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。     

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）     

冻土区埋地油气管道管沟融陷机理

为了治理冻土区埋地油气管道管沟融陷工程病害,通过对管道病害现场调查,结合现场地质勘探、含水量试验测试及管周土体温度监测,分析了融陷病害的发生机理,并结合管沟融陷形成因素,提出了相应的防治措施。结果表明:冻土区埋地油气管道管沟融陷病害的发生与地层土质、土体含冰量、冻土类型、管道热扰动及施工方式等因素有关;冻土区埋地油气管道的敷设应选择合理的施工季节,综合分析冻土环境因素,确定合理的管道埋设深度,设置管道隔热保温措施,加强管道运行状态监测和科学管理,从而保证管道安全运行。研究成果可为冻土区埋地油气管道的设计、施工及安全运营提供借鉴。     

漠大管道在沿线多年冻土区的位移监测

针对漠大管道在沿线多年冻土区面临的冻胀融沉灾害,提出了基于全站仪测量的管道位移监测技术。详细介绍了管道位移监测原理,设计了基准桩和标志桩结构,采取了3项措施保证基准桩的稳定。在漠大管道漠河首站-加格达奇泵站区间,选取了9个高风险区,安装了62套管道位移监测装置。2010年11月9日管道投产前采集了初始数据,2010年12月-2011年6月完成了5次数据采集,对监测数据进行分析发现:监测段管道未受到冻胀灾害的影响,部分监测段管道受到融沉灾害的影响。验证了该技术的可行性和有效性。     

冻土区保温管道补口结构的保温性能

开展冻土区管道的建设,需要在寒冷的环境下进行施工,硬质聚氨酯保温瓦块避免了低温发泡的问题,但也存在施工效率低、不能保证保温效果的问题。将柔性保温材料二氧化硅气凝胶保温毡、聚乙烯泡沫塑料引入补口保温层结构,用以提高施工效率,改善保温效果。在不同的工作管温度下,对3种补口保温层结构的导热系数、热流密度、外表面温度分布进行了研究,结果表明:115 mm硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数、热流密度最小;二氧化硅气凝胶保温毡可以改善聚氨酯保温瓦块补口外表面的温度分布;"聚乙烯泡沫+二氧化硅气凝胶保温毡"保温结构的保温性能可以满足工程需要,施工性能较好,可用于寒冷环境下的管道保温补口施工。     

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。     

浅谈冻土地基的处理方法

在冻土地区修建结构物,除了要满足非冻土区结构物所要满足的强度与变形条件外,还要考虑以冻土作为结构物地基时,其强度随温度和时间而变化的情况。所以采用什么样的防冻胀和融沉措施来保证冻土区结构物地基的稳定,是关系到冻土区工程建设成败的关键所在。冻土基地对结构物的影响主要有冻胀和融沉两种破坏形式,因此,冻土地基应从保持冻结和允许融化两种状态分别进行处理,以保证冻土区结构物的安全和正常使用。     

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。     

高寒冻土区管道露管原因分析及治理

冻胀、翘曲、水土流失等多种因素都会造成冻土区管道表层覆土减少甚至管道裸露,不同原因引起的露管需要采取不同的处置方法,因此必须首先检测确认露管原因,才能有针对性地制定治理措施。上拱、翘曲等冻土灾害都会造成管道的弯曲变形,而受水土流失影响的管道则会保持平直。实践中形成了一种探管仪结合水准仪的管道平顺性检测方法,该方法无需开挖管道和安装设备,只进行地面检测就能够快速判断管道是否发生弯曲变形。通过对2个典型的露管案例进行分析,发现冻土融化引起的管堤下沉、水流冲刷造成的水土流失是冻土管道露管的主要原因。针对冻土区管道露管原因,提出了清淤、换填、重新回填和修筑水工的治理措施,并针对不同的原因给出了推荐做法。     

基于多源数据的管道沿线功能区识别方法

传统的管道沿线功能区识别方法以人工现场踏勘的方式进行,受识别人员经验和对识别工作的熟练程度影响,识别效率有限。基于高分辨率遥感影像,利用深度学习方法实现高后果区建筑物的高精度提取。利用改进的网络模型与现有成熟的语义分割模型在公开数据集上进行对比实验,结果表明,该建筑物提取网络具有更高的建筑物解译精度。结合兴趣点（Points of Interest,POI）与开放街道地图（Open Street Map,OSM）数据,采用密度峰值聚类分析法计算各类型数据的频率密度,从而实现管道沿线功能区的识别。将该方法应用于西气东输某管道的高后果区功能区识别中,共识别出包括居住区、公共服务区、工业区、商业区、交通设施区及农业区6类功能区。该方法能够准确、快速地对人员密集型场所进行识别,可进一步提升高后果区识别的准确率和效率。（图7,表2,参23）     

冻土区热油管道周围土壤水热耦合数值模拟

基于穿越冻土区埋地管道存在冻害破坏的安全问题,建立了多年冻土区埋地热油管道土壤冻融过程中温度场变化的数学模型。以中俄原油管道沼泽发育冻土区敷设管段为例,地表环境温度采用周期性边界条件,考虑土壤冻结过程中相变潜热对温度场的影响,采用多孔介质模型,利用有限容积法,对有、无保温层条件下埋地管道周围土壤温度场进行数值模拟。结果表明:在有保温层的条件下,管壁热流密度明显降低,且波动幅度减小;采用保温材料有利于降低冻土融化速率,防止冻土退化。     

