冻土区输油管道周围土壤的水热力三场研究

针对冻土区埋地输油管道将遇到受土体冻胀和融沉破坏等一系列特殊问题,综述了管道周围土壤水分场、温度场、应力场及三场耦合的研究现状,介绍了冻土区埋地输油管道与水热力三场的关系,分析了目前与冻土区埋地输油管道三场研究相关的研究成果。结合埋地输油管道在实际运行中的油温变化等因素,提出了未来关于冻土区埋地输油管道三场研究的几点建议,以期为冻土区埋地输油管道的设计、建设与运行提供参考。     

冻土区坡体蠕滑作用下管道应力数值计算

长输油气管道在一般地段埋地敷设,当经过季节性斜坡冻土区时,由于冻融引起的坡体蠕滑作用导致管道产生附加应力。通过安装管道轴向应变传感器可监测坡体蠕滑作用导致的管道轴向应力变化,但开展管道强度评价时,需要明确管道应变监测初始应力,由于应力检测技术多在实验室环境下使用,工程上并不成熟,目前行业内一般通过有限元建模计算方法获取管道应变监测初始应力。以涩宁兰一线某穿越斜坡季节性冻土地貌埋地管道为例,介绍了位于季节性冻土区的管道当前面临的主要风险、土体位移分布形式与位移的确定,以及季节性冻土区斜坡体位移作用下管道的受力和变形情况。采用向量式有限元方法,利用空间梁单元和非线性土弹簧模型对灾害点管道进行了数值模拟,并得到管道现状应力分布,为确定管道本体应变监测截面位置、估计管道现状应力分布及管道安全评价提供依据。     

漠大多年冻土区埋地输油管道周围温度场监测

埋地输油管道的建设和运行势必会破坏多年冻土的稳定性,容易引发冻胀、融沉、崩塌、热融滑坡,从而导致管道弯曲、翘曲等灾害。由于多年冻土对温度具有极敏感性及其破坏的不可逆性,因此,需要对多年冻土区埋地输油管道周围温度场的监测开展研究。以漠大管道为例,选取典型管段,设计了适用于漠大管道周围温度场监测的测温系统。结果表明:管道设置合理的保温措施可有效阻隔输油管道向土壤的放热,减小管道周围土壤的融化范围,缓解管道融沉,为管道冻土灾害综合整治提供决策依据。     

新建油气管道安全监测预警技术及标准体系北大核心

油气管道实施监测预警有助于保证管道的安全运行,最大限度地避免事故的发生。基于油气管道危害因素分析,提出对新建油气管道实施安全监测预警可以从源头做好风险防控和失效防护,并提高监测精度和预警效率。分析了光纤、声波、视频、音波等多种安全监测预警技术对新建油气管道风险防控的适用性、可行性、经济性,探讨了基于多元传感的新建油气管道全维度监测预警系统建设,提出有必要开展管道监测预警技术体系及规范建设,建立涵盖监测预警技术选择、监测预警系统设计、与管道工程建设配套施工、全维度监测运行、安全评价预警的综合标准体系和机制,并有效纳入完整性管理体系范畴。     

融沉位移作用下X65管道的应变响应

冻胀融沉引起的土壤位移会对埋地管道的结构安全造成重大威胁。基于非线性有限元程序ABAQUS，采用INP编程语言建立融沉位移作用下管道应力应变响应的参数化数值求解模型，并试验验证了模型的准确性。通过影响因素分析，探究了管道的应变分布特性。结果表明：对于穿越多冰冻土区的X65管道，在融沉区宽度较小的情况下，管道内最大轴向应变位于融沉区中心，管道拉应变大于压应变，整体受拉；当融沉宽度大于60 m时，管道随地表一同融沉，管道最大应变体现为弯曲应变，最大应变位于融沉区边缘，融沉区宽度增加不会对管道应变产生明显影响。因此，在冻土融沉区地灾监测中应重点识别融沉区范围，对于小范围融沉，需要对融沉区中心和边缘应变状态加以监控；对于60 m以上融沉区，则需要对融沉区边缘加以监控。（图9，参23）     

多年冻土区埋地管道保温方案的设计与有限元分析

多年冻土对埋地管道的危害极大,严重影响管道的运行安全,同时对周围环境造成破坏。利用有限元分析方法,综合考虑环境温度季节性变化及冻土的相变问题,对多年冻土区间歇性运营的埋地输油管道不保温时的冻土融化深度进行分析计算,论证了管道保温的必要性。分别计算了采用聚酚醛、硬质聚氨酯泡沫塑料和软质聚氨酯泡沫塑料3种保温方案时的融化深度,并对比保温效果,进而对冻土区管道保温方案的设计提出建议。     

