漠大线冻土区应力监测与治理案例研究｜Gabriel

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漠大线冻土区应力监测与治理案例研究

Gabriel

x1 2021-12-13 16:20:59 评论（0）

漠大线冻土区应力监测与治理案例研究

王志涛王洋

国家管网集团北方管道大庆（加格达奇）输油气分公司

摘要：中俄原油管道（漠大线）穿越大兴安岭多年冻土区域，随着管道输送俄油温度不断升高，土体温度场改变将进而影响管道应力和位移变化，管道变形使管道安全运行风险加大。介绍了漠大线管道变形监测系统分布情况，通过分析某监测单元应力监测数据，发现管段存在应力集中现象，并实施应力释放治理措施。对冻土区管道应力监测和冻害防治等提出了相应建议。

关键词：原油管道；漠大线；冻土区；应力监测

中俄原油管道（漠大线）管径1410 mm，设计年输量1500万吨，途经我国纬度最高、极端温度达﹣52.3℃的高寒地带，是我国第一条完全意义上穿越永冻土区的大口径长输原油管道，其中漠河—加格达奇大杨树段共计440 km管道穿越大兴安岭多年冻土区。由于大管径大输量，管道油温对周围土壤的影响段（非等温段）更长，气候转暖和人类活动使冻土冻融危害的情况更为复杂和严重。为掌握典型冻土区域管道热辐射对周围冻土的影响，以及因冻融危害作用对管道的力学状态的影响，应用变形监测系统对管周温度和管道应力变化情况进行监测并开展了应力释放治理。

1 变形监测系统分布

在加格达奇以北地区，针对漠大线6处典型冻胀、融沉灾害点，采用光纤光栅应变测量技术和一线总线数字温度测量技术，开展了管道应力应变监测和管道周围土壤温度场监测。采用振弦应变测量技术对2处环焊缝补强管段开展了管道应力应变监测。目前投入运行的8处监测单元基本情况见表 1。

表 1 漠大线8处监测单元基本情况

2 变形监测及应力释放治理案例

AA007-200监测单元位于漠大线007 km 967 m，额木尔河右岸阶地与山前缓坡过渡地带，阶地一带饱冰冻土发育，山前缓坡地带冻土相对不发育，存在差异性冻胀问题。管道应变传感器位于焊口号MDX-01-01-AA006 171-DG01-B-Y至MDX-01-01-AA006 188-DG01-B-Y，共计18处，布置情况如图 1所示。其中X1—X8管段地貌单元属额木尔河右岸河漫滩和阶地，分布有大片的塔头和低矮的灌木，地表夏季积水、冬季结冰，X5—X6管段穿越砂石路，X9—X18管段地貌单元属低山缓坡，为大片森林，局部基岩出露地表。

图 1 管道应变传感器布置示意图

AA007-200监测单元自投用以来各截面附加弯曲应力随时间变化，曲线如图 2所示。变化趋势表明：管道在X3—X6截面间附加弯曲应力年际变化明显，以X4截面应力变化最为显著，拉应力为151.39 MPa，压应力为﹣156.60 MPa，弯曲应力为158.99 MPa，拉应力位于184.49°（管底）。由于X1—X8 处于强冻胀段，管道受冻土冻胀影响易向上抬升，但受 X6—X8 段公路强约束限制，最终表现为 X3 截面上游管段冬季受冻土冻胀作用向上抬升，X4 截面应力在累积增大，X4截面应力随时间变化曲线如图 3所示。

图 2 监测单元各截面附加弯曲应力随时间变化曲线

图 3 X4 截面附加应力随时间变化曲线

分析表明，X3、X4、X5截面管道应力集中明显，X4截面应力最大且拉应力位于管底，X3、X5截面拉应力均位于管顶，X3—X5截面间管道出现弯曲变形。X5—X6 共12 m管段位于林间砂石路正下方，判断该处形成约束点，是造成X4 截面附近管道弯曲变形的主要原因，管道弯曲模型见图 4。

图 4 有限元分析

2018年8月，对AA007-200监测单元管道实施应力释放治理方案，开挖砂石路穿越段管道，管道两侧设置混凝土支护，板涵出入后采用浆砌石八字墙，详见图 5。

图 5 砂石路开挖示意图

砂石路穿越段管道开挖后，监测发现期间并无应力释放，原因为X5上游段管道处于强冻胀、融沉土壤环境中，受砂石路约束后管道部分变形在已弯曲段形成积累，造成X3—X5应力逐年增大。尽管在设置板涵后可以消除砂石路的强约束，但对于已累积较高应力的X3—X5段管道起不到快速释放应力的作用，遂决定管沟开挖从X5向上游延伸30 m至X3附近，经监测确定X4附近应力得以降低，回填管沟，结果如表 2所示。随着时间的推移，累积较高应力的X3—X5段管道也在设置的板涵作用下应力得到有效释放。

表 2 X4截面应力释放统计结果

3 结论与建议

（1）在冻土区管道设置变形监测系统实时监测管道运行情况，以便及时对异常管段采取风险减缓措施。

（2）漠大线监测系统设备已运行10年，建议更新以获取更为准确的应力应变及温度场参数，掌握管道周边冻土灾害的发展状况和管道在冻土灾害作用下的力学变化并提前预警。

（3）加强冻土治理研究与投入，从本质上减轻或消除由于冻土冻胀融沉对管道的影响。例如安装热棒以降低管道地基的温度，增加土壤的冷储量，减轻埋地管道正温输送对周围冻土的热影响，减缓冻土的衰退和融化。

（4）对接前沿科学技术，利用大数据、人工智能等研发建立集信息采集、传输、管理、分析、预报预警、发布于一体的高寒冻土灾害监测预警信息系统。

作者简介：

王志涛，毕业于西安石油大学，现为大庆（加格达奇）输油气分公司漠河作业区管道保护工程师。联系方式：18710552759，237083969@qq.com。

来源：《管道保护》2021年第6期（总第61期）

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