浅析山区油气长输管道的本质安全设计

罗 扬 杨 林 边彦玮 谌贵宇 王棠昱 康 凯 张茂林

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中国石油天然气股份有限公司西南管道分公司, 四川 成都 610041

0 前言

目前，国内油气长输管道建设总里程已达到126 000 km。原油管道总长28 000 km,成品油管道和天然气管道总长分别超过22 000 km和67 000 km,国家石油天然气骨干管网已初步形成。随着中国经济的发展,长输管道建设的路由选择难度越来越大,地势平坦地区绝大部分为人口密集区、城市规划区,仅有的少数可选路由又被公路、铁路、电力线路占用,管道建设不可避免地进入山区地段。山区地段的油气长输管道建设易受到地质情况、天气等多种因素影响,因此山区油气长输管道的本质安全设计尤为重要。

1 面临的挑战及应对措施

山区油气长输管道多处人烟稀少偏远地段,在建设过程中,不仅面临路由选择、管材性能指标确定、管道焊接、不良地质条件处理、山区布管、稳管措施等方面的挑战,而且在投产后面临运营维护等的挑战。因此在设计过程中,应全方位考虑,保证山区油气长输管道的本质安全。

1.1 选定线

山区油气长输管道建成运行后虽受第三方破坏影响较小,但受恶劣天气引起的次生地质灾害影响较大,因此前期管道选定线应综合考虑多方面因素,以确保管道安全。

选定线应注意以下几点。

1)应配备线路、勘察、测量、水工保护及水土保持等专业经验丰富的工程师,宜配备施工单位土建人员,并应邀请行业内经验丰富的线路专家进行审线。

2)避免通过滑坡、泥石流和陡坡、陡坎等易造成管道失稳的不稳定边坡地带。

3)尽可能不沿山地等高线平行敷设,若必须通过时,应选择纵向坡度较缓、削山开挖后岩体较稳定的地方,并做好相应的施工和运行安全防护措施。

4)纵向控制线路的整体坡度,尽量选择坡长较短、坡度平缓、山型完整的地段通过。对于地形高差大、地质条件复杂的地段,要考虑将线路施工难度控制在合理、可接受的范围内。

5)线路需要翻越山岭时,应尽量选择从垭口通过。若山脊线与管线走向一致且山脊宽、顺直、施工方便时,可考虑选择从山脊通过。

1.2 管材选取

高压大口径长输管道选用低合金高强钢,DN800～DN1 000大部分选用X70,DN1 000以上选用X80;国内大部分钢厂X70管材抗拉强度上限值为760 MPa,X80管材抗拉强度上限值为825 MPa,实际生产过程中部分X70管材抗拉强度可达到X80管材抗拉强度,钢管的抗拉强度允许值的范围较大,环焊接头实际上成为低强度匹配[1-4]。标准规定的管线钢管强度要求见表1,某X80管道中屈服强度分布见图1。

表1 标准规定的管线钢管强度要求表Tab.1 Strength requirements for pipeline steel tubes specified in the standard

图1 某X80管道中屈服强度分布图Fig.1 Yield strength distribution of steel tubes in an X80 pipe

针对具体工程项目的钢管订货,应确定合理的钢管技术指标。充分调研管道科学研究院、西安管研院、制管厂家、焊培中心,咨询业内材料、焊接专家,对线路用管的力学性能指标进行优化[5],进一步提升钢管本质安全。如优化屈强比[6-9]:建议在订货时严格控制同一批次钢管抗拉强度上限值,尽量缩小同一批次钢管力学性能指标差异,有利于管道焊接性能的稳定,进而保证焊接质量。X70钢管性能指标见表2。

表2 X70钢管性能指标表Tab.2 X70 steel tube performance indexes

批量生产的钢管中,钢管管端相互之间的直径差或外周长应符合最小错边量要求。如:管径D1 016 mm钢管周长差不大于6 mm,管口直径偏差应不大于1.5 mm,应避免在管体焊缝及其对侧出现桃尖、内陷或直边等。管端150 mm范围内的内、外管体焊缝(如螺旋焊缝、直焊缝),应采用机械方法修磨至余高0～0.5 mm,且与母材圆滑过渡。若伤及到母材,剩余壁厚应不小于钢管标准壁厚的95%。

1.3 变壁厚焊接

根据近年管道焊口失效分析,变壁厚焊接点在分析的失效焊口中占比较大,为减小变壁厚差引起的焊接裂纹问题及应力集中问题,在山区地段,热弯较为集中地段,采用等壁厚设计原则[10-11],即直管壁厚选用与所在区段热弯壁厚相同。

措施1:某工程线路用管壁厚17.5 mm,热弯用管壁厚19.2 mm,将线路用管壁厚由17.5 mm提高至19.2 mm,采取与热弯用管等壁厚设计原则。本工程薄壁厚钢管约39 km,虽然提高壁厚增加耗钢量约1 600 t,但减少约 1 300 道变壁厚焊口(650个弯头),大大消减焊接过程中由于壁厚差引起的焊接问题及应力集中问题。

措施2:不等壁厚钢管非自动焊根焊处理见图2,当壁厚差小于或等于2 mm的不等壁厚钢管采用非自动焊进行根焊时,可直接进行焊接;当壁厚差大于2 mm，且δ2/δ1不大于1.5的不等壁厚钢管采用非自动焊进行根焊时,可在厚度大的部件上进行削薄处理；当δ2/δ1大于1.5时,应按设计文件要求采用壁厚过渡短节,短接长度不应小于管子外径值。

