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1、漠大线多年冻土灾害风险分析及管理措施探讨2012焦第1期管技术PipelineTechnique5设各andEquipment2012No.1漠大线多年冻土灾害风险分析及管理措施探讨陈朋超(中国石油管道公司,河北廊坊065000)摘要:漠大线途径国内纬度最高,极端温度一52.3的高寒地带,是国内第一条完全意义上穿越永冻土区域的大口径长输管道,所经过的漠河至加格达奇大杨树段共计440km的管道穿越大兴安岭多年冻土区域,包括连续冻土,不连续冻土和岛状冻土.管道沿线地势北高南低,北部地形起伏较大,沿线为大兴安岭低山,丘陵及河谷地貌,南部为松嫩平原,地形平坦开阔,地理环境复杂,极易发生冻胀融沉,崩塌,
2、热融滑坡,水毁冲蚀(坍岸)等地质灾害.文中首先对漠大线的具体情况进行了简单介绍,并结合地质勘察和运营情况详细地分析了穿越冻土区域管道所面临的热融滑坡,冻胀,融沉以及弯曲翘曲等特有地质灾害,最后结合管道管理实际情况和工作经验提出了详细的灾害管理和应对措施.关键词:漠大线;多年冻土灾害;管理措施中图分类号:TE8文献标识码:A文章编号:10049614(2012)01000105RiskAnalysisandManagementSolutioninPermafrostRegionsofMohe-DaqingPipelineCHENPengchao(PetroChinaPipeHneCompany,
3、Langfang065000,China)Abstract:MoDapipelineisthefirstcompletelylongdistanceoilpipelineconstructedwithinthepermafrostzoneandhighestlatitudeofChinawheretheextremelytemperatureinwinterisabout一52.3.Thereareabout440kmpermafrostdistributealongthispipelinefromMohetoDayangshuregionwhichincludecontinuous,disc
4、ontinuousandislandfrozensoilstructure.ThealtitudeaboutthispipelineishighinnorthwithhillvalleyreliefandlowinsouthwithSongnenplain.ItisSOcomplicatedgeographyenvironmentthatSOmanykindsofgeotechnicaldisasterareeasilytohappenwhichincludefrostheave,thawsettlement,slopeinstabilities,collapseandSOon.Thispap
5、erwillreviewthedesign,construction,andoperationalchallengesofthispipeline.Thispaperanalysedthehappenpossibilityoffrostheave,thawsettlementandslopeinstabilitiesinspecificareas.Intheendofthispaper,severalsuggestionsandsolutionswillbegiventoguidancenextmanagementwork.Alltheseconsequencewillbesignifican
