王學軍 佟雷 王東源 崔少東 余志峰 楊建

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘  要：山區(qū)管道建設環(huán)境復雜、運行環(huán)境多變，導致管道安全風險遠大于平原管道。通過分析典型事故案例，提出坡體失穩(wěn)是目前較為突出的風險，嚴控坡體失穩(wěn)風險可以有效提升山區(qū)管道本質安全。開展了坡體段管道建設運行的國內(nèi)外對標分析，指出目前均缺少成熟的防控標準體系。提出了提升山區(qū)坡體段管道勘察、設計及監(jiān)測水平和能力的措施和方向，如加大勘察范圍和深度、綜合運用InSAR新技術等，提升坡體失穩(wěn)風險識別能力；設計階段從管材、焊接、敷設等方面提升管道應對不穩(wěn)定斜坡風險的變形能力；運行階段通過增加坡體監(jiān)測手段來提升對坡體段管道安全風險的管控能力。

關鍵詞：山區(qū)管道；本質安全；設計標準；突出風險

我國是一個多山的國家， 山區(qū)面積占全國陸地面積的三分之二，長輸油氣管道在山區(qū)建設環(huán)境復雜，主要體現(xiàn)在山區(qū)地形地貌多變、地質條件復雜、小流域氣候顯著、管道通行空間受限等方面[1-2]。近年來較為嚴重的管道事故多發(fā)生在山區(qū)，表明山區(qū)管道安全風險尚未得到有效控制。從國內(nèi)外山區(qū)管道典型事故分析入手，指出坡體失穩(wěn)是目前影響山區(qū)管道本質安全的突出風險之一，并從勘察、設計和運行監(jiān)測等方面對加強風險防控提出了措施建議。

1  山區(qū)管道面臨的突出風險

近年來國內(nèi)外發(fā)生了數(shù)起嚴重的山區(qū)管道斷管事故，對于深入了解和認識山區(qū)管道風險特征具有重要借鑒意義。

（1）馬來西亞某天然氣管道2013年建成，管道外徑為914 mm（36英寸），鋼管等級為X70，長度512 km，管道沿線通過山區(qū)坡地、茂密森林、沼澤濕地等。2014年6月發(fā)生管道環(huán)焊縫斷裂事故。為了全面調(diào)查事故、開展技術研究和現(xiàn)場修復，管道停運近2年，期間完成了管道全線地質災害調(diào)查，重新檢查所有施工期間拍攝的X射線底片，并對斷裂失效環(huán)焊縫進行了試驗分析，在完成幾百個焊口修復后，于2016年恢復通氣。2018年1月該管道再次發(fā)生環(huán)焊縫破裂事故。該案例表明，在坡體失穩(wěn)或者蠕滑條件下，管道承受巨大的復雜載荷，焊接質量是保證管道承載能力的關鍵。

（2）國內(nèi)晴隆縣某天然氣管道管徑1016 mm,設計壓力10 MPa，鋼管等級為X80，2013年建成投產(chǎn)。2017年7月2日發(fā)生泄漏引發(fā)燃燒爆炸，事故分析認為，由于持續(xù)降雨與公路旁棄土共同作用引發(fā)邊坡側滑，擠斷邊坡中敷設的天然氣管道，邊坡滑動情況如圖 1所示。2018年6月10日，事故管道附近再次發(fā)生斷管事故，經(jīng)調(diào)查，環(huán)焊縫脆性斷裂是導致事故發(fā)生的直接原因，坡腳土體飽和蠕滑，發(fā)生顯著偏移，管道受到附加荷載，加上施工殘余應力及運行波動壓力是事故的間接原因。

（3）國內(nèi)南丹縣某成品油管道時隔兩年在同一區(qū)域發(fā)生兩次破裂漏油事故，事故地點位于山區(qū)某長距離緩坡地帶，在新建高速公路路基棄渣和軟弱下臥層地質共同作用下，管道沿線坡體向下緩慢蠕滑造成事故發(fā)生。公路路基邊坡如圖 2所示。

（4）國內(nèi)沁水縣某輸氣管道管徑610 mm，設計壓力6.3 MPa，2009年建成投產(chǎn)，2011年9月30日發(fā)生斷裂事故，泄漏點距焊口40 mm左右。分析認為事故直接原因是管道受擠壓嚴重變形，鋼管本體被撕裂泄漏。間接原因是泄漏點附近為新修的中木亭連接公路及邊坡，公路近20 m路基為回填土，坡體滑塌引發(fā)坡底附近土體凸起及管道破裂。

