欄目主持人戴聯(lián)雙博士：對敷設于凍土區油氣管道實(shí)施長(cháng)期監控非常重要。如加拿大Norman Wells油氣管道通過(guò)建立凍土融沉監測、管道內檢測、翹曲上拱檢測、皺褶檢測、邊坡檢測、木屑層狀況檢測和溫度監測等，使其技術(shù)水平處于國際領(lǐng)先地位。美國阿拉斯加管道密切監控多年凍土融化、侵蝕和管道沿途環(huán)境變化，及時(shí)發(fā)現管道沿線(xiàn)長(cháng)約50 km的多年凍土層發(fā)生融化引起管道沉降，經(jīng)采取措施有效避免了事故發(fā)生。

1  凍土區對管道產(chǎn)生的危害

管道穿越凍土區運行及季節變化會(huì )影響管道周邊凍土層溫度場(chǎng)分布，引起凍土層物理狀態(tài)發(fā)生改變，部分凍土融化或凍結，使管道處于相當復雜的受力狀態(tài)，容易導致管道斷裂發(fā)生泄漏事故。凍土凍脹引起土體膨脹促使管道翹起，相反，凍土融沉使管道沉降，都會(huì )造成管道變形。同時(shí)，凍脹可能使管道產(chǎn)生失穩，處于邊坡的管道還會(huì )因土壤的熱融失去穩定性而遭破壞。中國格爾木—拉薩成品油管道（以下簡(jiǎn)稱(chēng)格拉管道）自1977年投運以來(lái)，發(fā)生管道泄漏及屈曲等事故30多起，其中一個(gè)重要原因就是低溫引起的凍脹。國內外學(xué)者一致認為，凍土區最為常見(jiàn)的問(wèn)題是凍土融化及其所導致的（差異性）融沉、凍脹、邊坡失穩造成管道翹曲上拱。

當埋地管道的輸送介質(zhì)或工作溫度大于施工溫度時(shí)，管道將受軸向壓應力作用而可能產(chǎn)生軸向失穩屈曲。由于土壤阻力的原因，該失穩屈曲往往向上，常被稱(chēng)為翹曲上拱。在格拉管道、Norman Wells輸油管道，以及俄羅斯、伊朗、阿聯(lián)酋等國管道都出現過(guò)翹曲上拱。格拉管道沿線(xiàn)烏麗附近有大量?jì)雒�，使得屈曲后的管道最大上浮位移達1.9 m，地面屈曲長(cháng)度約3.6 m（圖 1(a)）。Norman Wells輸油管道在施工和運行中都因凍脹和融沉發(fā)生過(guò)翹曲上拱（圖 1 (b)）。烏茲別克斯坦一條管徑1020 mm管道曾發(fā)生大位移翹曲上拱，如圖 2所示。

圖 1 格拉管道(a)和Norman Well管道(b)翹曲上拱管段

圖 2 烏茲別克斯坦塔什干管道翹曲上拱管段

2  俄羅斯管道失效事故及處置措施

俄羅斯多數大型油氣田氣候條件惡劣，不少油氣管道穿越永久凍土帶。經(jīng)�？梢钥吹揭恍┞冻龅乇硪呀�(jīng)形成拱形和皺褶的管道，失去縱向穩定性。天然氣管道夏季運行溫度與管道敷設時(shí)的溫差、油管道為輸送黏稠含蠟原油加熱溫度與管道敷設時(shí)的溫差，都會(huì )引起管道喪失縱向穩定性。

俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司對3萬(wàn)公里天然氣管道進(jìn)行了內部診斷檢查，想方設法解決管道穿越低承載能力土壤難題。針對天然氣管道采取的措施有重復填土和個(gè)別管道再次敷設，已取得成功；對敷設在永久凍土帶的天然氣管道，解決溫差的根本辦法是人為降低輸送溫度，降溫過(guò)程可以使凍土得到恢復，防止出現卡管和凍脹現象。針對敷設于低承載能力土壤的原油管道，措施為將地下管段改為地上敷設。此外，完善管道設計、建設及維護相關(guān)法規制度和標準規范，加強管道建設運營(yíng)中的生態(tài)保護意識，都是對凍土區管道的保護措施。

3  格拉管道失效事故

1990年7月下旬，因暴雨造成格拉管道328 m呈懸鏈狀吊懸在河道激流中，出現嚴重險情。為確保格拉管道安全運行，分三處采取岸邊拋石支撐防止管道斷裂的臨時(shí)性措施。1991年夏季，對該段懸空管道進(jìn)行石籠護堤砌筑和鋼筋混凝土支墩現澆永久性加固施工。1995年，由于河岸細沙土層經(jīng)不住激流巨浪沖刷，致使石籠護堤結構在洪水泛濫中四分之一被沖垮，四分之一開(kāi)裂倒塌，個(gè)別支墩出現了不均勻沉降下滑，已懸空的管道有繼續向兩端延伸之勢，嚴重威脅管道安全。1996年，決定對該段管道實(shí)施改線(xiàn)。