6、tfortheintegritymanagementofthispipeline.Keywords:MoDapipeline;permafrostgeotechnicalrisk;managementsolution0引言漠河一大庆管道(简称漠大线)始于黑龙江省漠河县兴安镇,终于大庆市林源镇的大庆末站,接收来自俄罗斯的原油.2009年5月开始建设,2011年1月1日正式投入运营.漠大线的建成投产,开辟了从俄罗斯远东地区陆路进口原油到中国北部内陆地区的石油干线通道.通过建设漠大线工程引入原油,可及时,有效地填补东北地区的石油资源供应缺口,对提高国内石油石化企业效益,促进地区经济发展均具有十分重要
7、的现实意义.收稿日期:20111215收修改稿日期:201112161漠大原油管道概况漠大线黑龙江穿越终点一漠河首站段长约7.33km,备用管线约1.445km.该段设计压力6.4MPa,管径中820,壁厚15.9mm,采用K60级直缝埋弧焊钢管,三层聚乙烯加强级防腐层,穿越管道外层涂刷光固化材料进行保护.设江岸阀室一座,为RTU阀室.主干线清管阀室设在漠河首站内,主干线和备用线在江岸阀室碰头后穿越公路3次进入漠河首站.漠大线漠河首站一大庆末站段全长925.78km,起始于黑龙江省漠河县兴安镇附近的漠河首站,终于大庆市中南部的大庆末站(紧邻现有的庆铁线林源首站),管道沿线穿越11条大中型河流,
8、15处铁路和262PipelineTechniqueandEquipmentJan.2012处二级及二级以上公路,经5处省级及省级以上自然保护区.全线共设漠河首站1座,塔河,加格达奇,讷河等中间站3座(塔河,讷河为清管站,加格达奇为泵站),大庆末站1座,线路阀室36座(其中RTU阀室17座).管道采用常温密闭输送工艺输送俄罗斯低凝原油,管径为中813mm,设计压力8.0MPa(局部8.510MPa),选用IA50级钢,全线采用3PE外防腐层,热煨弯管防腐采用双层环氧粉末涂层,局部管道采用硬质聚氨酯泡沫塑料保温,防护层采用聚乙烯塑料.阴极保护采用以强制电流保护为主,牺牲阳极保护为辅的联合保护方案
9、.管道沿线地势北高南低,北部地形起伏较大,为大兴安岭低山,丘陵及河谷地貌,南部为松嫩平原,地形平坦开阔.漠大线途径国内纬度最高,极端温度一52.3的高寒地带,是国内第一条完全意义上穿越永冻土区域的大口径长输管道,经过漠河至加格达奇大杨树段共计440km的管道穿越大兴安岭多年冻土区域,这些区域包括连续冻土,不连续冻土和岛状冻土.漠大线途经大兴安岭丘陵地带,坡多,坡陡,坡长,冬季积雪不化,道路积雪厚度达0.5Ill以上,期间又穿插冻土沼泽,山间洼地,河床及漫滩等地貌,地理环境复杂.管道采用沟埋敷设,局部多年冻土,冻土沼泽及河漫滩地段的施工集中在冬季进行,并采用“提高壁厚”,”保温”,”换填”等组合
10、方式敷设,转弯采用弹性敷设,现场冷弯,热煨弯管3种方式来满足管道变向安装要求.2漠大线多年冻土灾害风险分析漠大线管道管理难度很大,除了面对第三方破坏,腐蚀穿孔,材料缺陷等常规管理风险和崩塌,水毁冲蚀(坍岸),泥石流等地质灾害外,外界温度还将造成工艺,管道防腐,阴极保护以及管材在低温下的变化和维抢修等风险.因而,对于穿越多年冻土区的大口径输油管道,文中将针对斜坡稳定性(热融滑坡),冻胀融沉,以及由于管道的热应力释放所造成的弯曲翘曲等特有的地质灾害进行重点分析.2.1热融滑坡由于自然影响和人为活动,破坏了厚层地下冰热平衡状态,使土体在重力的作用下,沿斜坡的融冻界面移动而形成的滑塌,称为热融滑坡J.
