王明波， 侯 浩， 朱建平， 王發(fā)正， 蘭才富， 謝皓宇

(1.中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司， 成都 610094； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

在石油天然氣輸送管道中，常遇到不少人工或天然的障礙物，如河流、湖泊、沼澤、溝渠、水庫、鐵路和公路等，輸油氣管道需要通過這些人工及天然的障礙物，從其上方通過的類橋梁架空結(jié)構(gòu)即為跨越工程。輸油氣管道跨越是長(zhǎng)運(yùn)輸工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，跨越工程的結(jié)構(gòu)安全性攸關(guān)整條運(yùn)輸路線的通暢運(yùn)轉(zhuǎn)[1-2]。在管道跨越工程的結(jié)構(gòu)形式當(dāng)中，懸索式跨越工程最為普遍，由于地質(zhì)災(zāi)害、鋼結(jié)構(gòu)腐蝕及鋼索失效等增加了跨越管道的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)很多跨越結(jié)構(gòu)自建成之日起從未進(jìn)行過結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)，因此開展現(xiàn)用油氣管道懸索式跨越工程的結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)與評(píng)價(jià)體系研究具有重要意義。

油氣管道懸索式跨越工程的結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)與公路橋梁工程、城市橋梁工程的定期檢測(cè)內(nèi)容有一定的相似性，但由于油氣管道跨越工程在包括荷載形式設(shè)計(jì)等方面存在明顯差異，體現(xiàn)在評(píng)估過程中各結(jié)構(gòu)、構(gòu)件技術(shù)狀況評(píng)分方法上有所區(qū)別[3-6]。本文以某石油天然氣公司在西南地區(qū)所轄的9座管道懸索跨越結(jié)構(gòu)為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合SY/T 6068—2014《油氣管道架空部分及附屬設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程》[7]，參考公路、城市橋梁的結(jié)構(gòu)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)油氣管道懸索式跨越工程結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)與評(píng)價(jià)體系進(jìn)行研究。

1 懸索式跨越的檢測(cè)

管道跨越工程從結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)的角度分為支承結(jié)構(gòu)和跨越管道2個(gè)部分，檢測(cè)和評(píng)價(jià)的流程見圖1。支承結(jié)構(gòu)主要指管道懸索跨越工程中的受力結(jié)構(gòu)，包括鋼桁架梁、橋塔、塔架的混凝土基礎(chǔ)、主纜及風(fēng)系索的混凝土錨固墩等。支承結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)的內(nèi)容包括：索力(主索、吊索及風(fēng)系索)檢測(cè)、外觀檢查、混凝土無損(混凝土橋塔、塔架基礎(chǔ)及混凝土錨固墩)檢測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)和涂層劣化(鋼桁架梁、鋼塔架)檢測(cè)，以及線形(主梁、主纜、塔架)觀測(cè)；管道結(jié)構(gòu)包括油氣管道本身以及管道連接結(jié)構(gòu)，比如管箍、管支座等。管道結(jié)構(gòu)安全性檢查內(nèi)容包括：外觀檢查、鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)及涂層劣化評(píng)價(jià)。在這個(gè)評(píng)價(jià)體系當(dāng)中，索力檢測(cè)和外觀檢查的結(jié)果將共同組成SY/T 6068—2014《油氣管道架空部分及附屬設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程》中技術(shù)狀況評(píng)估的依據(jù)。

1.1 索力檢測(cè)

在油氣管道懸索式跨越工程的結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)中，索力檢測(cè)主要針對(duì)支承結(jié)構(gòu)，在實(shí)施過程中通常采用“頻率法”[8-9]，即通過測(cè)量主索、吊索與風(fēng)系索

圖1 懸索跨越結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)價(jià)體系流程

桿件的自振頻率，結(jié)合索系自身剛度條件來估算索力，弦振理論可得如下振動(dòng)方程式：

(1)

式中：EI為拉索的抗彎剛度；y為拉索振動(dòng)位移；T為拉索索力；m為拉索單位長(zhǎng)度質(zhì)量。假設(shè)拉索兩端鉸支，對(duì)式(1)進(jìn)行分離變量可以得到拉索索力與第n階自振頻率的關(guān)系：

