羅 揚(yáng) 楊 林 邊彥瑋 諶貴宇 王棠昱 康 凱 張茂林

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南管道分公司, 四川 成都 610041

0 前言

目前，國(guó)內(nèi)油氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)總里程已達(dá)到126 000 km。原油管道總長(zhǎng)28 000 km,成品油管道和天然氣管道總長(zhǎng)分別超過(guò)22 000 km和67 000 km,國(guó)家石油天然氣骨干管網(wǎng)已初步形成。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,長(zhǎng)輸管道建設(shè)的路由選擇難度越來(lái)越大,地勢(shì)平坦地區(qū)絕大部分為人口密集區(qū)、城市規(guī)劃區(qū),僅有的少數(shù)可選路由又被公路、鐵路、電力線路占用,管道建設(shè)不可避免地進(jìn)入山區(qū)地段。山區(qū)地段的油氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)易受到地質(zhì)情況、天氣等多種因素影響,因此山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)尤為重要。

1 面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)措施

山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道多處人煙稀少偏遠(yuǎn)地段,在建設(shè)過(guò)程中,不僅面臨路由選擇、管材性能指標(biāo)確定、管道焊接、不良地質(zhì)條件處理、山區(qū)布管、穩(wěn)管措施等方面的挑戰(zhàn),而且在投產(chǎn)后面臨運(yùn)營(yíng)維護(hù)等的挑戰(zhàn)。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)全方位考慮,保證山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道的本質(zhì)安全。

1.1 選定線

山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道建成運(yùn)行后雖受第三方破壞影響較小,但受惡劣天氣引起的次生地質(zhì)災(zāi)害影響較大,因此前期管道選定線應(yīng)綜合考慮多方面因素,以確保管道安全。

選定線應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1)應(yīng)配備線路、勘察、測(cè)量、水工保護(hù)及水土保持等專業(yè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師,宜配備施工單位土建人員,并應(yīng)邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)豐富的線路專家進(jìn)行審線。

2)避免通過(guò)滑坡、泥石流和陡坡、陡坎等易造成管道失穩(wěn)的不穩(wěn)定邊坡地帶。

3)盡可能不沿山地等高線平行敷設(shè),若必須通過(guò)時(shí),應(yīng)選擇縱向坡度較緩、削山開(kāi)挖后巖體較穩(wěn)定的地方,并做好相應(yīng)的施工和運(yùn)行安全防護(hù)措施。

4)縱向控制線路的整體坡度,盡量選擇坡長(zhǎng)較短、坡度平緩、山型完整的地段通過(guò)。對(duì)于地形高差大、地質(zhì)條件復(fù)雜的地段,要考慮將線路施工難度控制在合理、可接受的范圍內(nèi)。

5)線路需要翻越山嶺時(shí),應(yīng)盡量選擇從埡口通過(guò)。若山脊線與管線走向一致且山脊寬、順直、施工方便時(shí),可考慮選擇從山脊通過(guò)。

1.2 管材選取

高壓大口徑長(zhǎng)輸管道選用低合金高強(qiáng)鋼,DN800～DN1 000大部分選用X70,DN1 000以上選用X80;國(guó)內(nèi)大部分鋼廠X70管材抗拉強(qiáng)度上限值為760 MPa,X80管材抗拉強(qiáng)度上限值為825 MPa,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中部分X70管材抗拉強(qiáng)度可達(dá)到X80管材抗拉強(qiáng)度,鋼管的抗拉強(qiáng)度允許值的范圍較大,環(huán)焊接頭實(shí)際上成為低強(qiáng)度匹配[1-4]。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管線鋼管強(qiáng)度要求見(jiàn)表1,某X80管道中屈服強(qiáng)度分布見(jiàn)圖1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的管線鋼管強(qiáng)度要求表Tab.1 Strength requirements for pipeline steel tubes specified in the standard

圖1 某X80管道中屈服強(qiáng)度分布圖Fig.1 Yield strength distribution of steel tubes in an X80 pipe

針對(duì)具體工程項(xiàng)目的鋼管訂貨,應(yīng)確定合理的鋼管技術(shù)指標(biāo)。充分調(diào)研管道科學(xué)研究院、西安管研院、制管廠家、焊培中心,咨詢業(yè)內(nèi)材料、焊接專家,對(duì)線路用管的力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化[5],進(jìn)一步提升鋼管本質(zhì)安全。如優(yōu)化屈強(qiáng)比[6-9]:建議在訂貨時(shí)嚴(yán)格控制同一批次鋼管抗拉強(qiáng)度上限值,盡量縮小同一批次鋼管力學(xué)性能指標(biāo)差異,有利于管道焊接性能的穩(wěn)定,進(jìn)而保證焊接質(zhì)量。X70鋼管性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 X70鋼管性能指標(biāo)表Tab.2 X70 steel tube performance indexes