光缆与油气管道同沟敷设应用实践

光缆与油气管道同沟敷设施工方法可以充分发挥并利用油气管道的路由资源和站场资源,将光纤通信引入到管道通信中,从而满足油气管道生产运行的高可靠性和宽带应用的通信需求。描述了光缆在管沟中的位置,设计图纸与施工步骤,硅芯管保护等技术问题;结合鄯善-乌鲁木齐输气管道、西气东输管道、陕京二线输气管道、兰州-郑州-长沙成品油管道、西气东输二线管道等工程的应用实践,对光缆与输油气管道同沟敷设施工方法和改进措施进行了总结,指出了目前存在的施工管理、组织及施工责任方面的问题。     

多年冻土区管道投产运行后的融沉风险

寒区某管道穿越多年冻土区域,途经连续冻土、不连续冻土、岛状冻土和冻土沼泽,地质条件复杂,同时管道投产后输油温度远高于设计运行温度,实际敷设情况也与设计有很大不同,极易出现融沉问题。利用多层介质稳定导热方法建立迭代公式求解管道投产运行至今冻土层中的地基融化圈厚度,通过对气温升高、地表融化作用和冻土地温的修正,求出无保温层和有保温层两种情况下管道地基融化圈的融化深度。在此基础上,结合多年冻土地基融化下沉变形和压缩沉降变形分析,计算了管道的融沉变形量,并与管道允许的最大差异性融沉变形量进行对比,明确其融沉风险。根据冻土区的地质特征和实际工程经验,给出了3种管道融沉防治措施。（表7,图2,参7）     

冻土区管道弯曲应变及位移监测方法

针对冻土区管道易受融沉、冻胀等地质灾害的影响而发生管道位移、形变的问题,开发了一种高精度的惯性导航系统对管道实施内检测,从而获得检测器的位置、姿态信息,并在此基础上,提出了管道弯曲应变及位移的计算方法。在计算位移时,针对管道计算轨迹发散的问题,提出了使用外部特征点修正误差的方法;在计算管道位移或弯曲应变的变化量时,针对重复检测中存在里程差的问题,提出了将固定长度管道数据对齐后再做对比的方法。通过现场实际应用验证了该系统及方法的可行性及检测精度,为管道事故的预防和合理维护提供了科学依据,对保证冻土区长输油气管道的安全运行具有现实意义。     

高压输电线与埋地管道相互影响的安全问题

分析了高压输电线与埋地油气管道相互影响和存在的安全问题,提出了应采取的措施及处理办法.根据埋地管道实际存在的危害因素和环境条件及各种相关的技术规定、标准,指出高压输电线与管道平行的安全距离应不低于20 m,当与管道交叉时,管道与铁塔的接地体安全距离也应不低于20 m.     

冻土区输油管道工程基础稳定性研究

寒区管道基础设计和施工必须考虑沿线的地形和环境条件对冻胀和融沉,以及相应的管道工程基础和结构整体性的影响.输油管道工程需要充足的科研投入、论证及决策时间.在此基础上,采用一系列创新设计来保护(或预先融化)冻土,抑制融沉.这些研究围绕的关键问题是温热及环境温度油管在多年和季节冻土中的水热效应、差异性冻胀及融沉所导致的管道变形破坏.这些研究对可能出现的问题进行及早发现、充分理解、正确预测以及最终合理的设计、施工和维护至关重要.     

冻土地区管道建设面临的工程技术难题

介绍了国内外冻土地区管道工程技术现状，针对冻土地区管道沿线和周围（岩）土的冻胀和融沉问题，提出了相应的对策。以格拉输油管道为例，探讨了冻土地区管道工程可选择的敷设方式、油气管道的电保护技术、气候和环境变化对管道的影响以及沿线环境管理等方面的问题。     

典型地质灾害下埋地管道的应力计算

地质灾害是导致埋地油气管道破坏失效的主要原因之一,特别是管道沿线的山体滑坡、地层沉降及地面塌陷等严重威胁着管道的安全运行。基于已有研究,介绍了几种分析管土耦合作用的常用模型,总结了地质灾害作用下埋地管道应力计算方法。采用实验模拟与数值模拟相结合的手段,开展了塌陷、沉降以及滑坡地质灾害下管土相互作用实验以及FLAC 3D数值模拟,分别得到了3种地质灾害下的管道应力分布情况,通过比较实验结果、数值模拟结果以及管道理论模型计算结果可得:采用有限差分软件FLAC 3D开展管土相互作用模拟是可行的;仅考虑管道、输送介质以及土体重力载荷得到的理论计算结果与实验及数值模拟的结果相差很大,需要考虑土体摩擦力以及黏聚力等参数的影响,对管道应力计算方法进行改进。     

俄罗斯干线管道建设及其安全性

管道已成为输送石油、天然气和成品油的首选方式,而管道安全运行是管道运营管理的首要条件.介绍了俄罗斯的石油、天然气、成品油和氨干线管道的建设概况,分析了干线管道的事故状况和原因,旨在为我国油气管道在日常运行的安全监测、管理和防护等方面提供可以借鉴的经验.     