上述案例表明坡體失穩(wěn)是目前山區(qū)管道面臨的較為突出風險之一。坡體失穩(wěn)一般需要具備三種條件：一是存在地形起伏（陡坡或長距離緩坡）；二是存在特定地質（碳質泥巖、回填素土、破碎巖體、薄弱構造等）；三是存在環(huán)境條件變化（例如第三方建設活動、填土、暴雨、洪水等）。山區(qū)地形、地質、氣候條件再加上受限空間的人為活動，為坡體失穩(wěn)提供了所有條件。

2  國內(nèi)外標準規(guī)范的相關規(guī)定

目前我國油氣管道工程設計、施工、運行等相關標準體系較為完整，對山區(qū)管道均規(guī)定了相關的技術條款。如GB 50253―2014《輸油管道工程設計規(guī)范》和GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》對滑坡等地質災害首先要求避讓，對于避讓不開的，提出需要采取相應防護措施，但規(guī)范中并沒有規(guī)定具體防護措施，對于采取的防護措施是否充分也未給出具體指南。GB/T 50568―2019《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》對滑坡等不良地質勘察提出了明確要求，以往管道項目勘察主要執(zhí)行此規(guī)范，而規(guī)范中重點關注滑坡，未包括不穩(wěn)定斜坡。CDP-G-OGP-PL-096《油氣管道工程地質災害防治技術規(guī)定》對通過地質災害地段的通行原則進行了規(guī)定，包括定性措施要求等，規(guī)范在失穩(wěn)工況分析中考慮了地震和暴雨工況，未明確第三方加載工況。CDP-G-OGP-PL-073《油氣管道工程線路技術規(guī)定》對山區(qū)選線進行了原則性規(guī)定，如選擇地形相對完整地段通過，避讓地災地段，建議沿山脊敷設，采用山體隧道敷設等，對于必須穿越不穩(wěn)定斜坡地段風險應對，規(guī)范未做規(guī)定。SY/T 6828―2017《管道地質災害風險管理技術規(guī)范》推薦了地質災害風險半定量和定量評價方法，為評估不同方案相對風險高低提供了方法，但對如何降低坡體段管道通行風險，如何評估最大軸向應變，未給出具體針對性建議。

歐美國家同樣有完整的標準規(guī)范體系。加拿大CSA Z662《油氣管道系統(tǒng)》在應力設計中重點關注了內(nèi)壓、溫差、重力等荷載，對于其他載荷，例如地震、滑坡、斷層、地災、融沉、凍脹等，要求由設計者確定是否需要考慮以及如何考慮。美國最新版的ASME B31.8《氣體輸送和分配管道系統(tǒng)》標準規(guī)定，當管道必須通過地質災害點時，包括不穩(wěn)定斜坡，或者其他可能引起嚴重位移荷載或非常規(guī)載荷情況，管道應采取合理預防措施，包括增加壁厚、結構護岸、防沖刷、錨固等。俄羅斯規(guī)范GOST R 55989《Trunk gas pipelines Design standard》規(guī)定在山區(qū)和地形急劇起伏地區(qū)，應當避開不穩(wěn)定的陡坡地區(qū)，將管道敷設于水淹地帶以外的河谷地區(qū)，或沿分水嶺敷設。橫坡段應避讓滑坡區(qū)域敷設。當滑動層厚度較小時，管道應埋設在潛在滑移面以下等。

綜上所述，國內(nèi)外標準規(guī)范是成熟經(jīng)驗的總結，重點是對工程建設提出基本要求，對于常規(guī)環(huán)境條件有較詳細及足夠的指導，而對于特殊環(huán)境條件大多只有指導性意見。山區(qū)坡體段管道尚未形成公認成熟的標準體系。

3   勘察識別方面提升

工程勘察是對管道沿線地形、地質、水文條件的勘察，包括沿線地質災害地段的識別與評估。對于山區(qū)管道，識別沿線所有可能的坡體失穩(wěn)風險點，是后續(xù)管道設計采取針對性措施的基礎，是合理應對山區(qū)管道突出風險的前提。

