投資，但確實(shí)減少了對(duì)環(huán)境的破壞，也保證了管道的安全運(yùn)行。國(guó)外管道公司在選線、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等方面始終將環(huán)境保護(hù)和維持生態(tài)平衡擺在重要位置，并通過多種監(jiān)測(cè)手段嚴(yán)防管道事故發(fā)生，保證環(huán)境的安全，阿拉斯加管道在這方面堪為典范。

下一期將為大家介紹 “TRANSCANADA管道公司某輸氣管道發(fā)生破裂典型案例”，并分享事故帶來(lái)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，敬請(qǐng)關(guān)注。

戴聯(lián)雙，博士， 1983年生，現(xiàn)就職于國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司，注冊(cè)安全工程師、二級(jí)安全評(píng)價(jià)師、管道檢驗(yàn)師。負(fù)責(zé)編寫了《油氣管道安全防護(hù)規(guī)范》（ Q/SY1490），參與起草公安部標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣管道系統(tǒng)治安風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和安全防范要求》（ GA 1166）、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》（ GB 32167）等多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)內(nèi)外期刊先后發(fā)表論文數(shù)十篇，參與編著了《管道完整性管理技術(shù)》《油氣管道事故啟示錄》《油氣管道清管技術(shù)與應(yīng)用》等書籍。近年來(lái)多次獲得中石油集團(tuán)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、河北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、管道科學(xué)獎(jiǎng)等。