韓桂武1 涂懷鵬2 尤偉星1 陳建新2

1.中國石油天然氣管道工程有限公司； 2.西氣東輸公司

摘要：以西三線某隧道內(nèi)管道風(fēng)險(xiǎn)消減治理工程為背景，對導(dǎo)致管道發(fā)生位移的原因進(jìn)行了分析，并根據(jù)現(xiàn)場情況制定了管道應(yīng)力釋放消減風(fēng)險(xiǎn)措施。對隧道外管溝開挖、缺陷管段焊縫加強(qiáng)及臨時(shí)應(yīng)對措施做了詳細(xì)介紹。通過建立管輸壓力和介質(zhì)溫度，應(yīng)力監(jiān)測和變形監(jiān)測等關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及管道應(yīng)力安全裕量計(jì)算，得出隧道洞口管溝開挖可一定程度釋放管道應(yīng)力集中，提高整體管道的應(yīng)力安全裕量的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：油氣管道；隧道工程；應(yīng)力集中；消減措施；管道監(jiān)測

油氣長輸管道通常采用隧道方式穿越河流或山嶺地區(qū)，由于管道在狹窄空間中無法形成有效的補(bǔ)償，彎頭常常在隧道兩端頭形成較大的補(bǔ)償變形和應(yīng)力集中[1]。特別對于大口徑管道，當(dāng)高壓輸送、溫差較大工況下，管道在隧道洞口經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的變形和拱起，表現(xiàn)為變形和應(yīng)力的無法釋放，對管道的運(yùn)營安全產(chǎn)生一定程度的風(fēng)險(xiǎn)[2,3]。本文以西三線某山嶺隧道工程為例，提出了隧道外側(cè)洞口管道應(yīng)力釋放的具體措施，并通過現(xiàn)場位移、應(yīng)力數(shù)據(jù)的監(jiān)測，探討管道安全風(fēng)險(xiǎn)消減效果，對于類似隧道穿越段管道應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)消減工作提供了有益的借鑒。

1  工程概況

2022年8月，檢查發(fā)現(xiàn)西三線某隧道出入口管道各有2個(gè)支墩管卡固定螺絲拉開，管道向上拱起、懸空，并存在管道軸向位移情況。由于管道豎向變形主要集中在隧道兩洞口出入土點(diǎn)附近，判定存在較大的管道安全風(fēng)險(xiǎn)，隨即展開了管道應(yīng)力分析和后期治理工作。

工程隧道結(jié)構(gòu)形式為倒“人”字坡隧道，進(jìn)洞口坡面設(shè)計(jì)坡度為﹣153‰，實(shí)長330.5 m（水平長度326.6 m）；出洞口坡面設(shè)計(jì)坡度為﹣3.8‰，實(shí)長1018.8 m（水平長度1018.8 m）。隧道水平長度1345.4 m，實(shí)際長度1349.3 m。管道設(shè)計(jì)壓力12 MPa，管徑1219 mm×22.0 mm， X80直縫埋弧焊鋼管。熱煨彎管管徑1219 mm×26.4 mm， X80直縫埋弧焊鋼管彎制，曲率半徑 R=6 D。管道在隧道內(nèi)采用架空敷設(shè)方式，下方為間隔20 m設(shè)置的鋼筋混凝土墩，上方為鍍鋅鋼板管箍約束，管箍兩側(cè)分別有6M20鋼制螺栓約束，如圖 1所示。

圖 1 管道軸線位移及洞口管道懸空

2  原因分析

管道發(fā)生位移的原因有以下三點(diǎn)。

（1）隧道內(nèi)管道采用架空敷設(shè)，受到內(nèi)壓、溫差等作用，發(fā)生較大的軸向應(yīng)力及變形。

（2）洞口段管道軸向變形補(bǔ)償能力不足，軸向變形無法釋放，導(dǎo)致彎管處發(fā)生豎向位移及軸向位移，進(jìn)而導(dǎo)致管道彎管處應(yīng)力增加。