在發(fā)生坡體失穩(wěn)的管道事故中，多數(shù)并非發(fā)生在既有滑坡附近，而是發(fā)生在不穩(wěn)定斜坡地段。前者已經(jīng)發(fā)生過滑塌，現(xiàn)場地貌特征明顯，通過滑坡勘察，可以判斷滑動的年代以及是否可能再次發(fā)生滑塌，進而判定目前是否處于穩(wěn)定狀態(tài)；后者是尚未發(fā)生過滑塌的斜坡地段，屬于潛在的滑坡地段，相對于滑坡現(xiàn)場地貌特征不明顯。山區(qū)管道沿線經(jīng)過大量斜坡，其穩(wěn)定性需要考慮地形、地質、環(huán)境等條件，其中環(huán)境條件具有很強隨機性，給坡體失穩(wěn)風險段的識別及評估等勘察工作造成很大難度。

為了提高坡體失穩(wěn)風險段的檢出率，除按照規(guī)范對滑坡進行勘察外，建議對沿線所有可能的不穩(wěn)定斜坡進行勘察，并判斷其穩(wěn)定性，提高勘察廣度。同時在不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性分析中，建議考慮增加存在第三方加載工況分析，加大勘察深度。盡管這可能導致勘察工作量大幅增加，但可以對沿線不穩(wěn)定斜坡進行全方位排查，提前識別出某些潛在的風險點（包括坡體蠕動）。

除了上述常規(guī)手段外，有條件時建議利用遙感、無人機和地面調(diào)查相結合的方式，即天、空、地一體化多層次綜合勘察技術。嘗試采用合成孔徑雷達干涉測量技術（InSAR）對管道沿線地表形變進行監(jiān)測，篩選形變區(qū)域，識別沿線災害隱患位置，再結合現(xiàn)場地面調(diào)查，基于綜合數(shù)據(jù)提升山區(qū)坡體隱患識別能力。

4  設計應對方面提升

對于勘察中識別和評估為較大風險的地段，設計中會采取針對性安全措施，這在絕大多數(shù)工程中能夠起到有效防控作用。然而管道在復雜的運行環(huán)境中，某些影響因素仍可能致使風險事故發(fā)生，這就要考慮在設計中提升管道適應該風險狀況的能力。

坡體失穩(wěn)發(fā)生時，對管道最主要的作用是附加土體位移載荷。該載荷的大小由坡體失穩(wěn)的形態(tài)決定。目前設計規(guī)范規(guī)定考慮內(nèi)壓、溫差、重力等載荷作用下，軸向和當量應力都不應超過屈服強度的0.9倍。當考慮附加土體位移荷載時，軸向應力往往都會超出這個準則。以某外徑559 mm、壁厚11.1 mm、X65管道為例，通過滑坡體長度超過6 m，其軸向應力就會超過0.9倍的屈服強度（注：此處按直管考慮，未考慮存在彎管的情況）。

不穩(wěn)定斜坡風險形成的位移載荷具有自限性，類似的載荷為穿越斷層的位移載荷，但與穿越斷層不同的是，坡體失穩(wěn)發(fā)生的位置及形態(tài)更具不確定性。借鑒穿越活動斷層段管道設計經(jīng)驗，通過一系列技術措施可提高管道承受附加土體位移載荷的能力。在山區(qū)管道沿線不穩(wěn)定斜坡風險較高地段，可改變管道設計準則，以應變?yōu)闇蕜t來增強相應風險承載能力。以上述外徑559 mm管道為例，在考慮附加技術措施后管道允許應變能力可以達到1%，管道承載土體位移變形能力可得到較大改觀。通過滑坡體的安全長度從6 m增至35 m，如圖 3所示，有效提高了管道在該類風險發(fā)生時的承載能力，可為后續(xù)應對或應急贏得時間。

附加技術措施根本目的是提升管道軸向應變能力，因為管道承受土體位移載荷的能力主要依賴于管道的軸向應變能力，當管道軸向應變能力足夠時，在土體位移載荷下，管道可適應土體變形，而保證管道結構完整性（即不破裂）。美國ASME規(guī)范中有應變設計準則，但是沒有具體的指導標準。國標輸氣/輸油管道設計規(guī)范中，尚未明確推薦可采用基于應變設計方法。SY/T 7403―2018《油氣輸送管道應變設計規(guī)范》有應變設計的具體做法，在附加技術措施上主要包括增加鋼管縱向拉伸性能測試，保證管道縱向具備較理想延展能力；限制縱向強度的波動范圍，保證環(huán)焊縫超強匹配，確保環(huán)焊縫不成為承載過程中的薄弱環(huán)節(jié)；控制熱涂敷對鋼管拉伸性能的影響，例如屈服強度與屈強比升高等。SY/T 7403―2018對坡體段的管道敷設沒有規(guī)定，具體需要考慮斜坡失穩(wěn)形態(tài)的不確定性，進行大量模擬分析，分析不同敷設和布置因素的影響，經(jīng)綜合分析后給出推薦的敷設方案，包括埋深、回填要求等。

