王志濤 王洋

國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道大慶（加格達(dá)奇）輸油氣分公司

摘要：中俄原油管道（漠大線）穿越大興安嶺多年凍土區(qū)域，隨著管道輸送俄油溫度不斷升高，土體溫度場改變將進(jìn)而影響管道應(yīng)力和位移變化，管道變形使管道安全運(yùn)行風(fēng)險加大。介紹了漠大線管道變形監(jiān)測系統(tǒng)分布情況，通過分析某監(jiān)測單元應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)管段存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，并實(shí)施應(yīng)力釋放治理措施。對凍土區(qū)管道應(yīng)力監(jiān)測和凍害防治等提出了相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：原油管道；漠大線；凍土區(qū)；應(yīng)力監(jiān)測

中俄原油管道（漠大線）管徑1410 mm，設(shè)計(jì)年輸量1500萬噸，途經(jīng)我國緯度最高、極端溫度達(dá)﹣52.3℃的高寒地帶，是我國第一條完全意義上穿越永凍土區(qū)的大口徑長輸原油管道，其中漠河—加格達(dá)奇大楊樹段共計(jì)440 km管道穿越大興安嶺多年凍土區(qū)。由于大管徑大輸量，管道油溫對周圍土壤的影響段（非等溫段）更長，氣候轉(zhuǎn)暖和人類活動使凍土凍融危害的情況更為復(fù)雜和嚴(yán)重。為掌握典型凍土區(qū)域管道熱輻射對周圍凍土的影響，以及因凍融危害作用對管道的力學(xué)狀態(tài)的影響，應(yīng)用變形監(jiān)測系統(tǒng)對管周溫度和管道應(yīng)力變化情況進(jìn)行監(jiān)測并開展了應(yīng)力釋放治理。

1  變形監(jiān)測系統(tǒng)分布

在加格達(dá)奇以北地區(qū)，針對漠大線6處典型凍脹、融沉災(zāi)害點(diǎn)，采用光纖光柵應(yīng)變測量技術(shù)和一線總線數(shù)字溫度測量技術(shù)，開展了管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和管道周圍土壤溫度場監(jiān)測。采用振弦應(yīng)變測量技術(shù)對2處環(huán)焊縫補(bǔ)強(qiáng)管段開展了管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。目前投入運(yùn)行的8處監(jiān)測單元基本情況見表 1。

表 1 漠大線8處監(jiān)測單元基本情況

2  變形監(jiān)測及應(yīng)力釋放治理案例

AA007-200監(jiān)測單元位于漠大線007 km+967 m，額木爾河右岸階地與山前緩坡過渡地帶，階地一帶飽冰凍土發(fā)育，山前緩坡地帶凍土相對不發(fā)育，存在差異性凍脹問題。管道應(yīng)變傳感器位于焊口號MDX-01-01-AA006+171-DG01-B-Y至MDX-01-01-AA006+188-DG01-B-Y，共計(jì)18處，布置情況如圖 1所示 。其中X1—X8管段地貌單元屬額木爾河右岸河漫灘和階地，分布有大片的塔頭和低矮的灌木，地表夏季積水、冬季結(jié)冰，X5—X6管段穿越砂石路，X9—X18管段地貌單元屬低山緩坡，為大片森林，局部基巖出露地表。

圖 1 管道應(yīng)變傳感器布置示意圖

AA007-200監(jiān)測單元自投用以來各截面附加彎曲應(yīng)力隨時間變化，曲線如圖 2所示。變化趨勢表明：管道在X3—X6截面間附加彎曲應(yīng)力年際變化明顯，以X4截面應(yīng)力變化最為顯著，拉應(yīng)力為151.39 MPa，壓應(yīng)力為﹣156.60 MPa，彎曲應(yīng)力為158.99 MPa，拉應(yīng)力位于184.49°（管底）。由于X1—X8 處于強(qiáng)凍脹段，管道受凍土凍脹影響易向上抬升，但受 X6—X8 段公路強(qiáng)約束限制，最終表現(xiàn)為 X3 截面上游管段冬季受凍土凍脹作用向上抬升，X4 截面應(yīng)力在累積增大，X4截面應(yīng)力隨時間變化曲線如圖 3所示。

圖 2 監(jiān)測單元各截面附加彎曲應(yīng)力隨時間變化曲線

圖 3 X4 截面附加應(yīng)力隨時間變化曲線

分析表明，X3、X4、X5截面管道應(yīng)力集中明顯，X4截面應(yīng)力最大且拉應(yīng)力位于管底，X3、X5截面拉應(yīng)力均位于管頂，X3—X5截面間管道出現(xiàn)彎曲變形。X5—X6 共12 m管段位于林間砂石路正下方，判斷該處形成約束點(diǎn)，是造成X4 截面附近管道彎曲變形的主要原因，管道彎曲模型見圖 4。

2018年8月，對AA007-200監(jiān)測單元管道實(shí)施應(yīng)力釋放治理方案，開挖砂石路穿越段管道，管道兩側(cè)設(shè)置混凝土支護(hù)，板涵出入后采用漿砌石八字墻，詳見圖 5。

圖 5 砂石路開挖示意圖

砂石路穿越段管道開挖后，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)期間并無應(yīng)力釋放，原因?yàn)閄5上游段管道處于強(qiáng)凍脹、融沉土壤環(huán)境中，受砂石路約束后管道部分變形在已彎曲段形成積累，造成X3—X5應(yīng)力逐年增大。盡管在設(shè)置板涵后可以消除砂石路的強(qiáng)約束，但對于已累積較高應(yīng)力的X3—X5段管道起不到快速釋放應(yīng)力的作用，遂決定管溝開挖從X5向上游延伸30 m至X3附近，經(jīng)監(jiān)測確定X4附近應(yīng)力得以降低，回填管溝，結(jié)果如表 2所示。隨著時間的推移，累積較高應(yīng)力的X3—X5段管道也在設(shè)置的板涵作用下應(yīng)力得到有效釋放。

表 2 X4截面應(yīng)力釋放統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3  結(jié)論與建議

（1）在凍土區(qū)管道設(shè)置變形監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測管道運(yùn)行情況，以便及時對異常管段采取風(fēng)險減緩措施。

（2）漠大線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備已運(yùn)行10年，建議更新以獲取更為準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變及溫度場參數(shù)，掌握管道周邊凍土災(zāi)害的發(fā)展?fàn)顩r和管道在凍土災(zāi)害作用下的力學(xué)變化并提前預(yù)警。

（3）加強(qiáng)凍土治理研究與投入，從本質(zhì)上減輕或消除由于凍土凍脹融沉對管道的影響。例如安裝熱棒以降低管道地基的溫度，增加土壤的冷儲量，減輕埋地管道正溫輸送對周圍凍土的熱影響，減緩凍土的衰退和融化。

（4）對接前沿科學(xué)技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等研發(fā)建立集信息采集、傳輸、管理、分析、預(yù)報預(yù)警、發(fā)布于一體的高寒凍土災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)。

作者簡介：王志濤，畢業(yè)于西安石油大學(xué)，現(xiàn)為大慶（加格達(dá)奇）輸油氣分公司漠河作業(yè)區(qū)管道保護(hù)工程師。聯(lián)系方式：18710552759，237083969@qq.com。