凍土地區(qū)油氣管道工程的建設(shè)

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一、凍土地區(qū)油氣管道沿線巖石（土）的凍脹、融沉問題及其應對策略

1、凍土地區(qū)油氣管道沿線巖石（土）的凍脹、融沉問題

在一些季節(jié)性凍土區(qū)及不連續(xù)多年凍土區(qū)，油氣管道在低于圍巖土溫度情況下，將從圍巖土中吸取熱量，進而導致管道周圍未凍巖土發(fā)生凍結(jié)，并且在水分補給的情況下致使凍結(jié)鋒面的水發(fā)生遷移或者出現(xiàn)成冰，隨著時間的不斷加長，管道周邊將出現(xiàn)越來越多凍土，進而出現(xiàn)“凍土環(huán)”。而現(xiàn)存的主要問題包括以下兩點：

（1）儀器測量難度極大首先，使用非常精準儀器來對溫度、壓力、膨脹進行測量，雖然可在一定程度上測量凍脹壓力，但是對油氣管道在各個不同段的受壓情況則很難進行預測，而水分向凍結(jié)鋒進行遷移所產(chǎn)生的壓力就更難進行預測，另外要想準確的把握凍土的滲透率其難度很大，因為實驗所使用的水分是融化凍土及自身凍結(jié)，并且在巖土凍結(jié)或融化過程中，僅僅能夠測定一些少量水分的運動，通過大量的實際經(jīng)驗總結(jié)發(fā)現(xiàn)，一般管道周圍巖土的凍結(jié)將持續(xù)30年左右，面對這一情況，必須是理論和實際經(jīng)驗相結(jié)合才可為管道的建設(shè)提供一定的依據(jù)。另外由于各種地質(zhì)情況的復雜性，要想對各凍土區(qū)段凍土融化過程中的壓縮系數(shù)、變形系數(shù)及抗剪強度等進行預測將變得不可能，另外融化沉降、融化（強度）弱化、融化（排水）壓實、反復凍融導致的過度密實化等，這些因素都會導致水物理參數(shù)、殘余強度、抗剪強度等參數(shù)發(fā)生變化，因此儀器的測量的難度就變的更大了。

（2）氣候及環(huán)境變化幅度大因為氣候及環(huán)境的變化是動態(tài)的，其變化過程不僅有漸變，而且包括突變，因此對其進行有效的控制難度很大，這就導致凍土地區(qū)管線施工的難度進一步增加，面對這一技術(shù)難題，很多的工程都設(shè)計了一些環(huán)境管理策略，對管道線路在運行期間可能出現(xiàn)的一些環(huán)境及氣候因素進行了綜合考慮。一般情況下，長輸管道工程的使用壽命可達到50年左右，而大型的油氣管道工程，如西氣東輸其預期使用壽命可達到100年，但是在溫度不高的凍土地區(qū)，年平均氣溫及一些地表的積雪均會對管線的使用年限造成極為嚴重的影響，因為富冰的一些凍土其導熱系數(shù)的導熱性遠遠超過未凍土，假設(shè)某個夏天氣候突然變暖，溫度急劇上升，活動層就會大幅度發(fā)生改變，這將對管線造成極為嚴重的影響。

2、凍土地區(qū)油氣管道沿線巖石（土）凍脹及融沉應對策略

凍土承載能力的弱化會導致管道出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，而凍結(jié)的土顆粒因為力學強度導致凍土粘合度出現(xiàn)變化，如果溫度持續(xù)上升，則凍土的承載能力就會持續(xù)降低，如果凍土完全融化，那么水和土就會出現(xiàn)膠結(jié)，進而導致土層的強度大大下降，對管道的穩(wěn)定性造成嚴重的影響。另外當季節(jié)性融化引起冰層融化時，土層的凍脹力和凍脹量也會出現(xiàn)增加，以下為解決這些問題的一些策略：（1）對施工管道沿線的管道線路做好細致的地質(zhì)勘測，對凍土的分布進行細致的觀察及研究，找出其中易遭受融沉及凍脹破壞的管段進行重點管理。（2）定期進行清管，及時將凹陷及變形管段進行更換，盡量減少管道摩阻，減小輸送能耗。另外清理管線可使得管線內(nèi)壁腐蝕速度有效降低，增加管線的使用年限，并可有效減少因為管線變形而導致的事故。（3）加強重點管線管理、監(jiān)測，對一些不穩(wěn)定型凍土管段、邊坡管段及穿越部管段等進行動態(tài)實時監(jiān)控，保證管道運行安全。

二、凍土區(qū)的管道建設(shè)方式

1、傳統(tǒng)埋地式

通常來講，傳統(tǒng)埋地式對應的條件是基巖及排水條件良好的礫石和融土，或者根據(jù)詳細的勘測及研究分析證明融化所引起的沉降或失穩(wěn)在工程可允許范圍之內(nèi)，這里要充分考慮管道穩(wěn)定及環(huán)境破壞程度，通常來說，埋設(shè)的深度一般取決于各段管道所對應的負載、彎曲及地形地質(zhì)實際情況。另外埋地管道在垂直及水平方向上可能出現(xiàn)應力，因此為了確保安全性，應該在一些特殊管道設(shè)置錨固，另外融沉及地震也會導致附加應力出現(xiàn)變化，這就需要按照有關(guān)的規(guī)定（如溫度變化、內(nèi)部壓力、地震、融沉及其他）來進行設(shè)計了。

2、地上放置式

凍土的融化可能導致埋地式管道出現(xiàn)過多的變形，或者基礎(chǔ)難以穩(wěn)定，面對這種情況，管道需要放置在地表，放置在地表的管道，要求放置管道支架，支架一般需要在6m以上高度，管道要求曲折延伸，可允許釋放因為熱脹冷縮而出現(xiàn)的應力，地上式管道要進行隔熱設(shè)計，以避免管道內(nèi)的油氣的溫度過低，最終符合設(shè)計溫度。

3、特殊埋設(shè)式

特殊埋設(shè)主要考慮的因素有凍土層是否穩(wěn)定、經(jīng)濟及安全，例如在富冰凍土、強烈地震帶、高陡邊坡，管道對周邊巖土的熱力侵蝕，其中包括隔熱、對流及其他一些機械制冷，在管道設(shè)計時必須要考慮其穩(wěn)定性，計算好對應應力及使用一定的安全措施。

三、結(jié)語

在進行多年凍土地區(qū)油氣管道工程的建設(shè)過程中，相關(guān)工作人員必須要對凍脹及融沉問題做到足夠重視，當前因為凍土地區(qū)管道問題導致的經(jīng)濟損失及后果非常嚴重，如果不加快研究其基本規(guī)律及發(fā)展趨勢，拿出對應的工程處理方法及管理規(guī)范，那么油氣管道的安全、經(jīng)濟運行及環(huán)境保護將受到極大威脅，因此相關(guān)工作人員必須充分結(jié)合現(xiàn)場實際經(jīng)驗、試驗模擬及模型計算，掌握其動態(tài)變化，才可真正的使得油氣輸送管道的安全運行得到保障。

作者：畢百奇 單位：甘肅中石油昆侖燃氣有限公司