5  運行監(jiān)測方面提升

對于山區(qū)管道面臨的突出風險，還需要考慮運行監(jiān)測措施。通過監(jiān)測可及時發(fā)現(xiàn)坡體位移，以便采取相應的應急措施，防止風險事件發(fā)生，最終實現(xiàn)山區(qū)管道本質安全提升。 

目前常用的監(jiān)測預警技術中，多用于局部管段或地質災害體的非連續(xù)重點監(jiān)測，一般監(jiān)測精度較高，部分監(jiān)測為相關物理量監(jiān)測，其中分布式光纖（COTDR）振動監(jiān)測可用于沿線大范圍連續(xù)監(jiān)測，但重點是監(jiān)測周邊震動，不能用于沿線的土體位移監(jiān)測。

布里淵傳感技術是分布式光纖傳感技術的一種，它是隨著光時域反射技術發(fā)展起來的，不僅具有一般光纖傳感器的優(yōu)點，而且可以在沿光纖路徑上同時得到被測量信息在時間和空間上的分布，如圖 4所示。該傳感技術最大的優(yōu)勢在于光纖既是傳感元件又是傳輸媒介。布里淵傳感技術與傳統(tǒng)監(jiān)測技術相比有其特點，首先，可實現(xiàn)長距離連續(xù)（實時/大范圍）監(jiān)測，為及時發(fā)現(xiàn)管道沿線可能的土體位移風險跡象提供可能；其次，盡管監(jiān)測精度不及一些傳統(tǒng)監(jiān)測技術，但可滿足山區(qū)管道面臨不穩(wěn)定斜坡土體位移風險監(jiān)測，與全線高精度監(jiān)測的成本相比，費用相對低廉；最后，該監(jiān)測技術以應變光纖為傳感器，耐候性強，適合于運行期的長期監(jiān)測。建議在山區(qū)管道不穩(wěn)定坡體地段采用這種監(jiān)測技術。

InSAR技術在勘察階段可以用于管道沿線大范圍地表變形篩查，同時也可以在運行期間用于管道沿線相應風險監(jiān)測，該技術雖然屬于定期監(jiān)測，不屬于實時監(jiān)測，但其監(jiān)測范圍可以擴展至管道周邊范圍，為管道周圍坡體失穩(wěn)跡象的監(jiān)測提供手段，在山區(qū)管道沿線也可考慮采用這種監(jiān)測技術。

6  結論與建議

（1）相對于平原地區(qū)的管道，山區(qū)管道復雜的環(huán)境條件，決定了其具有較高的風險，其中坡體失穩(wěn)是山區(qū)管道較為突出的風險。目前國內(nèi)外對于防控山區(qū)坡體失穩(wěn)段管道的風險尚未形成具體、公認、成熟的標準規(guī)范體系。

（2）山區(qū)坡體段管道風險應通過設置多道防線進行防控，勘察風險識別、設計風險應對、運行風險監(jiān)測為三道有效防線。此外，建設質量控制也是一道重要的防線，限于篇幅不再展開討論。

（3）除了坡體失穩(wěn)風險外，山區(qū)管道仍面臨諸多其他安全風險，需要關注和應對，例如山區(qū)管道穿越溝谷面臨山洪沖刷風險等，盡管這類風險相對于坡體失穩(wěn)風險來說，影響程度較低，但不容忽視。

 

參考文獻：

[1] 羅志強，夏敏，敖波.山區(qū)天然氣管道地質災害防治工作思考[J].石化技術，2020，27(1)：132-134.

[2] 王春華.試論長輸管道山區(qū)特殊地形的施工要點[J].工程建設與設計，2018(5)：211-212，215.

 

作者簡介：王學軍，中國石油天然氣管道工程有限公司（原管道設計院）總經(jīng)理、黨委副書記，教授級高級工程師，管道局技術專家，世界燃氣聯(lián)盟（IGU）輸氣委員會專家。1997年7月重慶建筑大學城市燃氣工程專業(yè)畢業(yè)，2009年1月獲中國石油大學（北京）石油天然氣工程碩士學位。長期從事石油天然氣長輸管道設計與管理工作。