受油流熱力影響，格拉管道熱融沉陷明顯。1997年和2005年兩次勘探表明，管道周?chē)�已形成直徑�?.4 m～1.5 m的融化圈（當地融化深度僅0.9 m）。近年來(lái)，格拉管道多次因凍脹被擠出地面（距離地面高約0.7 m，長(cháng)約3.6 m），并在開(kāi)挖釋放應力時(shí)發(fā)生斷裂；地表以上最大翹曲上拱高度達0.5 m（管道埋深1.4 m，總翹曲上拱高度達到1.9 m）。

格拉管道途經(jīng)唐古拉山和桃兒九山的海拔達4700 m以上，氣候嚴寒，冬季最低氣溫達﹣40℃，地面凍結期長(cháng)達8至9個(gè)月，屬多年凍土地帶。1978年3月至6月，格拉管道在唐古拉山地段發(fā)生冰堵事故；1982年11月至次年4月，在16#泵站到19#泵站兩山翻越點(diǎn)管段發(fā)生嚴重冰堵事故，由于大雪封山等原因，冰堵排除時(shí)間長(cháng)達81天；2000年3月，在開(kāi)心嶺地段再次發(fā)生冰堵事故，不得不換管處理。這3次冰堵事故累計停泵達258天，損失巨大。

4  危害治理措施

（1）滑坡防治（主要包括工程防護和植物防護兩部分）和冰錐監測，分別如圖 3、圖 4所示。

圖 3 滑坡防治示例

（2）溫度場(chǎng)監測。主要確定凍土特征參數，如地表融化與凍結的起始時(shí)間、凍土上部融化層年最大融化深度出現時(shí)間、凍土上限深度、融化層完全凍結時(shí)間、持力層的年最高和最低地溫及出現時(shí)間、凍土溫度年變化幅度、凍土年平均地溫及凍土地溫梯度和變化趨勢等。

（3）管道位移監測。在監測區域安裝基準樁，在待監測管道安裝標志樁，定期測量各標志樁的坐標，若管道發(fā)生位移，則標志樁的坐標發(fā)生變化，兩次時(shí)間間隔的坐標變化即為該時(shí)間間隔內管道的位移。監測原理如圖 5所示。

圖 5 管道位移監測技術(shù)原理示意圖

（4）管—土相互作用監測。主要監測管道建設和運行過(guò)程中各種特征指標的相應變化，如管道通行帶范圍內的基本水文地質(zhì)指標、基本凍土條件、管道主要變形情況。通過(guò)變形檢測器和內檢測器檢測管道變形狀況，可以高度準確檢測出管道凹痕、皺褶和彎曲損傷位置及其嚴重程度。利用慣性導航和聲波測徑器可為操作者提供三維圖像信息，用以確定不穩定邊坡?tīng)顟B(tài)、管道承受載荷狀況，以及凍脹上拱管道的載荷、溫度和壓力變化情況。

（5）陰極保護。國外凍土區長(cháng)輸管道陰極保護技術(shù)研究尚不完善，但應用經(jīng)驗表明，埋地管道陰極保護常見(jiàn)故障是由陽(yáng)極接地引起的。若陰極保護系統電位升高，則不能充分發(fā)揮抑制管道腐蝕作用。若管道防腐層受損，水分進(jìn)入保溫層，將會(huì )出現凍融現象，在漏點(diǎn)兩側會(huì )發(fā)生較嚴重的腐蝕。

（6）其他措施。Norman Wells輸油管道采用對原油進(jìn)行冷卻的方法，而阿拉斯加管道采用將管道架空的方法，盡管增加了大量的投資，但確實(shí)減少了對環(huán)境的破壞，也保證了管道的安全運行。國外管道公司在選線(xiàn)、設計、施工、維護等方面始終將環(huán)境保護和維持生態(tài)平衡擺在重要位置，并通過(guò)多種監測手段嚴防管道事故發(fā)生，保證環(huán)境的安全，阿拉斯加管道在這方面堪為典范。

下一期將為大家介紹 “TRANSCANADA管道公司某輸氣管道發(fā)生破裂典型案例”，并分享事故帶來(lái)的經(jīng)驗教訓，敬請關(guān)注。

戴聯(lián)雙，博士， 1983年生，現就職于國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司，注冊安全工程師、二級安全評價(jià)師、管道檢驗師。負責編寫(xiě)了《油氣管道安全防護規范》（ Q/SY1490），參與起草公安部標準《石油天然氣管道系統治安風(fēng)險等級和安全防范要求》（ GA 1166）、國家標準 《油氣輸送管道完整性管理規范》（ GB 32167）等多項標準。在國內外期刊先后發(fā)表論文數十篇，參與編著(zhù)了《管道完整性管理技術(shù)》《油氣管道事故啟示錄》《油氣管道清管技術(shù)與應用》等書(shū)籍。近年來(lái)多次獲得中石油集團科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎、河北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎、管道科學(xué)獎等。