批量生產(chǎn)的鋼管中,鋼管管端相互之間的直徑差或外周長(zhǎng)應(yīng)符合最小錯(cuò)邊量要求。如:管徑D1 016 mm鋼管周長(zhǎng)差不大于6 mm,管口直徑偏差應(yīng)不大于1.5 mm,應(yīng)避免在管體焊縫及其對(duì)側(cè)出現(xiàn)桃尖、內(nèi)陷或直邊等。管端150 mm范圍內(nèi)的內(nèi)、外管體焊縫(如螺旋焊縫、直焊縫),應(yīng)采用機(jī)械方法修磨至余高0～0.5 mm,且與母材圓滑過(guò)渡。若傷及到母材,剩余壁厚應(yīng)不小于鋼管標(biāo)準(zhǔn)壁厚的95%。

1.3 變壁厚焊接

根據(jù)近年管道焊口失效分析,變壁厚焊接點(diǎn)在分析的失效焊口中占比較大,為減小變壁厚差引起的焊接裂紋問(wèn)題及應(yīng)力集中問(wèn)題,在山區(qū)地段,熱彎較為集中地段,采用等壁厚設(shè)計(jì)原則[10-11],即直管壁厚選用與所在區(qū)段熱彎壁厚相同。

措施1:某工程線路用管壁厚17.5 mm,熱彎用管壁厚19.2 mm,將線路用管壁厚由17.5 mm提高至19.2 mm,采取與熱彎用管等壁厚設(shè)計(jì)原則。本工程薄壁厚鋼管約39 km,雖然提高壁厚增加耗鋼量約1 600 t,但減少約 1 300 道變壁厚焊口(650個(gè)彎頭),大大消減焊接過(guò)程中由于壁厚差引起的焊接問(wèn)題及應(yīng)力集中問(wèn)題。

措施2:不等壁厚鋼管非自動(dòng)焊根焊處理見(jiàn)圖2,當(dāng)壁厚差小于或等于2 mm的不等壁厚鋼管采用非自動(dòng)焊進(jìn)行根焊時(shí),可直接進(jìn)行焊接;當(dāng)壁厚差大于2 mm，且δ2/δ1不大于1.5的不等壁厚鋼管采用非自動(dòng)焊進(jìn)行根焊時(shí),可在厚度大的部件上進(jìn)行削薄處理；當(dāng)δ2/δ1大于1.5時(shí),應(yīng)按設(shè)計(jì)文件要求采用壁厚過(guò)渡短節(jié),短接長(zhǎng)度不應(yīng)小于管子外徑值。

圖2 不等壁厚鋼管非自動(dòng)焊根焊處理示意圖Fig.2 Schematic diagram of non-automatic root welding of steel pipe with unequal wall thickness

措施3:采取坡口平滑鏜口設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。某工程線路用管壁厚22.2 mm,熱彎用管壁厚25 mm,將熱彎兩端直管段坡口在工廠加工,平滑鏜口至與薄壁厚管等壁厚,不僅大大消減焊接過(guò)程中由于壁厚差引起的焊接問(wèn)題及應(yīng)力集中問(wèn)題,同時(shí)較措施1的等壁厚設(shè)計(jì)原則更經(jīng)濟(jì)合理。

圖3 坡口平滑鏜口示意圖Fig.3 Schematic diagram of bevel smooth boring port

1.4 軟硬地層交替的處理

山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道地質(zhì)情況復(fù)雜,管道常處于軟硬地質(zhì)情況交替頻繁地段,地質(zhì)軟硬結(jié)合點(diǎn)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。

在管道下溝前,對(duì)地質(zhì)軟硬結(jié)合點(diǎn)兩側(cè)各2根鋼管長(zhǎng)度范圍內(nèi)的溝底,先進(jìn)行級(jí)配砂石回填再進(jìn)行細(xì)土回填,消減由地基承載力不同引起的不均勻沉降,進(jìn)而消減管道的應(yīng)力集中,提高管道的本質(zhì)安全。

連頭施工前,應(yīng)測(cè)量對(duì)接管道的軸線不一致偏差角度或撥管位移量,預(yù)留連頭焊口兩側(cè)未回填管道長(zhǎng)度(建議100～200 m),且兩側(cè)未回填長(zhǎng)度應(yīng)基本一致,避免強(qiáng)力組對(duì)。管道平行偏移示意見(jiàn)圖4,管道不對(duì)中示意見(jiàn)圖5。

圖4 管道平行偏移示意圖Fig.4 Schematic diagram of pipeline parallel offset

圖5 管道不對(duì)中示意圖Fig.5 Schematic diagram of pipeline misalignment

1.5 山區(qū)布管

部分山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道經(jīng)過(guò)高陡長(zhǎng)坡地段,施工便道無(wú)法修筑,施工機(jī)械設(shè)備無(wú)法到達(dá),布管成為山區(qū)施工的難題。

針對(duì)山區(qū)高陡長(zhǎng)坡各地形實(shí)際情況,可采取以下特殊布管[12]方式:索道布管[13-14]、輕軌布管[15]、拖船布管。索道布管見(jiàn)圖6，輕軌布管見(jiàn)圖7。