(2)

式中：L為拉索計(jì)算索長(zhǎng)；fn為拉索第n階自振頻率；Tn為第n階頻率的索力。

根據(jù)9座懸索式跨越工程的索力檢測(cè)結(jié)果，主索及吊索索力均遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)破斷索力，可以認(rèn)為主索、吊索受力安全，但通常存在主索和吊索上、下游索力分布不均勻的現(xiàn)象。廣西某跨越工程吊索索力分布示意見圖2。由圖2可知，吊索上、下游索力最多相差33.5 kN。

圖2 廣西某跨越工程上、下游吊索索力對(duì)比

主索和吊索上、下游索力分布不均有導(dǎo)致塔架橫向偏位的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)SY/T 6068—2014《油氣管道架空部分及附屬設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程》附錄B管道跨越工程技術(shù)狀況評(píng)估對(duì)索力的損壞評(píng)價(jià)，并沒有把主索和吊索索力分布列為損壞類型的說明，僅規(guī)定把測(cè)量索力與設(shè)計(jì)索力的比值作為損壞類型的判斷標(biāo)準(zhǔn)。本文建議在規(guī)范中適當(dāng)加入描述索力分布程度的項(xiàng)目，以便更全面地評(píng)估索力，在參考SY/T 6068—2014《油氣管道架空部分及附屬設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程》表B.3基礎(chǔ)上，提出了新的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 上、下游索力分布不均評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

致使吊索索力分布不均勻的原因眾多，其中施工過程中調(diào)索作業(yè)不規(guī)范是主因之一，建議每年對(duì)主索和吊索進(jìn)行1次索力測(cè)試和結(jié)構(gòu)變形觀測(cè)，以掌握懸索式跨越結(jié)構(gòu)的索力和結(jié)構(gòu)變形的趨勢(shì)。

1.2 外觀檢查和涂層劣化評(píng)價(jià)

對(duì)于懸索跨越結(jié)構(gòu)的外觀檢查，根據(jù)SY/T 6068—2014《油氣管道架空部分及附屬設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程》中技術(shù)狀況評(píng)估要求，主要包括梁及橋面、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和管道結(jié)構(gòu)4個(gè)部分，損壞類型主要有鋼結(jié)構(gòu)涂層的銹蝕、鋼結(jié)構(gòu)連接的開裂、鋼結(jié)構(gòu)變形、螺栓松動(dòng)和銹蝕、混凝土裂紋、混凝土結(jié)構(gòu)下?lián)系?。涂層劣化評(píng)價(jià)[6]則是按漆膜變色程度和變色等級(jí)、粉化程度和等級(jí)、開裂數(shù)量等級(jí)、開裂大小等級(jí)、起泡密度等級(jí)、起泡大小等級(jí)、銹點(diǎn)(斑)數(shù)量等級(jí)、銹點(diǎn)大小等級(jí)、剝落面積等級(jí)、剝落大小等級(jí)、長(zhǎng)霉數(shù)量等級(jí)和霉點(diǎn)大小等級(jí)共12個(gè)指標(biāo)決定，這與技術(shù)狀況評(píng)估中鋼結(jié)構(gòu)涂層銹蝕損壞的評(píng)價(jià)有一定的重疊，但評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更細(xì)致。

根據(jù)9座懸索跨越工程的檢測(cè)結(jié)果，跨越工程的外觀病害主要集中在梁及橋面，上部結(jié)構(gòu)和管道結(jié)構(gòu)次之，下部結(jié)構(gòu)由于跨越工程只受靜荷載，且荷載較小，因此幾乎不存在外觀病害。

涂層銹蝕損壞是最常見的病害，它會(huì)導(dǎo)致受力鋼結(jié)構(gòu)有效面積減小，從而降低結(jié)構(gòu)受力性能。造成油氣管道跨越鋼結(jié)構(gòu)銹蝕主要成因是長(zhǎng)期曝露于戶外環(huán)境，受陽光、雨水、氣溫、氧氣等影響以及鋼結(jié)構(gòu)涂裝質(zhì)量較差，再加上涂層使用時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致涂層剝落、銹蝕，特別是鋼構(gòu)件連接部位，雨天積水不易排出，受雨水侵蝕更為嚴(yán)重，見圖3、圖4。重新涂裝是解決鋼結(jié)構(gòu)銹蝕損壞最穩(wěn)妥的措施[10]。

