孫晁,黃微,燕冰川,陳健,莊楠

(1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司,北京 100000;2.中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程研究中心 石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102200)

隨著我國能源需求不斷攀升,為保障國家能源安全,國內(nèi)相關(guān)部門與俄方籌劃建設(shè)了中俄原油管道,對優(yōu)化我國能源整體布局意義重大[1-3]。管道穿越多年凍土441 km,最低氣溫-52.3 ℃,全年冰雪覆蓋長達(dá)7個(gè)月,極易產(chǎn)生差異性凍脹、融沉、熱融滑塌等凍土災(zāi)害[4-8]。至今,漠大一線已經(jīng)運(yùn)行十余年,其建設(shè)和運(yùn)行面臨高寒地區(qū)不穩(wěn)定凍土及環(huán)境保護(hù)等重大挑戰(zhàn)[9-11]。

由于漠大線的投產(chǎn)運(yùn)行及其特殊性,國內(nèi)外學(xué)者對融沉災(zāi)害條件下埋地管道的力學(xué)響應(yīng)開展了研究。王健等人[12]利用Abaqus軟件建立了三維管土耦合模型,考慮管線鋼材料非線性特性,并基于應(yīng)變設(shè)計(jì)準(zhǔn)則研究分析管道穿越凍土融化區(qū)域時(shí)管道的應(yīng)變變化規(guī)律。王麗[13]基于彈性力學(xué)能量方法構(gòu)建了管道屈曲力學(xué)模型,探析了凍土管道屈曲機(jī)理,研究了屈曲臨界溫差的影響因素及影響規(guī)律。Xu等人[14]通過試驗(yàn)方法對永久性以及季節(jié)性凍土地區(qū)埋地管道的管周土壤應(yīng)力、應(yīng)變開展了研究,探明了環(huán)境溫度對凍土融沉和管道變形的影響。

綜上可知,以往學(xué)者對凍土區(qū)管道的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了較多的研究分析,具有較深理論基礎(chǔ),但參數(shù)多為假設(shè),缺乏實(shí)際工程數(shù)據(jù)。漠大線投產(chǎn)以來,開展了多類型的管道與環(huán)境監(jiān)測與檢測[15],形成了國際上難得的凍土區(qū)管道長周期運(yùn)行檢測數(shù)據(jù)。因此,本文基于多元監(jiān)測數(shù)據(jù)對漠大一線融沉風(fēng)險(xiǎn)段展開分析,綜合評估管道的安全狀態(tài),為管道的運(yùn)維管理提出參考建議,對實(shí)際工程運(yùn)行具有重要意義。

1 漠大一線多元數(shù)據(jù)監(jiān)測

1.1 漠大一線多元監(jiān)測數(shù)據(jù)情況

國家管網(wǎng)北方管道公司根據(jù)管道慣性測繪內(nèi)檢測數(shù)據(jù)得到了全線融沉風(fēng)險(xiǎn)段,并在全線優(yōu)選了21個(gè)管道端面進(jìn)行了多元監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳至管道本體及地災(zāi)監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)。目前已有16個(gè)監(jiān)測端面具有較全的監(jiān)測數(shù)據(jù),其中2個(gè)監(jiān)測端面從2010年開始監(jiān)測,2個(gè)監(jiān)測端面從2015年開始監(jiān)測,4個(gè)監(jiān)測端面從2016年開始監(jiān)測,其余監(jiān)測端面從2019年開始監(jiān)測。

1.2 多元監(jiān)測方案介紹

通過長周期監(jiān)測站對漠大一線各監(jiān)測端面的軸向應(yīng)力、附加應(yīng)力、應(yīng)變和管周4條測線溫度進(jìn)行監(jiān)測。各監(jiān)測端面采用測溫傳感器對管周土壤溫度進(jìn)行監(jiān)測,采用應(yīng)變片對管道應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測,數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸回控制中心。管道本體與管周土壤溫度采用分布式傳感器監(jiān)測,確定溫度傳感器數(shù)據(jù)傳輸方案與溫度場傳感器空間布置后(圖1),通過分布式溫度傳感器實(shí)現(xiàn)管周溫度場的實(shí)時(shí)監(jiān)測。管道應(yīng)力響應(yīng)狀態(tài)可通過實(shí)時(shí)應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)測。一般每個(gè)管段端面需要布置3個(gè)應(yīng)變片,相鄰監(jiān)測管段之間的縱向距離約為12 m(圖2)。在管道本體及地災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)上,可實(shí)時(shí)查看各監(jiān)測端面運(yùn)行周期內(nèi)所有的監(jiān)測數(shù)據(jù),并對管道安全狀態(tài)進(jìn)行安全等級劃分。