漠大管道及其多年冻土区域地质灾害风险

漠大管道途经我国纬度最高、极端温度达-52.3℃的高寒地带,是我国第1条完全意义上穿越永冻土区域的大口径长输原油管道,所经过的漠河-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、热融滑坡、水毁冲蚀(坍岸)等地质灾害。分析了漠大管道穿越冻土区域所面临的热融滑坡、冻胀、融沉以及弯曲、翘曲等特有的地质灾害风险,提出了灾害管理和风险应对措施的建议。     

管道公司管道风险评价实践

为保证所辖油气管道的运行安全,中国石油管道公司持续推行完整性管理,对在役管道实施风险评价。肯特法是目前使用最广的半定量管道风险评价方法。针对国内管道的实际情况,对肯特法加以改进,对腐蚀指标、制造和施工缺陷、土体移动、误操作、泄漏影响系数等指标进行调整,提高了其对国内管道的适用性。采用改进后的肯特法,确定了所辖管道的高风险管段,汇总后统一排序,针对性地提出风险减缓建议措施,进行立项治理,包括管理、检测与修复、地质灾害治理和其他4种类型。同时,通过风险排序确定项目投资的优先级,提高了费用分配的科学性和管道运行的安全性。     

基于数据包络分析的管道完整性管理效能评价

管道完整性管理效能评价是发现管道完整性管理的改进空间,推动其持续完善的有力工具,但目前国内外尚无成熟的相关技术及方法.将管道完整性管理视为多投入、多产出的复杂系统,按照具体业务将其划分为数据管理、高后果区识别等9个业务模块和1个综合管理模块,并针对各模块综合考虑其不同方面、不同属性的各项因素,建立评价指标体系.应用数据包络分析(DEA)方法,对各评价单元进行相对有效性评价,计算其效能值,并对效能结果进行分级,给出评价结论和改进建议.在中国石油某管道公司的应用结果表明,该方法合理、可行.     

沉管技术在长输管道河谷段的施工应用

根据国内某天然气长输管道工程长丰河河谷段的施工背景,分析了应用沉管技术的必要性,并从测量放线、管沟开挖、防腐层检测等方面介绍了沉管技术的施工要点。工程实践表明:沉管施工技术解决了常年有水且地下水位比较高的河床内管道敷设的难题,且具有工期短、安全可靠、效益高、不受施工季节影响的特点,适合在类似工程中推广应用。     

长输管道高后果区识别系统软件的设计

长输管道高后果区识别及统计受人为因素影响较大,导致识别过程冗长,人力与物力消耗大,识别结果查询不便、通用性差、后处理困难,不能在次年识别过程中有效应用。根据Q／SY1180．2—2009的相关规定,利用Microsoft Visual Studio 2010设计了一套完整的软件组织架构,完成了管道风险评价、管道完整性评价、数据库表结构及效能评价软件开发。该软件建立了完整的高后果因素数据库,能够杜绝工作人员在识别过程中对高后果因素的识别误差、等级划分误差、打分误差等人为错误;利用计算机软件系统整合全部数据,形成完整、规范的高后果区识别报告,可有效避免统计误差,形成完全一致的电子和书面报告,大大减少了工作时间,节约资金,形成统一的完整性管理工作信息平台,进一步提高了管道完整性管理水平。     

冻土沼泽地区的管道维抢修方法

为增强冻土沼泽地区的管道应急抢险能力,根据冻土沼泽的特点,提出了一套包括挖渠布栏、浮船拖拽、彩钢板道路、沉箱支固的冻土沼泽管道维抢修方法.其中,在拦油渠内布设围油栏,通过两层甚至多层挖渠布栏,在层间挖设集油坑将汇集的油品集中抽至储油囊回收的方法为国内外首次采用.结合管道冻土沼泽地区植被丰富,承载力强的特点,自行制作旱船,解决了大型设备进场难的问题.结合管道维抢修实际需求研制的新型钢制沉箱,可折叠、易运输,而且能够有效地支固作业坑和防水.该套方法的可行性在漠河-大庆原油管道沼泽地区的维抢修演练中得到了验证.     

基于完整性管理方案的管道完整性效能评价方法

针对目前完整性考核指标与完整性管理中存在的问题,结合目前管道完整性管理方案在管道完整性管理过程的作用,提出了建立基于管道完整性管理方案的效能评价方法。该评价指标体系以完整性管理方案规定内容与运营单位实际工作内容之间的符合度作为评价基础,以管道的风险水平、日常工作量大小、事故情况等影响效能的因素作为修正因子,建立了一套符合完整性效能评价要求的评价方法。该评价方法是一种对完整性管理方案执行质量的考核,实现了管道企业对风险控制水平的考核,同时该评价方法实现了目前多种考核与审核工作的结合。（表2,图l,参7）     

基于高分辨率遥感影像的管道高后果区识别方法

管道高后果区识别工作主要依据GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》开展,但由于缺乏有效技术手段的支撑,标准中的定量识别判据对实际识别工作的指导作用受限,从而导致识别工作的效率以及识别结果的准确率不高。为此,提出基于高分辨率遥感影像的高后果区识别方法,采用卷积神经网络和条件随机场组合模型,通过管道中心线两侧缓冲区的建立和基于线性参考的管段划分,实现管道沿线建筑物的自动检测与提取,最后,应用几何计算完成全线高后果区识别。利用该方法对某管道高后果区进行了识别,识别的准确率与召回率分别为93%、90%,大幅提高了高后果区识别的效率与准确性。研究成果可为管道高后果区的高效、定量识别提供技术指导,具有良好的应用前景。（图4,表1,参27）