11、热融滑坡是冻土区管道运行所面临的非常严重的地质问题,管沟的开挖和植被的破坏严重影响了冻土的热平衡状态,对于一些含冰特别是富冰区域的斜坡,建设一般在冬季,管道回填后管沟中的冻土非常容易因为管道的运行温度变化,管道路由植被及树木破坏,气候变暖等因素而造成热融l生坡体滑塌,从而导致斜坡底部相关区域发生管道应力集中而产生屈服弯曲.加拿大NormanWells管道先后6次因为滑坡问题导致管道弯曲变形,并使管道发生褶皱,为管道管理带来极大风险.其中,84#斜坡因为热融滑坡导致屈服弯曲,最后在冬季实施了110m长的换管作业.漠大线北部地区地形起伏较大,北高南低,为大兴安岭低山,丘陵及河谷地貌,据不完全统计,
12、沿线大于10.的斜坡有4O多处,最大斜坡大于60.,最长斜坡长度达3km以上.对于这类风险,在设计上除了要求在斜坡上按照一定距离设置浆砌石挡土墙,增加壁厚,外壁增加保温层并进行局部换土外,对于局部坡度较大的斜坡,为了避免管沟直接遭受阳光照射所造成的热交换,还要求采用一定厚度的木屑护坡和栽种植被等措施进行处理.但在实际建设期间,由于工期较紧,冬季施工,大多数斜坡的木屑保护未能满足设计要求.如加漠公路60km处,坡长1200m,坡高170m,局部坡度达到30.4O.,且坡体岩土体含水量很高,达到富水一保水状态,该斜坡仅在坡脚进行了10m左右的木屑防护,夏季发生热融滑坡的风险较高.对于此类风险,首先
13、要严格按照设计要求对斜坡进行植被恢复和木屑保护,管理过程中应该建立每个斜坡的基础信息库,包括斜坡的土壤类型和含冰量,斜坡的角度,长度,管道路由的宽度以及土壤强度等特征.长度较长的,角度较大的粉质黏土和富冰区的斜坡应该重点关注.另外,应加强检测和监测,利用管道智能监测器进行管体变形检测,并且利用钻孔侧斜仪,管体应力等方式进行实时监测,跟踪管体的上下移动以及斜坡的滑移情况和管道所收到的外加载荷,一旦发生较大变化,应该及时进行开挖验证,要进行换管抢修作业,以避免泄漏事故发生.2.2冻胀冻胀是冻土在冻结过程中内部水分在温度梯度下发生迁移而使土体发生膨胀的现象.管道埋设在冻土区域后,由于冻土中水分子以薄
14、膜水的形式从相对温暖区域向相对寒冷区域迁移,而迁移水冻结所产第1期陈朋超:漠大线多年冻土灾害风险分析及管理措施探讨3生的体积增大非常明显,土体的体积膨胀推动管道偏离原来的铺设路径并向上运动,从而产生弯曲变形.冰锥和冻胀丘是典型的不良冻胀现象,其生成与水分有密切的关系.冰锥是指寒季地下水露出地表冻结而形成的锥状或盘状冰体.其生成条件是:具有严寒的气候条件;有丰富的地下水源;具有水的通道;具有驱动力,冻结过程中使地下水承压.冻胀丘是由于地下水冻结,形成透镜状冰锥体,隆起地表形成的丘状土堆.冻胀丘的形成条件与冰锥相同,冻胀丘的实质为冰锥的另一种形式.当承压的地下水突破地面出水结冰时形成冰锥,当承压的
15、地下水结冰膨胀将地表土层顶起则形成冻胀丘.按冻胀丘补给水源的类型可分为冻土层地下水补给的冻胀丘和冻土层地上水补给的冻胀丘.冰锥和冻胀丘对管道可能造成非常严重的危害,主要有以下2种:冰锥,冻胀丘侵入管线地基使管道隆起,导致管道翘曲变形,当变形超过设计允许值时,管道可能发生破坏,甚至折断;夏季,冰锥,冻胀丘融化造成管道下沉移位甚至破坏.漠大线在暖季和寒季输送油温分别为正温和负温.在寒季,当埋地管道通过融土地段时,负温油品不断从管道周围土体吸收热量,使管道周围土体融土冻结,形成冻结圈,地基土发生不均匀的冻胀变形,在强冻胀地段将有可能破坏管道结构,影响输油管道安全.加漠公路276km处原为沟谷湿地,夏