埋地管道应力分析方法

油气输送管道大部分为埋地管道,其应力分析与工艺管道不同,关键在于准确模拟管道与土壤的相互作用。结合国际上广泛运用的CAESARII和AUTOPIPE软件设计思路,阐述了埋地管道应力分析模型中对埋地管道离散化的理论基础和方法,模拟土壤与管道相互作用的原理以及相关数据的计算方法;对比分析了ASMEB31.4、ASMEB31.8及国内相关油气输送管道设计规范对管道应力的校核要求;结合工程实例深化了埋地管道应力分析方法,对于开展管道应力分析工作具有积极作用,有利于增进对于管道应力分析及管道应力安全问题的认识。     

埋地热油管道停输温降的大型环道测试分析

采用大型试验环道对埋地热油管道停输后管内油温及管道周围土壤温度场的变化进行了现场测试,分析了停输前的运行条件以及地温等因素对管道停输温降的定量影响,获得的试验数据可为管道停输温降计算模型的检验和修正提供重要的依据.     

短路故障下输电线路接地网对埋地管道的影响

为了研究输电线路故障运行时,接地点短路电流对管道的电磁干扰程度,利用防雷接地分析软件CDEGS建立了输电线路杆塔接地网与埋地管道模型,计算分析了不同短路电流幅值、土壤电阻率、管道间距下管道冲击电压的变化规律。提出了两种新型管道防护措施:①通过改变#形和方框射线形接地网形状参数,计算分析了管道冲击电压的变化规律,其表明接地网形状对接地电阻影响很大,接地电阻越大,管道冲击电压越小;②沿管道敷设非金属屏蔽线(柔性石墨复合接地材料),对管道进行过电压防护,可以有效降低管道冲击电压,对管道起到保护作用。研究结果可为油气管道设计施工及安全防护提供参考。     

漠大线多年冻土沼泽区管道融沉防治及温度监测

漠大线管道自投产以来,全年均为正温输送,且输送温度远高于设计预期温度,因而加速了管道周围冻土区的融化,管道容易发生融沉,安全性面临极大考验。结合漠大线投产后的实际运行情况,参考冻土区工程建设经验,设计了热棒与粗颗粒土换填相结合的多年冻土沼泽区域管道融沉防治方案,并在漠大线K305处完成了100 m示范段建设,并在示范段管道周围土壤中安装了温度监测系统,通过近一年的温度监测数据分析了目前示范段的融沉防治情况。结果表明：热棒的安装降低了管道地基的温度,增加了土壤的冷储量,起到了稳定地基的作用,而管道底部换填的粗颗粒土可以保障热棒的制冷作用不会引发管道冻胀灾害。     

国内外油气管道设计标准的比较

俄罗斯标准《干线管道设计规范/МАГИСТРАЛЬНЫЕТРУБОПРО-ВОДЫ》在选线原则、埋地敷设要求、管道穿越和架空敷设等方面拥有较先进的理念和较细致的规定,针对多种具体情况直接给出了具有较强指导性和操作性的施工方案和设计参数,如管道埋深、构筑施工带、冻土区设计资料、补偿纵向位移等。将该标准与国内强制执行的工程设计标准GB50251和GB50253进行全面对比和分析,识别出前者的先进之处并予以借鉴,对提高国内油气管道的设计和完整性管理水平、降低运营维护成本具有重大意义。     

油气管道全生命周期完整性管理体系的构建

为了加强油气管道风险防控,将完整性管理理念引入中国管道行业。引进、消化、吸收国外油气管道完整性管理的先进方法,结合中国油气管道实际情况进行再创新:制定了覆盖管道建设、运行、废弃处置全生命周期的“564”完整性管理工作流程,建立了包含管道完整性管理、科技研发、技术服务、推广应用的全链条组织架构,形成了完备的完整性管理数据、标准、技术及人才保障体系。油气管道全生命周期完整性管理提升了管道本质安全,取得了明显成效,探索实践中形成的模式、标准规范不仅确保了油气管道安全平稳运行,也为行业发展提供了参考范例。