图2 不等壁厚钢管非自动焊根焊处理示意图Fig.2 Schematic diagram of non-automatic root welding of steel pipe with unequal wall thickness

措施3:采取坡口平滑镗口设计见图3。某工程线路用管壁厚22.2 mm,热弯用管壁厚25 mm,将热弯两端直管段坡口在工厂加工,平滑镗口至与薄壁厚管等壁厚,不仅大大消减焊接过程中由于壁厚差引起的焊接问题及应力集中问题,同时较措施1的等壁厚设计原则更经济合理。

图3 坡口平滑镗口示意图Fig.3 Schematic diagram of bevel smooth boring port

1.4 软硬地层交替的处理

山区油气长输管道地质情况复杂,管道常处于软硬地质情况交替频繁地段,地质软硬结合点容易出现应力集中。

在管道下沟前,对地质软硬结合点两侧各2根钢管长度范围内的沟底,先进行级配砂石回填再进行细土回填,消减由地基承载力不同引起的不均匀沉降,进而消减管道的应力集中,提高管道的本质安全。

连头施工前,应测量对接管道的轴线不一致偏差角度或拨管位移量,预留连头焊口两侧未回填管道长度(建议100～200 m),且两侧未回填长度应基本一致,避免强力组对。管道平行偏移示意见图4,管道不对中示意见图5。

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

图5 管道不对中示意图Fig.5 Schematic diagram of pipeline misalignment

1.5 山区布管

部分山区油气长输管道经过高陡长坡地段,施工便道无法修筑,施工机械设备无法到达,布管成为山区施工的难题。

针对山区高陡长坡各地形实际情况,可采取以下特殊布管[12]方式:索道布管[13-14]、轻轨布管[15]、拖船布管。索道布管见图6，轻轨布管见图7。

图6 索道布管照片Fig.6 Stringing pipe with cable car

图7 轻轨布管照片Fig.7 Stringing pipe with light rail

1.6 稳管措施

为防止管道轴向失稳,根据现场地质情况,在高陡坡的顶部或底部设置锚固墩,锚固墩位置选择在坡体的直管段,将锚固法兰嵌入锚固墩内,避免陡坡段管道产生的作用力集中在热煨弯管处,损坏管道。

为防止管道在施工过程中侧向失稳,稳管措施采用锚杆截水墙和管卡截水墙交替布置,锚杆采用Φ25钢筋,锚杆进入中风化岩层深度应不小于1.5 m,墙体采用C25混凝土浇筑。

管沟内采用混凝土浇筑回填或素土袋回填[16-17],管顶覆盖植生袋[18],生态袋之间用卡扣连接,生态袋内装填草籽和基材,在表面用主动防护网进行稳固。坡顶、坡底、管沟两侧每50 m交错设置截排水沟。图8～9为稳管施工现场图片。

图8 稳管施工照片1Fig.8 Photo 1 of pipe stabilizing construction

图9 稳管施工照片2Fig.9 Photo 2 of pipe stabilizing construction

1.7 运营中的监测措施

1.7.1 应力应变监测

山区油气长输管道线路地质情况复杂,岩石破碎,土、石交错分布,管道易受地质情况、温度变化等影响,造成管道扭曲、变形、应力增加等不良后果,进而降低管体自身强度,产生应力集中,甚至引起裂纹萌生及扩展，引发断裂,最终损坏管道或降低管道服役寿命。

重要地段设置应力应变监测设施,监测管道本体的受力状态,实现风险监测与预警。

1.7.2 地表位移变监测

山区油气长输管道线路地质情况复杂,天气恶劣,管沟开挖易破坏岩体完整性,施工扰动后在暴雨、持续降雨天气下,易导致上方土体滑动失稳。

重要地段设置地表位移监测设施,监测管道周围土体变化状态,实现风险监测与预警[19]。

1.7.3 视频监控及无人机巡线

目前国内未明确设置视频监控设施的规范,只有高后果区完整性管理评价和安全评价中要求增设部分监测措施,对部分人员无法到达巡线的高陡边坡地段可设置视频监控,或者采用无人机巡线方式[20],提升运行维护管理水平,增加管道的安全性。

2 建议

山区油气长输管道热煨弯管使用较多,地质情况复杂,林木茂密,地表附着物较多。为准确定位热煨弯管及冷弯管,严格要求施工单位按图施工,建议在地表附着物清障后,在管沟开挖之前,再进行一次施工图断面图设计,这样可以准确定位热煨弯管及冷弯管的角度、位置及数量,有助于控制工程按图施工。

管道变壁厚连接处,应在设计文件中明确要求热煨弯管厂家预先进行坡口加工,或进行削薄处理,或进行平滑镗口处理,并采取相应的管端坡口保护及防锈措施。

3 结论

近年来,管道环焊缝失效已引起各级单位的高度重视。特别是中缅管线2次环焊缝失效造成了较大的直接或间接损失,虽然主要原因为地表堆载土体的外部附加载荷引起的管道环焊缝失效,但提高管体的本质安全可大大降低管道环焊缝失效的概率。由于中国经济的快速发展,管道路由为避让城镇规划和基础设施建设,今后山区油气长输管道在管道建设中占比越来越重,山区油气长输管道线路建设施工难度大,建成后期运行维护难度较大,管道易受恶劣天气引起的次生地质灾害影响,威胁管道的安全。针对前期管道线路选定线、管材性能指标确定、管道焊接坡口形式、地质处理、稳管措施、后续监测等方面提出了建议措施,并应用在后期管道建设中,对保证管道本质安全起到重要作用。