圖1 管道溫度監(jiān)測方案示意圖

2 漠大一線多元監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 報(bào)警閾值的設(shè)置

在管道本體及地災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中,通過對監(jiān)測應(yīng)力數(shù)據(jù)設(shè)置三個(gè)等級的應(yīng)力報(bào)警閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警,當(dāng)監(jiān)測端面應(yīng)力超過設(shè)定閾值,監(jiān)測系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出報(bào)警。因管道內(nèi)一般存在環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力,需要采用組合應(yīng)力的評價(jià)準(zhǔn)則。記單元體三個(gè)主應(yīng)力為σ1≥σ2≥σ3,Tresca屈服條件假設(shè)最大剪應(yīng)力達(dá)到極值時(shí)發(fā)生屈服,此時(shí)的屈服條件為:

σTresca=σ1-σ3=σy

式中:σy代表單向拉伸或壓縮時(shí)的屈服強(qiáng)度。

管道工程基于應(yīng)力評價(jià)準(zhǔn)則中會(huì)根據(jù)不同的工況設(shè)置相應(yīng)的設(shè)計(jì)系數(shù)對式(1)中σy進(jìn)行修正得到許用應(yīng)力[σ][16]。工程中常用的應(yīng)力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)為屈服應(yīng)力的30%,60%,90%。漠大一線為X65鋼級管道,由于安裝監(jiān)測設(shè)備時(shí)無法了解管道的敷設(shè)應(yīng)力和經(jīng)過多年運(yùn)行后的基礎(chǔ)應(yīng)力,導(dǎo)致監(jiān)測到的應(yīng)力小于管道實(shí)際應(yīng)力,因此根據(jù)漠大二線超聲應(yīng)力檢測結(jié)果對常規(guī)報(bào)警閾值的設(shè)置進(jìn)行修正,修正后監(jiān)測系統(tǒng)中報(bào)警閾值等級分別為許用附加應(yīng)力的30%, 54%, 72%(表1)。

表1 報(bào)警閾值表

2.2 基于多元監(jiān)測數(shù)據(jù)的管道安全狀態(tài)分析

2.2.1 漠大一線全線不同位置監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

目前漠大一線優(yōu)選的21個(gè)監(jiān)測端面中有16個(gè)端面有較全數(shù)據(jù),由于夏季凍土融化較大,管道受到的應(yīng)力大,因此對這些監(jiān)測端面不同年份管道夏季監(jiān)測得到的應(yīng)力進(jìn)行對比,以確定各監(jiān)測端面中最危險(xiǎn)的端面。管道在1(265#+712 m)、2(113#+690 m)、4(173#+667 m)、6(116#+171 m)端面附加應(yīng)力變化明顯,4端面變化最為顯著,且有隨時(shí)間逐年增大的趨勢(圖3)。其余監(jiān)測端面的附加應(yīng)力隨著時(shí)間變化趨勢比較平穩(wěn)。

圖3 各監(jiān)測端面夏季附加應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

通過上述分析,選取這4個(gè)應(yīng)力較大的端面進(jìn)行應(yīng)變與土壤溫度場的分析,以綜合判斷漠大一線的最危險(xiǎn)端面。

首先對4個(gè)監(jiān)測端面的應(yīng)變變化趨勢進(jìn)行分析,管道應(yīng)變在0～0.1%之間變化(圖4);除173#+667 m監(jiān)測端面外,其他三個(gè)監(jiān)測端面附近管道的應(yīng)變呈現(xiàn)周期性負(fù)增長的趨勢,且增長趨勢較小;173#+667 m監(jiān)測端面管道應(yīng)變呈現(xiàn)周期性正增大的趨勢且應(yīng)變最大,由于應(yīng)變片在管頂位置,即管頂為拉應(yīng)力,因此,該監(jiān)測端面應(yīng)變片位置可能位于融沉區(qū)邊緣。173#+667 m監(jiān)測端面作為危險(xiǎn)端面,需密切關(guān)注其應(yīng)力應(yīng)變的變化且預(yù)先制定好減緩措施及方案,以便應(yīng)對突發(fā)情況。