16、天地表水丰富,此处冰锥正处于管道上方,周围山势较高,泉水来源充分.形成的冰锥较大,并且成长很快,3天内管道上方的冰面升高了约50em,最高处相对于自然地面隆起约2.9m,表面冰层厚度约150cm,裂纹严重.加漠公路69km处原为低洼河道,处于公路东侧,公路过水涵洞完全冻结堵塞,地下水下方排放通道受阻,与冬季前自然地面相比,地表抬升约2.3m,局部冰面隆起约1.8m,地面裂纹延伸160m,宽度达3Ocm.管道从这一区域穿过,冰面冻结深度已达1.5m以上,夏季约2.0m的河谷通道已经基本与加漠公路平齐,如果继续冻结下去将直接威胁管道安全.2.3融沉融沉是由冻土中所含的冰融化引起的.在冻土地区,一般
17、有2种不同性质的冻土带:融化稳定区,当有外界热量输入而引起冻土融化后,其土质仍然是稳定的;融化不稳定区,当有外界热量输入引起冻土融化后,土质失去支撑能力,并因融化深度,含冰量和土体颗粒大小等的不同,融化量也有差异,特别是在融化稳定区和不稳定区的过渡带,埋设于其中的管道将会出现较大的应变,可能造成管道屈服破坏.影响冻土融沉的因素主要有温度,水分和地表破坏.全球变暖是宏观上造成多年冻土退化的主要原因,也因此成为冻土区管道在长期运行过程中因融沉而褶皱弯曲的重要风险因素.大兴安岭地区是国内显着增温的地区之一.漠大线沿线5个气象站年平均气温从20世纪70年代开始有明显上升趋势.冻土退化将加剧,漠大线结构
18、性融沉风险加大.水分对冻土的影响可以分为2个方面.管道沿线的沼泽湿地等水源对冻土稳定起着保障作用.沼泽湿地具有隔热和蓄水功能,减弱冷储耗散和增加冷储,在多年冻土退化过程中,可以抑制活动层的能量交换过程,使之处于低平衡活动状态,减弱或消除多年冻土退化的速度和强度,使下伏多年冻土受到不同程度的保护.另一方面,外源水分则可能破坏冻土环境的稳定.在管道开挖和埋设过程中,开挖的沟槽如换填成砂砾石后,假如两侧防水,止水措施不佳,必定在沟槽内积水,使砂砾石层变成含水层,在一定坡度下沟槽内地下水可以流动,运动的地下水必然加快管道下的冻土融化速度,将会形成宽而深的融化槽,造成管道的不均匀沉降.另外,管道运行过程
19、中,如果管道表面和附近出现积水,水分下渗形成热源,也将会使冻土融化,造成融沉风险.管道沿线地表破坏最显着的形式是植被破坏和地表取土.植被保持土中水分,降低地表温度,因而减小最大季节融化深度,尤其是地表塔头草茂密和表层为苔藓及泥炭层的地段保温较好,季节融化深度较浅.植被被破坏后将使冻土层失去天然隔热源,使得太阳直射地表,经过热量传递而使冻土融化.在斜坡地区,破坏斜坡上的天然地表(取土,挖坑等),会使斜坡上地下冰层暴露.夏天暴露冰层融化,使上覆皮和土层失去支撑而沿斜坡下滑或塌落,冰层融水稀释塌落物质呈流塑状态,在重力作用下缓慢下滑,形成泥流堆积物.如果管道位于坡上方,可能因为滑塌而露出地表;如果管
20、道位于坡下方,会因为泥流堆积物而被埋于地下.漠大线管道所穿越的冻土称为”兴安岭一贝加尔型冻土”.它处于欧亚大陆冻土区东南边缘,冻土总体厚度较薄,温度较高,易受外界因素干4PipelineTechniqueandEquipmentJan.2012扰,其稳定性较差.一旦地表覆盖条件遭到破坏,将导致不可逆的冻土退化,进而严重影响管道基础长期稳定和寒区生态环境的功能.漠大线在暖季和寒季输送油温分别为正温和负温.在暖季,当埋地管道通过多年冻土地段时,正温油品不断向管道周围土体释放热量,使管道周围冻土中的冰升温融化,管道周围出现融圈,致使管道发生不均匀沉降,严重时甚至会破坏管道.另外,漠大线所穿越的多年冻
21、土区域多为丘陵地貌,地下水丰富,而且多为不连续冻土,差异性地质构造普遍存在,在管道穿越阴坡和阳坡地区域及交界点,特别是粉质黏土构造的多冰和富冰区域时,管道施工造成了表层水位泄放通道的阻塞,使管沟积水,极易发生冻胀及融沉灾害.特别是在发生冻胀融沉的稳定区和不稳定区过渡带,埋设的管道将会受到较大的剪切应力,极易导致管道屈服破坏.2.4管道翘曲管道翘曲发生的机理除了土壤本身的冻胀影响外,另一个重要的因素就是高寒地区管道建设和运行温度差异所造成的热应力释放,即由于冻土区域管道的建设施工一般在冬季,环境温度可达一40,而管道在下沟埋设,特别是运行时可能是零上几,这样,极大温度差异会造成管体本身的巨大应力