圖6 索道布管照片F(xiàn)ig.6 Stringing pipe with cable car

圖7 輕軌布管照片F(xiàn)ig.7 Stringing pipe with light rail

1.6 穩(wěn)管措施

為防止管道軸向失穩(wěn),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況,在高陡坡的頂部或底部設(shè)置錨固墩,錨固墩位置選擇在坡體的直管段,將錨固法蘭嵌入錨固墩內(nèi),避免陡坡段管道產(chǎn)生的作用力集中在熱煨彎管處,損壞管道。

為防止管道在施工過(guò)程中側(cè)向失穩(wěn),穩(wěn)管措施采用錨桿截水墻和管卡截水墻交替布置,錨桿采用Φ25鋼筋,錨桿進(jìn)入中風(fēng)化巖層深度應(yīng)不小于1.5 m,墻體采用C25混凝土澆筑。

管溝內(nèi)采用混凝土澆筑回填或素土袋回填[16-17],管頂覆蓋植生袋[18],生態(tài)袋之間用卡扣連接,生態(tài)袋內(nèi)裝填草籽和基材,在表面用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)固。坡頂、坡底、管溝兩側(cè)每50 m交錯(cuò)設(shè)置截排水溝。圖8～9為穩(wěn)管施工現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖8 穩(wěn)管施工照片1Fig.8 Photo 1 of pipe stabilizing construction

圖9 穩(wěn)管施工照片2Fig.9 Photo 2 of pipe stabilizing construction

1.7 運(yùn)營(yíng)中的監(jiān)測(cè)措施

1.7.1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道線路地質(zhì)情況復(fù)雜,巖石破碎,土、石交錯(cuò)分布,管道易受地質(zhì)情況、溫度變化等影響,造成管道扭曲、變形、應(yīng)力增加等不良后果,進(jìn)而降低管體自身強(qiáng)度,產(chǎn)生應(yīng)力集中,甚至引起裂紋萌生及擴(kuò)展，引發(fā)斷裂,最終損壞管道或降低管道服役壽命。

重要地段設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)施,監(jiān)測(cè)管道本體的受力狀態(tài),實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

1.7.2 地表位移變監(jiān)測(cè)

山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道線路地質(zhì)情況復(fù)雜,天氣惡劣,管溝開(kāi)挖易破壞巖體完整性,施工擾動(dòng)后在暴雨、持續(xù)降雨天氣下,易導(dǎo)致上方土體滑動(dòng)失穩(wěn)。

重要地段設(shè)置地表位移監(jiān)測(cè)設(shè)施,監(jiān)測(cè)管道周圍土體變化狀態(tài),實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警[19]。

1.7.3 視頻監(jiān)控及無(wú)人機(jī)巡線

目前國(guó)內(nèi)未明確設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)施的規(guī)范,只有高后果區(qū)完整性管理評(píng)價(jià)和安全評(píng)價(jià)中要求增設(shè)部分監(jiān)測(cè)措施,對(duì)部分人員無(wú)法到達(dá)巡線的高陡邊坡地段可設(shè)置視頻監(jiān)控,或者采用無(wú)人機(jī)巡線方式[20],提升運(yùn)行維護(hù)管理水平,增加管道的安全性。

2 建議

山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道熱煨彎管使用較多,地質(zhì)情況復(fù)雜,林木茂密,地表附著物較多。為準(zhǔn)確定位熱煨彎管及冷彎管,嚴(yán)格要求施工單位按圖施工,建議在地表附著物清障后,在管溝開(kāi)挖之前,再進(jìn)行一次施工圖斷面圖設(shè)計(jì),這樣可以準(zhǔn)確定位熱煨彎管及冷彎管的角度、位置及數(shù)量,有助于控制工程按圖施工。

管道變壁厚連接處,應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中明確要求熱煨彎管廠家預(yù)先進(jìn)行坡口加工,或進(jìn)行削薄處理,或進(jìn)行平滑鏜口處理,并采取相應(yīng)的管端坡口保護(hù)及防銹措施。

3 結(jié)論

近年來(lái),管道環(huán)焊縫失效已引起各級(jí)單位的高度重視。特別是中緬管線2次環(huán)焊縫失效造成了較大的直接或間接損失,雖然主要原因?yàn)榈乇矶演d土體的外部附加載荷引起的管道環(huán)焊縫失效,但提高管體的本質(zhì)安全可大大降低管道環(huán)焊縫失效的概率。由于中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,管道路由為避讓城鎮(zhèn)規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),今后山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道在管道建設(shè)中占比越來(lái)越重,山區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道線路建設(shè)施工難度大,建成后期運(yùn)行維護(hù)難度較大,管道易受惡劣天氣引起的次生地質(zhì)災(zāi)害影響,威脅管道的安全。針對(duì)前期管道線路選定線、管材性能指標(biāo)確定、管道焊接坡口形式、地質(zhì)處理、穩(wěn)管措施、后續(xù)監(jiān)測(cè)等方面提出了建議措施,并應(yīng)用在后期管道建設(shè)中,對(duì)保證管道本質(zhì)安全起到重要作用。