根據(jù)技術(shù)狀況評(píng)估結(jié)果，以廣西某懸索跨越工程為例，跨越梁及橋面、上部結(jié)構(gòu)鋼塔架及吊索錨具等銹蝕嚴(yán)重，依據(jù)SY/T 6068—2014《油氣管道架空部分及附屬設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程》表B.9跨越技術(shù)狀況評(píng)分，見表2。從表2可以看出，雖然梁及橋面、上部結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重，分項(xiàng)得分很低，但總分卻達(dá)到了80.1分，根據(jù)A.6的劃分規(guī)則，被劃分為B級(jí)，屬合格狀態(tài)，只需進(jìn)行檢測(cè)后的保養(yǎng)、小修即可，但現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際技術(shù)狀況顯然與這個(gè)結(jié)論不相符。

圖3 廣西某跨越工程橋面桁架桿件銹蝕

圖4 廣西某跨越工程塔架鋼節(jié)點(diǎn)銹蝕

產(chǎn)生這種不合理的評(píng)分原因在于沒有考慮到跨越各個(gè)部位得分存在極大差異，而總分無法反映局部實(shí)際現(xiàn)象，因此會(huì)得出與事實(shí)不符的結(jié)論。針對(duì)這種情況，本文提出采用動(dòng)態(tài)權(quán)重的方法[11-12]，當(dāng)

表2 廣西某懸索式跨越工程技術(shù)狀況評(píng)估

不同跨越部位評(píng)分差異較大時(shí)，評(píng)分較低部位的權(quán)重會(huì)自動(dòng)放大，計(jì)算公式如下：

(3)

表3 廣西某懸索式跨越工程技術(shù)狀況評(píng)估

1.3 無損檢測(cè)

懸索跨越結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)包含混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)和鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)2個(gè)部分。其中混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)包括混凝土強(qiáng)度、碳化深度、混凝土保護(hù)層厚度和鋼筋銹蝕程度等檢測(cè)，分別使用回彈儀、酸堿指示劑測(cè)定法、鋼筋保護(hù)層測(cè)試儀及半電池電位法檢測(cè)相應(yīng)的參數(shù)；鋼結(jié)構(gòu)涂裝的無損檢測(cè)則包括涂層厚度檢測(cè)和涂層硬度檢測(cè)[13]，分別使用涂層測(cè)厚儀和鉛筆硬度法進(jìn)行測(cè)量，無損檢測(cè)的內(nèi)容脈絡(luò)見圖5。

圖5 無損檢測(cè)脈絡(luò)流程

根據(jù)9座懸索跨越工程的檢測(cè)結(jié)果，選取其中具有代表性的云南某跨越工程回彈法混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，見表4。由表4可知，僅少量混凝土強(qiáng)度測(cè)定高于1，大部分強(qiáng)度狀況均為良好，但總的來說，無損檢測(cè)結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)涂層以及混凝土結(jié)構(gòu)均無異常，而混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)，這除了與施工階段操作不規(guī)范有關(guān)外，還與混凝土構(gòu)件表面嚴(yán)重的風(fēng)化有關(guān)系；混凝土表面嚴(yán)重的風(fēng)化以及麻面讓檢測(cè)人員無法在現(xiàn)場(chǎng)去除表面的風(fēng)化層，而導(dǎo)致測(cè)定出來的強(qiáng)度也會(huì)低于實(shí)際強(qiáng)度。

表4 云南某跨越工程回彈法混凝土強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

1.4 線形觀測(cè)

