油气管道悬索式跨越工程结构安全性检测与评价体系研究

2020-03-11王明波朱建平王发正兰才富谢皓宇

公路交通技术 2020年1期

王明波，侯浩，朱建平，王发正，兰才富，谢皓宇

(1.中国石油天然气股份有限公司西南管道分公司，成都 610094； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067)

在石油天然气输送管道中，常遇到不少人工或天然的障碍物，如河流、湖泊、沼泽、沟渠、水库、铁路和公路等，输油气管道需要通过这些人工及天然的障碍物，从其上方通过的类桥梁架空结构即为跨越工程。输油气管道跨越是长运输工程中的关键环节，跨越工程的结构安全性攸关整条运输路线的通畅运转[1-2]。在管道跨越工程的结构形式当中，悬索式跨越工程最为普遍，由于地质灾害、钢结构腐蚀及钢索失效等增加了跨越管道的运行风险，同时很多跨越结构自建成之日起从未进行过结构安全性检测，因此开展现用油气管道悬索式跨越工程的结构安全性检测与评价体系研究具有重要意义。

油气管道悬索式跨越工程的结构安全性检测与公路桥梁工程、城市桥梁工程的定期检测内容有一定的相似性，但由于油气管道跨越工程在包括荷载形式设计等方面存在明显差异，体现在评估过程中各结构、构件技术状况评分方法上有所区别[3-6]。本文以某石油天然气公司在西南地区所辖的9座管道悬索跨越结构为例，根据现场检测结果，结合SY/T 6068—2014《油气管道架空部分及附属设施维护保养规程》[7]，参考公路、城市桥梁的结构检测经验，对油气管道悬索式跨越工程结构安全性检测与评价体系进行研究。

1 悬索式跨越的检测

管道跨越工程从结构安全性检测的角度分为支承结构和跨越管道2个部分，检测和评价的流程见图1。支承结构主要指管道悬索跨越工程中的受力结构，包括钢桁架梁、桥塔、塔架的混凝土基础、主缆及风系索的混凝土锚固墩等。支承结构安全性检测的内容包括：索力(主索、吊索及风系索)检测、外观检查、混凝土无损(混凝土桥塔、塔架基础及混凝土锚固墩)检测、钢结构无损检测和涂层劣化(钢桁架梁、钢塔架)检测，以及线形(主梁、主缆、塔架)观测；管道结构包括油气管道本身以及管道连接结构，比如管箍、管支座等。管道结构安全性检查内容包括：外观检查、钢结构无损检测及涂层劣化评价。在这个评价体系当中，索力检测和外观检查的结果将共同组成SY/T 6068—2014《油气管道架空部分及附属设施维护保养规程》中技术状况评估的依据。

1.1 索力检测

在油气管道悬索式跨越工程的结构安全性检测中，索力检测主要针对支承结构，在实施过程中通常采用“频率法”[8-9]，即通过测量主索、吊索与风系索

图1 悬索跨越结构检测评价体系流程

杆件的自振频率，结合索系自身刚度条件来估算索力，弦振理论可得如下振动方程式：

(1)

式中：EI为拉索的抗弯刚度；y为拉索振动位移；T为拉索索力；m为拉索单位长度质量。假设拉索两端铰支，对式(1)进行分离变量可以得到拉索索力与第n阶自振频率的关系：

(2)

式中：L为拉索计算索长；fn为拉索第n阶自振频率；Tn为第n阶频率的索力。

根据9座悬索式跨越工程的索力检测结果，主索及吊索索力均远低于设计破断索力，可以认为主索、吊索受力安全，但通常存在主索和吊索上、下游索力分布不均匀的现象。广西某跨越工程吊索索力分布示意见图2。由图2可知，吊索上、下游索力最多相差33.5 kN。

图2 广西某跨越工程上、下游吊索索力对比

主索和吊索上、下游索力分布不均有导致塔架横向偏位的风险。根据SY/T 6068—2014《油气管道架空部分及附属设施维护保养规程》附录B管道跨越工程技术状况评估对索力的损坏评价，并没有把主索和吊索索力分布列为损坏类型的说明，仅规定把测量索力与设计索力的比值作为损坏类型的判断标准。本文建议在规范中适当加入描述索力分布程度的项目，以便更全面地评估索力，在参考SY/T 6068—2014《油气管道架空部分及附属设施维护保养规程》表B.3基础上，提出了新的评分标准，见表1。

表1 上、下游索力分布不均评分标准

致使吊索索力分布不均匀的原因众多，其中施工过程中调索作业不规范是主因之一，建议每年对主索和吊索进行1次索力测试和结构变形观测，以掌握悬索式跨越结构的索力和结构变形的趋势。

1.2 外观检查和涂层劣化评价

对于悬索跨越结构的外观检查，根据SY/T 6068—2014《油气管道架空部分及附属设施维护保养规程》中技术状况评估要求，主要包括梁及桥面、上部结构、下部结构和管道结构4个部分，损坏类型主要有钢结构涂层的锈蚀、钢结构连接的开裂、钢结构变形、螺栓松动和锈蚀、混凝土裂纹、混凝土结构下挠等。涂层劣化评价[6]则是按漆膜变色程度和变色等级、粉化程度和等级、开裂数量等级、开裂大小等级、起泡密度等级、起泡大小等级、锈点(斑)数量等级、锈点大小等级、剥落面积等级、剥落大小等级、长霉数量等级和霉点大小等级共12个指标决定，这与技术状况评估中钢结构涂层锈蚀损坏的评价有一定的重叠，但评价标准更细致。

