浅析天然气站场管道的沉降与防护

刘同燕

摘 要：埋地管道由于铺设在土体中，受力状态较地上管道复杂，尤其是敷设在软土地基上的管道及设备，地基对管道承载能力差，设备和管道在建设过程中或将随着时间的推移发生沉降现象，影响天然气站场的安全运行，所以应采取适当的预防措施，保证设备和管道的安全运行。

关键词：管道；预防；沉降

1. 前言

天然气作为一种环保性气体能源，在国内外得到了广泛的应用，天然气的输送、储存和输配是天然气工业的重要组成部分，其主要的输送方式为管道输送，天然气站场作为长输管道的重要组成部分，管道内天然气经过分输站的过滤分离、计量、调压输送给用户，所以天然气输气站场的安全、稳定运行至关重要。

天然气输气站场在站场选址时，由于规划、征地、安全等原因，输气站可能坐落于不良地质条件上，如淤泥质粉质黏土等软土地基，此时如果地基处理不当，地面新建设备、管线等载荷大于淤泥质黏土的承载能力，在施工过程中或施工完成后的一段时间内会发生沉降，使埋地管线、设备倾斜或变形，影响站场的安全运行，甚至引发泄露或爆炸等事故。因此对工艺管道的沉降问题的防护在天然气管道站场建设中是很重要的。

2. 天然气站场的构成及特点

2.1天然气站场分类

天然气站场可以分为清管站、分输站、压气站和联络站，具有流量计量、过滤分离、对下游用户的分输控制，以及对介质进行增压输送的功能。站内主要的工艺设备有收发球装置、旋风过滤装置、计量调压装置、压缩机、排污罐、放空设施以及各类阀门等配套设施。

2.2天然气站场管道的特点

天然气长输管道工程具有以下特点：1）相对流动性，管道与介质之间是相对流动的，因此，要求管道内部尽可能光滑，以减少摩阻力。2）固定性，天然气管道经焊接或法兰连接固定后，除改造等特殊原因外，管道一般不会发生位移。3）输送的连续性。天然气管道建成、投产后，一般情况下均需连续运行。4）危险性，管道系统中或泄漏的天然气和空气混合后达到一定的程度，一遇到明火就会发生火灾、爆炸的危险。天然气能与空气形成爆炸性混合物，且爆炸下限较低（3.6～6.5%V），输气管道一旦发生泄漏，短时间内会有大量天然气泄漏到空气中，在特定条件下，在泄漏源周围有可能形成爆炸性天然气团，遇到火源时将发生爆炸。

2.3天然气站场沉降的影响

在役天然气管道站场发生沉降时，埋地管线、设备倾斜或变形，严重时可能撕裂管道，造成天然气泄漏、扩散。天然气的泄漏不仅会影响管道的正常输送，还会污染周围的环境，空气中氧含量明显降低，使人窒息，同时增加了火灾爆炸的危险。当管道系统密封不严时，天然气极易发生泄漏，并可随风四处扩散，遇到明火极易引起火灾或爆炸。

3.对沉降的分析

3.1埋地管道的受力分析

1）管道自身所受重力：包括埋地管道自身重力、埋地管道连接的管道及阀门等重力传递至埋地管道上的载荷和管道输送介质所受重力（将管道与输送介质作为整体）；

2）管沟对管道本体向上的支撑力；

3）管道输送介质时介质波动对管道产生的动载荷；

4）管顶覆土对管道的压力载荷，载荷数值随埋深的增加而增加；

3.2管道沉降因素分析

1）回填土

埋地管道管沟进行回填，回填土会对管道会产生较大载荷。管沟回填土发生不均匀沉降，则导致管道受力发生变化，破坏受力平衡状态，过度沉降变形，也会拉迫地上管线倾斜变形，变形超过极限值时，工艺管线将受到破坏。回填土沉降变形与回填土夯实程度、回填土材料等因素有关系。回填夯实程度越密，承载力就越大，沉降变形就越小；易达到高密实度的回填材料，承载力大，不易发生沉降变形。