22、,从而产生管道的热膨胀.再加上本身的冻胀升高,管道极易发生翘曲现象.NormanWells管道建设时曾要求管道加热下沟,但尽管如此,翘曲现象也还是发生过多起.另外,国内的格拉管道发生泄漏穿孔等事故30多起,其中多次是由于低温冻胀和热应力释放所造成的管道翘曲.2.5冰凌刨蚀春季河流解冻,河面浮动冰块聚集成大块浮冰顺河流移动,可能刨蚀河床J.管道在河床敷设时,若埋深较浅,则易受到浮冰的影响,造成埋深不足,防腐层损坏甚至管体产生位移,变形.漠大线沿线穿越了11条大中型河流,冬季寒冷,结冰厚度大,春季融化后容易发生此类灾害.3管理及应对措施针对永冻土地区管道所面临的热融斜坡,冻胀融沉以及翘曲风险,除了
23、在设计时采用基于应变的设计理念外,还应该增加壁厚,减小径厚系数并采取保温层结构以减小管道与周围环境的热交换.建设时,应在管沟内进行必要的细沙土换填,控制管道下沟温度.还尽可能在斜坡上设计T型护坡,及时恢复管道施工带上的植被保护,并采取木屑保温措施,防止冻土快速融化.对于水文通道上的管道,要科学设计引水渠,挡水墙以及过水沟,保证水流的合理疏散.除了以上措施外,在后期的日常管理中,还应从以下几个方面重点关注.3.1加强地质勘查,完善线路风险识别及评价体系对于冻土区管道所受到的地质灾害,要组织专家定期和不定期地加强线路地质勘察,对管道沿线的各类风险进行识别和评价.国内外资料表明,每年的春季大雪融化和
24、秋季下雪之前必须进行详细的线路勘察,确定风险区域和风险类型,并进行跟踪管理.漠大线投人运营以来,先后确定了65个强冻胀和冰锥易发区域,32个融沉区域,并对42个斜坡进行定期信息采集和跟踪.同时,根据这些风险点的特征进行了风险危害性排序,及时关注其发展进程,一旦对管道构成威胁,便迅速进行治理.3.2建立冻土监测体系,科学掌握管道风险要确保管道安全,合理的监测手段必不可少.漠大线选择了20个高风险区域进行了管道周围冻土的温度监测系统,并进行了5处水含量监测和6处管道应变监测.不仅如此,为了更加直观地掌握管道的实际移动状态,漠大线又专门设计了基于全传仪测量方法的机械式管道位移监测装置,并在8个区域,
25、63个风险点进行了安装.虽然上述监测系统的覆盖面还非常有限(仅包含21km,占整个冻土区域的5%左右),但这些监测结果在整个冬季运行区间提供了大量的直接依据,为热融滑坡,冻胀融沉等风险的管理和控制提供了科学依据.除了科学监测手段外,漠大线还要求完整性管理人员在每年不同季节都要利用钢钎或者埋深测试仪对特定冻胀及融沉风险点进行管道深度测量,每周要进行直升机巡线1次,严密观察管道周围的变化,包括无人值守阀室,第三方施工,河流冲刷,斜坡滑移,管道标志桩等情况,以便随时掌握管道风险.3.3合理利用内检测技术,注重超前及计划管理根据美国法律,管道企业至少5年应做1次内检测,加拿大法律规定至少7年做1次检测
26、.Norman第1期陈朋超:漠大线多年冻土灾害风险分析及管理措施探讨5Wells公司对于永冻区管道每年利用GEOPIG进行变形检测1次,并对管道的中心线进行定位分析,观察高风险区域的冻胀融沉及管体变形情况.自1985年运行以来,管道因为热融斜坡所造成的6次屈曲变形,均被内检测器发现.这些公司通过定期的管道内检测,及时掌握管道安全状况.漠大线投产后,已经计划开展全线的中心线检测,几何变型以及应力检测,这些检测技术的应用,不仅可以及时掌握管道的整体安全状况,而且为今后的超前管理奠定基础.在进行数据分析时,要重点关注冻胀融沉及斜坡底部等差异性变形地质区域.3.4积极开展维护修复工作,消除风险和遗留隐