根据9座悬索跨越工程的检测结果，跨越工程的外观病害主要集中在梁及桥面，上部结构和管道结构次之，下部结构由于跨越工程只受静荷载，且荷载较小，因此几乎不存在外观病害。

涂层锈蚀损坏是最常见的病害，它会导致受力钢结构有效面积减小，从而降低结构受力性能。造成油气管道跨越钢结构锈蚀主要成因是长期曝露于户外环境，受阳光、雨水、气温、氧气等影响以及钢结构涂装质量较差，再加上涂层使用时间较长，导致涂层剥落、锈蚀，特别是钢构件连接部位，雨天积水不易排出，受雨水侵蚀更为严重，见图3、图4。重新涂装是解决钢结构锈蚀损坏最稳妥的措施[10]。

根据技术状况评估结果，以广西某悬索跨越工程为例，跨越梁及桥面、上部结构钢塔架及吊索锚具等锈蚀严重，依据SY/T 6068—2014《油气管道架空部分及附属设施维护保养规程》表B.9跨越技术状况评分，见表2。从表2可以看出，虽然梁及桥面、上部结构锈蚀严重，分项得分很低，但总分却达到了80.1分，根据A.6的划分规则，被划分为B级，属合格状态，只需进行检测后的保养、小修即可，但现场的实际技术状况显然与这个结论不相符。

图3 广西某跨越工程桥面桁架杆件锈蚀

图4 广西某跨越工程塔架钢节点锈蚀

产生这种不合理的评分原因在于没有考虑到跨越各个部位得分存在极大差异，而总分无法反映局部实际现象，因此会得出与事实不符的结论。针对这种情况，本文提出采用动态权重的方法[11-12]，当

表2 广西某悬索式跨越工程技术状况评估

不同跨越部位评分差异较大时，评分较低部位的权重会自动放大，计算公式如下：

(3)

表3 广西某悬索式跨越工程技术状况评估

1.3 无损检测

悬索跨越结构的无损检测包含混凝土结构无损检测和钢结构无损检测2个部分。其中混凝土结构的无损检测包括混凝土强度、碳化深度、混凝土保护层厚度和钢筋锈蚀程度等检测，分别使用回弹仪、酸碱指示剂测定法、钢筋保护层测试仪及半电池电位法检测相应的参数；钢结构涂装的无损检测则包括涂层厚度检测和涂层硬度检测[13]，分别使用涂层测厚仪和铅笔硬度法进行测量，无损检测的内容脉络见图5。

图5 无损检测脉络流程

根据9座悬索跨越工程的检测结果，选取其中具有代表性的云南某跨越工程回弹法混凝土强度测试结果进行分析，见表4。由表4可知，仅少量混凝土强度测定高于1，大部分强度状况均为良好，但总的来说，无损检测结果表明，钢结构涂层以及混凝土结构均无异常，而混凝土强度出现不达标，这除了与施工阶段操作不规范有关外，还与混凝土构件表面严重的风化有关系；混凝土表面严重的风化以及麻面让检测人员无法在现场去除表面的风化层，而导致测定出来的强度也会低于实际强度。

表4 云南某跨越工程回弹法混凝土强度测试结果

1.4 线形观测

油气管道悬索跨越的线形观测包括桥面线形、主缆线性、塔架倾斜变位检测和永久观测点初始坐标的设置。线形测量的方法是通过高精度全站仪自由设站，采用建立临时坐标系测试相对高程和相对坐标的方法进行观测，用全站仪测出现阶段实际桥面和缆索的立面和平面线形坐标。桥面线形观测点直接采用永久位移观测点，而缆索线形观测点选设在与吊索相交位置处主索索体上。根据跨越结构的实际情况，主缆线形采用无棱镜模式进行测量，塔顶水平变形采用反射片模式进行测量，桥面线形及各永久位移观测点采用棱镜模式进行测量。

根据本次9座悬索跨越工程的检测结果，9座跨越工程桥面立面线形基本平顺，实测主缆线形与设计线形吻合较好，两岸塔架上、下游塔柱纵向偏移方向不同，有轻微扭曲但满足规范允许值。

线形观测结果较好，主要是油气管道跨越支承结构不存在动荷载，且上部结构及管道结构荷载较小，因此，相对来说管道悬索跨越工程的线形都不会出现太大的偏移。

2 悬索式跨越的综合评价

综合上一节中包括索力检测、外观检查、混凝土无损检测、钢结构涂装无损检测、涂层劣化评价和线形观测共6项结构安全性检测的结果，对油气管道悬索跨越体系的安全性作出整体评价并分层次地描述可能存在的风险与应对方法，为管道管理者提供更为准确的维修策略和风险缓解措施[14-15]。

其中，在外观检查和涂层劣化评价中的动态权重分步法以及新的上、下游索力分布不均评分标准对传统评价方法在合理性上有显著的提升。9座悬索跨越工程使用动态权重法后总分的变化见表5。另外，从现场外观检测、索力检测、无损检测及线形观测等角度综合评估来看，动态权重法的计算结果更接近工程师及专家的经验判断，结果更加精确、合理。