2）地面上的其他设施也会形成地面载荷，并通过回填土体传递给工艺管道，破坏埋地管道的受力平衡，使管道发生变形。

3）地基处理不当

天然气站场场地平整时，通常会形成较深填方区，然而埋地管道管沟一般未开挖到持力，并且管道施工周期較长，期间会由于天气导致管沟沟底积水等因素致使管沟沟底土质受到扰动，管沟基层变软而承载力下降。同时埋地管道管沟回填过程中，回填土可能夯实程度不够等多种因素，地表水下渗到管沟沟底，引起渗流破坏作用使管沟地基稳定性下降、强度变小，承载力下降引起管道下沉。

在淤泥质黏土等不良地质条件中的站场，地面新建管线、设备等载荷大于土层的承载能力，如果没有对管线进行支撑或基础处理措施不当，在应力集中的地方，厂区回填土压迫工艺管线一起沉降，造成工艺装置区起伏不平，管线受压变形。

4.设计过程中沉降的预防措施

4.1对管道的防护

1）对管线进行有效的支撑

管道安装时尽量地上安装，同时设置管墩或支吊架，对管道进行支撑；对埋地管道入土点设置管墩，减小埋地管道对地上管道的拉力。

2）对与管道连接的阀门进行支撑

与管道连接的阀门，应设置阀门基础，减小管道的承受力。

4.2地基的有效处理

1）基础强夯

如果管道落于原状土地基上，地基承载力一般能够满足要求。在填方区的站场，应对回填土进行分层压实，必要时对基础进行强夯，使回填土的压实度和性能满足管道安装的需要。

在管道下沟前，将基底的积水、杂物等清理干净后，再对管沟基础进行分层强夯，每层铺土的厚度应根据土质、密实度要求和机具性能确定。夯压时，夯迹应互相搭接，防止漏压、漏夯。进行分层强夯可增加土体密实度，减小地表水下渗量，降低渗流破坏的可能。强夯法对软土基础的加固有较好的效果，并且简单易行、适用性广，在施工中，遇到软土层厚、湿陷性变形大，且管道自重大，对管道安全性要求高的情况下，可采用强夯法来处理地基。

2）装置区设置钢混凝土底板

在工艺装置区设置一定厚度的混凝土底板，设备及管道支墩基础均植根于大底板，整个装置区的基础形成一个整体的结构，使新建设备、管道的载荷均匀分布在底板上，能有效防止装置区的不均匀沉降。

3）打桩加固

对于淤泥质黏土等软地基的厂区，应根据地质情况对设备和管道的基础进行打桩加固，桩基应坐落于原状土层上。按施工方法可分为预制桩和灌注桩。预制桩是在工厂或施工现场制成的各种形式的桩，然后用锤击、静压、振动或水冲沉入等方法打桩入土。一般有混凝土预制桩与钢桩。灌注桩则就地成孔，然后在钻孔中放置钢筋笼、灌注混凝土成桩。

必要时也可采用桩基加混凝土底板的方式，使装置区更加稳定，既可以避免不均匀沉降，也可以避免装置区整体沉降。

4）合理选择回填土材料

回填土应选择土质均匀，粗颗粒占一定比例，级配连续的优质土，不得含有杂草、烂泥等垃圾物。同时在平整前，应先清除表层浮土、淤泥、植物根系等杂物。

根据当地气侯条件，以及含水量、载荷等环境条件，选择土质均匀，粗颗粒占一定比例，级配连续的优质土。淤泥和淤泥质土不能用作填料，但是软土地区，该类土经过处理后，其含水量符合压实要求后，可用于回填中的次要部位。填土前，应将基底表面上的垃圾或树根等杂物、洞穴都处理完，清理干净；并检验各种土料的含水率是否在控制范围内，如含水率偏高可采用翻松、凉晒等措施；如含水率偏低，可采用预先浇水润湿等措施。

4.3严格控制施工质量

在地基处理，管沟回填等施工过程中，应严格按照设计要求及施工工序进行，并加强验收与监督，避免因施工质量问题对管道和设备的影响。

5.结束语

管道输送的介质为可燃天然气，由于存在很多不确定性因素导致埋地管道沉降发生，一旦管道失效，导致输送介质泄漏，不仅影响正常运行，导致严重经济损失，而且可能会引发安全事故，对人身安全、社会和环境超成恶劣影响。因此在天然氣站场的建设过程中，应根据具体情况，采取适当的预防措施，选择合理的施工方法，提高施工质量，确保工艺管道和设备的安全运行。

参考文献：

[1] 石继. 回填土对管道稳定性影响的分析[J].给水排水，2007.33（11）：197-199.