圖4 173#+667 m、113#+690 m、116#+171 m和265#+712 m監(jiān)測端面管道應(yīng)變變化對比圖

其次對4個(gè)監(jiān)測端面的管底土壤溫度場變化趨勢進(jìn)行分析(圖5),4個(gè)監(jiān)測端面中173#+667 m監(jiān)測端面的土壤溫度最高,其他三個(gè)監(jiān)測端面土壤溫度相對較低,這是由于173#+667 m監(jiān)測端面管底土壤含水率較大,土壤導(dǎo)熱性高,吸收了較多管道散失的熱量;其他三個(gè)監(jiān)測端面管底土壤含水量較少,導(dǎo)熱性較差,管道散失的熱量較少,管底土壤溫度相對較低。

綜上所述,在所分析的16個(gè)監(jiān)測端面中,173#+667 m監(jiān)測端面處含冰(水)量較多,融沉量較大,導(dǎo)致應(yīng)力較大,同時(shí)應(yīng)變呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢,因此,這個(gè)監(jiān)測端面附近管段最為危險(xiǎn)。

2.2.2 管道危險(xiǎn)端面監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢分析

針對上述173#+667 m監(jiān)測端面,對監(jiān)測得到的應(yīng)力變化趨勢進(jìn)行詳細(xì)分析以明確監(jiān)測點(diǎn)管道的安全狀態(tài)。管道軸向應(yīng)力每年呈周期性變化且逐年增大(圖6),這是由于管道的溫度和大氣溫度呈現(xiàn)周期性變化且沉降量也在不斷增加,從而致使管道軸向應(yīng)力也出現(xiàn)周期性變化,其平均應(yīng)力呈現(xiàn)逐年增大的趨勢。管道最大彎曲應(yīng)力較大且呈持續(xù)增長趨勢,增長幅度較大,出現(xiàn)這種趨勢的原因是土壤融沉導(dǎo)致的管道位移在不斷增大。截至2022年10月23日,管道最大彎曲拉應(yīng)力為229.71 MPa,最大彎曲壓應(yīng)力為-229.71 MPa,彎曲應(yīng)力是導(dǎo)致管道應(yīng)力持續(xù)增加的主要原因,管道最大附加應(yīng)力從監(jiān)測開始至今一直呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢,但其大小仍然小于許用應(yīng)力(圖7、圖8)。

圖6 173#+667 m監(jiān)測端面管道軸向應(yīng)力變化趨勢圖

圖7 173#+667 m監(jiān)測端面管道最大彎曲應(yīng)力變化趨勢圖

圖8 173#+667 m監(jiān)測端面管道最大附加應(yīng)力變化趨勢圖

綜上分析可知,目前漠大一線管道全線最危險(xiǎn)端面173#+667 m軸向應(yīng)力與應(yīng)變有逐年增加的趨勢,但整體變化范圍較小。目前該監(jiān)測端面管道最大應(yīng)力為266.34 MPa,占管道許用應(yīng)力的74.9%,不考慮安裝時(shí)的基礎(chǔ)應(yīng)力,還有較大的裕量,表明漠大一線最危險(xiǎn)管道端面處于安全狀態(tài)。

3 結(jié)論

針對國內(nèi)凍土區(qū)埋地管道最完整長周期多元監(jiān)測數(shù)據(jù)即漠大一線投產(chǎn)以來全線應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)開展了空間和時(shí)間兩個(gè)尺度的橫縱向?qū)Ρ?采用基于應(yīng)力的評價(jià)準(zhǔn)則,判斷了當(dāng)前管道的安全狀態(tài),探明了管道應(yīng)力、應(yīng)變與土壤溫度的內(nèi)在發(fā)展規(guī)律,得到以下結(jié)論與建議:

1)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對管道進(jìn)行安全評價(jià)能夠更為真實(shí)、全面地評價(jià)管道安全狀態(tài),彌補(bǔ)了以假設(shè)參數(shù)的數(shù)值模擬法和試驗(yàn)法研究對凍土區(qū)管道力學(xué)響應(yīng)分析及安全評價(jià)的不足。

2)油溫、大氣溫度的周期性變化和土壤含冰量綜合影響了管道沉降量,進(jìn)而影響管道的應(yīng)力;在管周土壤含冰量較多管段,土壤融沉位移會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生較大變形。

3)目前漠大一線全線均處于安全狀態(tài),但是由于管底凍土融沉量不斷增大,管道附加應(yīng)力持續(xù)增加,需要密切關(guān)注管道狀態(tài)的變化,進(jìn)行長期跟蹤監(jiān)測。同時(shí)在數(shù)據(jù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上,應(yīng)進(jìn)一步開展基于數(shù)值仿真的管周土壤融沉和管道應(yīng)力狀態(tài)預(yù)防方法研究。