27、患漠大线建设工期紧,气候环境恶劣,工程遗留问题很多.大量的冬季施工造成了沿线普遍埋深不足,特别是富水沼泽区域,冰雪融化后管沟塌陷非常严重,局部区域可达1.5m以上.运行初期,要详细勘察和梳理各类建设遗留隐患,积极开展维护和修复工作.对于管沟塌陷区域,要在冬季来临之前尽快进行复填,避免冻害发生;对于未进行木屑保护的大型斜坡,要在夏季来临之前有计划地进行防护;对于冻胀丘和冰锥易发区域,要合理设计挡水墙,引水渠和跨水设施,避免管沟方向存在积水;对于已经存在的冰锥,要进行泄压处理,并及时跟踪管道位移情况,从而消除风险和隐患.3.5充分运用科技手段,弥补极端环境压力漠大线途经大兴安岭丘陵地带,坡多,坡陡
28、,坡长,冬季积雪不化,夏季融化后,又多为沼泽区域,含水量大,道路泥泞,无法保证正常的管线巡护,沿线大部分地区没有伴行道,无手机信号,给人工巡护带来了极大困难.因此,如何充分采用计算机网络技术对沿线管道及阀室进行实时监视预警,利用管道泄漏监测技术进行漏点位置的准确判断,利用无人机技术进行日常风险监测以及利用水含量,温度,位移等相关技术建立冻土监测体系,以提高自动化管理水平,弥补极端环境所带来的各类管理压力至关重要.3.6提升环境保护意识,确保管道与自然和谐共存漠大线沿途既有原始森林,也有山地,沼泽等,地质条件复杂,并且穿越大中型河流11条,大开挖穿越小型河流115处,穿越铁路15处,经过5处自然
29、保护区.由于处于欧亚大陆多年冻土南界附近,多年冻土非常脆弱,对气候变化异常敏感,环境保护压力很大.管道路由,站场,阀室,伴行道路,三穿等临时用地,严重地破坏了原来已经平衡的自然环境,再加上管线的埋设以及输送油品温度的间歇变化,为原本很敏感的环境增加了很多诱发因素.因此,如何尽快恢复这些临时用地所造成的植被破坏,减小管道与外界环境的热量交换,确保管道与自然的和谐共存将是漠大管道的重要任务.4结束语国外多年冻土区管道的建设和运行已有几十年的历史.20世纪70年代早期,苏联开始在多年冻土区铺设管道;1977年,近1280km的阿纳斯加管道开始运行;1985年,加拿大NormanWells管道建设成功
30、并投入运行J.国外在管道的设计,施工,监测,应急处置,运行管理等方面积累了丰富的经验,特别是针对冻土冻胀融沉等地质灾害对管道的影响方面进行了大量的理论和试验研究,取得了丰硕的成果.国内对冻土区域管道的研究还非常薄弱,相关的研究报告和论文有限,漠大管道自开工建设以来,虽然积累了一些永冻土区域的建设管理经验,但还需实践验证.随着国内能源战略的进一步实施,必将促进该领域的大量研究和探索,从而提高国内冻土地区管道建设和管理运营技术水平.参考文献:1大庆油田工程有限公司.中俄原油管道漠河一大庆段工程总说明书,2009.2徐教祖,王家澄.冻土物理学.北京:科学出版社,2010.3吴紫汪,刘永智.冻土地基与
31、工程建筑.北京:海洋出版社,2005.4高晓飞,常怀民.冻土地区管道建设面临的工程技术难题.油气储运,2006,25(7):3942.5吕宏庆,李钧峰.多年冻土区管道的失效形式及监测技术.天然气工业,2008,28(9):98100.6ABDALIJAB,JUKESP.Thetechnicalchallengesofdesigning0ilandgaspipelinesinthearctic.OCEANS.2008:111.7金会军,喻文兵.冻土区输油管道工程基础稳定性研究.油气储运,2006,25(2):1318.8李钧峰,吕宏庆.国外多年冻土区管道建设的经验与启示.石油工程建设,2006(6):15.
