王志濤 王洋

國家管網集團北方管道大慶（加格達奇）輸油氣分公司

摘要：中俄原油管道（漠大線）穿越大興安嶺多年凍土區(qū)域，隨著管道輸送俄油溫度不斷升高，土體溫度場改變將進而影響管道應力和位移變化，管道變形使管道安全運行風險加大。介紹了漠大線管道變形監(jiān)測系統(tǒng)分布情況，通過分析某監(jiān)測單元應力監(jiān)測數據，發(fā)現(xiàn)管段存在應力集中現(xiàn)象，并實施應力釋放治理措施。對凍土區(qū)管道應力監(jiān)測和凍害防治等提出了相應建議。

關鍵詞：原油管道；漠大線；凍土區(qū)；應力監(jiān)測

中俄原油管道（漠大線）管徑1410 mm，設計年輸量1500萬噸，途經我國緯度最高、極端溫度達﹣52.3℃的高寒地帶，是我國第一條完全意義上穿越永凍土區(qū)的大口徑長輸原油管道，其中漠河—加格達奇大楊樹段共計440 km管道穿越大興安嶺多年凍土區(qū)。由于大管徑大輸量，管道油溫對周圍土壤的影響段（非等溫段）更長，氣候轉暖和人類活動使凍土凍融危害的情況更為復雜和嚴重。為掌握典型凍土區(qū)域管道熱輻射對周圍凍土的影響，以及因凍融危害作用對管道的力學狀態(tài)的影響，應用變形監(jiān)測系統(tǒng)對管周溫度和管道應力變化情況進行監(jiān)測并開展了應力釋放治理。

1  變形監(jiān)測系統(tǒng)分布

在加格達奇以北地區(qū)，針對漠大線6處典型凍脹、融沉災害點，采用光纖光柵應變測量技術和一線總線數字溫度測量技術，開展了管道應力應變監(jiān)測和管道周圍土壤溫度場監(jiān)測。采用振弦應變測量技術對2處環(huán)焊縫補強管段開展了管道應力應變監(jiān)測。目前投入運行的8處監(jiān)測單元基本情況見表 1。

表 1 漠大線8處監(jiān)測單元基本情況

2  變形監(jiān)測及應力釋放治理案例

AA007-200監(jiān)測單元位于漠大線007 km+967 m，額木爾河右岸階地與山前緩坡過渡地帶，階地一帶飽冰凍土發(fā)育，山前緩坡地帶凍土相對不發(fā)育，存在差異性凍脹問題。管道應變傳感器位于焊口號MDX-01-01-AA006+171-DG01-B-Y至MDX-01-01-AA006+188-DG01-B-Y，共計18處，布置情況如圖 1所示 。其中X1—X8管段地貌單元屬額木爾河右岸河漫灘和階地，分布有大片的塔頭和低矮的灌木，地表夏季積水、冬季結冰，X5—X6管段穿越砂石路，X9—X18管段地貌單元屬低山緩坡，為大片森林，局部基巖出露地表。

圖 1 管道應變傳感器布置示意圖

AA007-200監(jiān)測單元自投用以來各截面附加彎曲應力隨時間變化，曲線如圖 2所示。變化趨勢表明：管道在X3—X6截面間附加彎曲應力年際變化明顯，以X4截面應力變化最為顯著，拉應力為151.39 MPa，壓應力為﹣156.60 MPa，彎曲應力為158.99 MPa，拉應力位于184.49°（管底）。由于X1—X8 處于強凍脹段，管道受凍土凍脹影響易向上抬升，但受 X6—X8 段公路強約束限制，最終表現(xiàn)為 X3 截面上游管段冬季受凍土凍脹作用向上抬升，X4 截面應力在累積增大，X4截面應力隨時間變化曲線如圖 3所示。

圖 2 監(jiān)測單元各截面附加彎曲應力隨時間變化曲線

圖 3 X4 截面附加應力隨時間變化曲線

分析表明，X3、X4、X5截面管道應力集中明顯，X4截面應力最大且拉應力位于管底，X3、X5截面拉應力均位于管頂，X3—X5截面間管道出現(xiàn)彎曲變形。X5—X6 共12 m管段位于林間砂石路正下方，判斷該處形成約束點，是造成X4 截面附近管道彎曲變形的主要原因，管道彎曲模型見圖 4。

2018年8月，對AA007-200監(jiān)測單元管道實施應力釋放治理方案，開挖砂石路穿越段管道，管道兩側設置混凝土支護，板涵出入后采用漿砌石八字墻，詳見圖 5。

圖 5 砂石路開挖示意圖

砂石路穿越段管道開挖后，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)期間并無應力釋放，原因為X5上游段管道處于強凍脹、融沉土壤環(huán)境中，受砂石路約束后管道部分變形在已彎曲段形成積累，造成X3—X5應力逐年增大。盡管在設置板涵后可以消除砂石路的強約束，但對于已累積較高應力的X3—X5段管道起不到快速釋放應力的作用，遂決定管溝開挖從X5向上游延伸30 m至X3附近，經監(jiān)測確定X4附近應力得以降低，回填管溝，結果如表 2所示。隨著時間的推移，累積較高應力的X3—X5段管道也在設置的板涵作用下應力得到有效釋放。

表 2 X4截面應力釋放統(tǒng)計結果

3  結論與建議

（1）在凍土區(qū)管道設置變形監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測管道運行情況，以便及時對異常管段采取風險減緩措施。

（2）漠大線監(jiān)測系統(tǒng)設備已運行10年，建議更新以獲取更為準確的應力應變及溫度場參數，掌握管道周邊凍土災害的發(fā)展狀況和管道在凍土災害作用下的力學變化并提前預警。

（3）加強凍土治理研究與投入，從本質上減輕或消除由于凍土凍脹融沉對管道的影響。例如安裝熱棒以降低管道地基的溫度，增加土壤的冷儲量，減輕埋地管道正溫輸送對周圍凍土的熱影響，減緩凍土的衰退和融化。

（4）對接前沿科學技術，利用大數據、人工智能等研發(fā)建立集信息采集、傳輸、管理、分析、預報預警、發(fā)布于一體的高寒凍土災害監(jiān)測預警信息系統(tǒng)。

作者簡介：王志濤，畢業(yè)于西安石油大學，現(xiàn)為大慶（加格達奇）輸油氣分公司漠河作業(yè)區(qū)管道保護工程師。聯(lián)系方式：18710552759，237083969@qq.com。