（3）洞口埋地段管道覆土回填密實(shí)，進(jìn)一步削弱了管道的變形能力。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算，對管道在運(yùn)營過程中可能存在的最不利工況進(jìn)行了應(yīng)力分析，還原了管道在役7～8年間的應(yīng)力和變形情況，結(jié)果表明管道最大當(dāng)量應(yīng)力均大于或接近管材屈服強(qiáng)度。當(dāng)在10.8 MPa工作壓力下管道處于較高應(yīng)力水平，管道組合應(yīng)力值接近管道允許極限強(qiáng)度，管道的應(yīng)力安全裕量減小，此時(shí)失效風(fēng)險(xiǎn)增加。

3  治理措施

3.1  開挖及回填方案[4]

根據(jù)原因分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，推薦采用隧道外管道開挖釋放應(yīng)力治理措施。后期為保證管道得到自由調(diào)整的空間，采用橡膠顆粒回填。

管溝開挖回填工序?yàn)椋汗軠祥_挖→管溝檢驗(yàn)合格→設(shè)置漿砌石側(cè)墻→管道焊口和防腐層檢驗(yàn)合格→橡膠顆�；靥钪凉茼敗�光纜（硅芯管）下溝→橡膠顆�；靥钪凉茼斏戏�0.5 m→敷設(shè)管溝鋼筋混凝土蓋板→敷設(shè)警示帶→原土石方回填（回填土壓實(shí)系數(shù)不小于0.85）至地表以上0.3 m→恢復(fù)原地貌。

隧道內(nèi)管道入土端，待管溝施工完畢后，再澆筑混凝土底板。管道穿底板處應(yīng)保證管道周邊留有0.5 m 空隙不澆筑底板，采用橡膠顆�；靥�。

3.2  缺陷焊縫套筒加固

應(yīng)力釋放過程中，對管道環(huán)焊縫進(jìn)行了100%射線和100% PAUT（帶TOFD）檢驗(yàn)，結(jié)果2道焊縫不合格，立即采取B型套筒加固措施，套筒采用Q345鋼材，規(guī)格為350 mm（長度）×45 mm（厚度）。

為加強(qiáng)套筒兩側(cè)角焊縫強(qiáng)度，采用30層玻璃纖維增強(qiáng)焊縫補(bǔ)強(qiáng)措施。常溫下放置24小時(shí)后，用巴氏硬度計(jì)（或D型邵氏硬度計(jì)）檢測膠層硬度，巴氏硬度≥40（或邵氏硬度HD≥70）為合格。

3.3  臨時(shí)應(yīng)對措施

本次開挖釋放應(yīng)力方案具有較高的技術(shù)難度且應(yīng)力發(fā)展可控性差，為保證治理措施有效、可控、安全，采取以下臨時(shí)應(yīng)對措施。

（1）開挖施工過程中，適當(dāng)降低管道輸送壓力，最高不超過10.8 MPa。

（2）安排經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)專家組和應(yīng)力分析專家現(xiàn)場指導(dǎo)， 根據(jù)前期管道應(yīng)力分析結(jié)果，對洞口外土體約束解除情況下的管道位移趨勢、變形規(guī)模、應(yīng)力變化趨勢及應(yīng)力安全裕量做出預(yù)判，應(yīng)對可能發(fā)生的不利狀況。

（3）施工過程中，在彎頭附近提前安裝管道應(yīng)變監(jiān)測和位移監(jiān)測裝置，動(dòng)態(tài)監(jiān)測準(zhǔn)確及時(shí)反映管體反應(yīng)特征；根據(jù)現(xiàn)場情況靈活采取沙袋壓覆和固定措施，起到穩(wěn)定管道變形、應(yīng)力均勻釋放的效果（圖 2）。

圖 2 管道應(yīng)力監(jiān)測及沙袋穩(wěn)管措施

（4）應(yīng)力釋放完成之后，穩(wěn)定和緩慢升壓，平均升壓速率控制在0.18 MPa/h，最快不超過0.50 MPa/h。

4  監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從某種程度上說，應(yīng)力釋放治理措施施工過程是根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程。本次根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論[5]。