油氣管道懸索跨越的線形觀測(cè)包括橋面線形、主纜線性、塔架傾斜變位檢測(cè)和永久觀測(cè)點(diǎn)初始坐標(biāo)的設(shè)置。線形測(cè)量的方法是通過高精度全站儀自由設(shè)站，采用建立臨時(shí)坐標(biāo)系測(cè)試相對(duì)高程和相對(duì)坐標(biāo)的方法進(jìn)行觀測(cè)，用全站儀測(cè)出現(xiàn)階段實(shí)際橋面和纜索的立面和平面線形坐標(biāo)。橋面線形觀測(cè)點(diǎn)直接采用永久位移觀測(cè)點(diǎn)，而纜索線形觀測(cè)點(diǎn)選設(shè)在與吊索相交位置處主索索體上。根據(jù)跨越結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，主纜線形采用無棱鏡模式進(jìn)行測(cè)量，塔頂水平變形采用反射片模式進(jìn)行測(cè)量，橋面線形及各永久位移觀測(cè)點(diǎn)采用棱鏡模式進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)本次9座懸索跨越工程的檢測(cè)結(jié)果，9座跨越工程橋面立面線形基本平順，實(shí)測(cè)主纜線形與設(shè)計(jì)線形吻合較好，兩岸塔架上、下游塔柱縱向偏移方向不同，有輕微扭曲但滿足規(guī)范允許值。

線形觀測(cè)結(jié)果較好，主要是油氣管道跨越支承結(jié)構(gòu)不存在動(dòng)荷載，且上部結(jié)構(gòu)及管道結(jié)構(gòu)荷載較小，因此，相對(duì)來說管道懸索跨越工程的線形都不會(huì)出現(xiàn)太大的偏移。

2 懸索式跨越的綜合評(píng)價(jià)

綜合上一節(jié)中包括索力檢測(cè)、外觀檢查、混凝土無損檢測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)涂裝無損檢測(cè)、涂層劣化評(píng)價(jià)和線形觀測(cè)共6項(xiàng)結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)的結(jié)果，對(duì)油氣管道懸索跨越體系的安全性作出整體評(píng)價(jià)并分層次地描述可能存在的風(fēng)險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)方法，為管道管理者提供更為準(zhǔn)確的維修策略和風(fēng)險(xiǎn)緩解措施[14-15]。

其中，在外觀檢查和涂層劣化評(píng)價(jià)中的動(dòng)態(tài)權(quán)重分步法以及新的上、下游索力分布不均評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法在合理性上有顯著的提升。9座懸索跨越工程使用動(dòng)態(tài)權(quán)重法后總分的變化見表5。另外，從現(xiàn)場(chǎng)外觀檢測(cè)、索力檢測(cè)、無損檢測(cè)及線形觀測(cè)等角度綜合評(píng)估來看，動(dòng)態(tài)權(quán)重法的計(jì)算結(jié)果更接近工程師及專家的經(jīng)驗(yàn)判斷，結(jié)果更加精確、合理。

表5 9座懸索跨越結(jié)構(gòu)不同評(píng)價(jià)方式得分

表5(續(xù))

3 結(jié)束語

目前國內(nèi)現(xiàn)用油氣管道懸索跨越工程大多沒有進(jìn)行過結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)，其評(píng)價(jià)體系仍存在漏洞和空白。本文根據(jù)9座懸索跨越結(jié)構(gòu)作為案例，結(jié)合SY/T 6068—2014《油氣管道架空部分及附屬設(shè)施維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程》，對(duì)懸索跨越結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作出了研究，主要有以下認(rèn)識(shí)：

1) 根據(jù)在用油氣管道懸索跨越體系的特點(diǎn)，將檢測(cè)內(nèi)容分為索力檢測(cè)、外觀檢測(cè)、混凝土無損檢測(cè)、鋼結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)、涂層劣化評(píng)價(jià)和線形觀測(cè)6個(gè)部分，并給出了相應(yīng)的檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法。在規(guī)范基礎(chǔ)上，提出了包括技術(shù)狀況評(píng)估動(dòng)態(tài)權(quán)重分布法和新的上、下游索力分布不均評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等修正方法。

2) 以9座懸索管道跨越結(jié)構(gòu)為例，分析了管道懸索跨越工程典型病害，提出了可能成因，并對(duì)其可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析并提出對(duì)策，供今后的結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)參考。

3) 提出對(duì)懸索跨越工程作出整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的綜合評(píng)價(jià)的方法，使之更符合工程現(xiàn)狀，為下一步制定維修策略和風(fēng)險(xiǎn)緩解措施提供技術(shù)支持。