（1）開挖檢測過程中隧道兩側(cè)錨固墩未發(fā)生位移傾覆跡象，監(jiān)測過程中未發(fā)現(xiàn)墩外側(cè)管道應(yīng)力與開挖施工相關(guān)性，表明錨固墩實(shí)際限制了管道位移。

（2）圖 3為上游70#閥室輸送壓力與介質(zhì)輸送溫度關(guān)系曲線，在應(yīng)力釋放期間輸送壓力7.38 MPa～9.54 MPa，介質(zhì)溫度29.34 ℃～34.09 ℃，兩者之間不存在正相關(guān)。

圖 3 上游閥室輸送壓力和介質(zhì)溫度變動(dòng)關(guān)系

（3）施工過程中，在隧道洞口彎頭上下游布置監(jiān)測點(diǎn)。應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明，管輸內(nèi)壓對于管道應(yīng)力變化影響明顯。同等壓力工況下對比，實(shí)施治理措施后管道應(yīng)力水平得到一定程度的降低，應(yīng)力安全裕量得以提升，如表 1所示。

表 1 管道監(jiān)測斷面應(yīng)力安全裕量變化情況

（4）雖然管道應(yīng)力得到釋放，管道豎向和水平變形并沒有減小，尤其是當(dāng)隧道底部土體約束解除之后，在下部疊加彎頭位移作用下，更加劇了管道水平位移。監(jiān)測顯示，當(dāng)管輸壓力從7.36 MPa升壓到9.56 MPa過程中，管段豎向位移拱起501  mm，側(cè)向位移增加51 mm，如圖 4所示。

圖 4 升壓過程中管道位移變形情況

5  結(jié)論

（1）釋放隧道外土體約束，可以一定程度釋放管道應(yīng)力集中，提高應(yīng)力安全裕量[6]。

（2）輸送壓力和介質(zhì)溫度對管道的應(yīng)力水平和變形情況有較大影響，通過管體自身協(xié)調(diào)變形均衡管段應(yīng)力水平是解決問題的關(guān)鍵。

（3）檢測發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫缺陷應(yīng)及時(shí)采取有效的管體加固措施，如B型套筒+復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)。

（4）現(xiàn)場施工中做好臨時(shí)應(yīng)對措施，根據(jù)管體應(yīng)力水平監(jiān)測結(jié)果變化情況及時(shí)采取靈活對策，保證管道在平緩且穩(wěn)定狀態(tài)下完成治理。

參考文獻(xiàn)：

[1]Wang, Y.-Y., Liu, M., Zhang, F., Horsley, D., and Nanney, S., 2012, “Multitier tensile strain design models for strain-based design Part I - fundamental basis,” Proceedings of the 9th International Pipeline Conference, Calgary, Alberta, Canada, September 24-28.

[2]帥健.管線力學(xué)[M]. 科學(xué)出版社, 2010年.

[3]張杰.典型地質(zhì)災(zāi)害下油氣管道力學(xué)行為研究[D] .西南石油大學(xué)，2016年.

[4]中國石油天然氣管道工程有限公司[R].西三線西段兩溝隧道工程管道整改方案報(bào)告，2022年08月18日.

[5]北京科力華安地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)有限公司[R].西氣東輸銀川分公司西三線兩溝隧道管道應(yīng)力釋放應(yīng)力監(jiān)測總結(jié)報(bào)告(A版).2022年10月07日.

[6]Guiwu Han, Liyun Cai, Dawei Wang. Discussion on the treatment scheme of pipelines in common anchor pier [M].5th INTERNATIONAL CONFERENCE ON TRAFFIC ENGINEERING AND TRANSPORTATION SYSTEM, Sept 24–26, 2021.

作者簡介：韓桂武，工學(xué)博士，高級工程師，現(xiàn)從事管道應(yīng)力分析及巖土工程、地下儲(chǔ)油庫工程設(shè)計(jì)及研究工作。聯(lián)系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。