韓桂武1 涂懷鵬2 尤偉星1 陳建新2

1.中國石油天然氣管道工程有限公司； 2.西氣東輸公司

 

摘要：以西三線某隧道內管道風險消減治理工程為背景，對導致管道發生位移的原因進行了分析，并根據現場情況制定了管道應力釋放消減風險措施。對隧道外管溝開挖、缺陷管段焊縫加強及臨時應對措施做了詳細介紹。通過建立管輸壓力和介質溫度，應力監測和變形監測等關聯關系，以及管道應力安全裕量計算，得出隧道洞口管溝開挖可一定程度釋放管道應力集中，提高整體管道的應力安全裕量的結論。

關鍵詞：油氣管道；隧道工程；應力集中；消減措施；管道監測

 

油氣長輸管道通常采用隧道方式穿越河流或山嶺地區，由于管道在狹窄空間中無法形成有效的補償，彎頭常常在隧道兩端頭形成較大的補償變形和應力集中[1]。特別對于大口徑管道，當高壓輸送、溫差較大工況下，管道在隧道洞口經常出現不同程度的變形和拱起，表現為變形和應力的無法釋放，對管道的運營安全產生一定程度的風險[2,3]。本文以西三線某山嶺隧道工程為例，提出了隧道外側洞口管道應力釋放的具體措施，并通過現場位移、應力數據的監測，探討管道安全風險消減效果，對于類似隧道穿越段管道應力風險消減工作提供了有益的借鑒。

1  工程概況

2022年8月，檢查發現西三線某隧道出入口管道各有2個支墩管卡固定螺絲拉開，管道向上拱起、懸空，并存在管道軸向位移情況。由于管道豎向變形主要集中在隧道兩洞口出入土點附近，判定存在較大的管道安全風險，隨即展開了管道應力分析和后期治理工作。

工程隧道結構形式為倒“人”字坡隧道，進洞口坡面設計坡度為﹣153‰，實長330.5 m（水平長度326.6 m）；出洞口坡面設計坡度為﹣3.8‰，實長1018.8 m（水平長度1018.8 m）。隧道水平長度1345.4 m，實際長度1349.3 m。管道設計壓力12 MPa，管徑1219 mm×22.0 mm， X80直縫埋弧焊鋼管。熱煨彎管管徑1219 mm×26.4 mm， X80直縫埋弧焊鋼管彎制，曲率半徑 R=6 D。管道在隧道內采用架空敷設方式，下方為間隔20 m設置的鋼筋混凝土墩，上方為鍍鋅鋼板管箍約束，管箍兩側分別有6M20鋼制螺栓約束，如圖 1所示。

圖 1 管道軸線位移及洞口管道懸空

2  原因分析

管道發生位移的原因有以下三點。

（1）隧道內管道采用架空敷設，受到內壓、溫差等作用，發生較大的軸向應力及變形。

（2）洞口段管道軸向變形補償能力不足，軸向變形無法釋放，導致彎管處發生豎向位移及軸向位移，進而導致管道彎管處應力增加。

（3）洞口埋地段管道覆土回填密實，進一步削弱了管道的變形能力。

根據數值計算，對管道在運營過程中可能存在的最不利工況進行了應力分析，還原了管道在役7～8年間的應力和變形情況，結果表明管道最大當量應力均大于或接近管材屈服強度。當在10.8 MPa工作壓力下管道處于較高應力水平，管道組合應力值接近管道允許極限強度，管道的應力安全裕量減小，此時失效風險增加。

3  治理措施

3.1  開挖及回填方案[4]

根據原因分析和數值計算結果，經過經濟技術比選，推薦采用隧道外管道開挖釋放應力治理措施。后期為保證管道得到自由調整的空間，采用橡膠顆粒回填。

管溝開挖回填工序為：管溝開挖→管溝檢驗合格→設置漿砌石側墻→管道焊口和防腐層檢驗合格→橡膠顆粒回填至管頂→光纜（硅芯管）下溝→橡膠顆粒回填至管頂上方0.5 m→敷設管溝鋼筋混凝土蓋板→敷設警示帶→原土石方回填（回填土壓實系數不小于0.85）至地表以上0.3 m→恢復原地貌。

隧道內管道入土端，待管溝施工完畢后，再澆筑混凝土底板。管道穿底板處應保證管道周邊留有0.5 m 空隙不澆筑底板，采用橡膠顆粒回填。

3.2  缺陷焊縫套筒加固

應力釋放過程中，對管道環焊縫進行了100%射線和100% PAUT（帶TOFD）檢驗，結果2道焊縫不合格，立即采取B型套筒加固措施，套筒采用Q345鋼材，規格為350 mm（長度）×45 mm（厚度）。

為加強套筒兩側角焊縫強度，采用30層玻璃纖維增強焊縫補強措施。常溫下放置24小時后，用巴氏硬度計（或D型邵氏硬度計）檢測膠層硬度，巴氏硬度≥40（或邵氏硬度HD≥70）為合格。

3.3  臨時應對措施

本次開挖釋放應力方案具有較高的技術難度且應力發展可控性差，為保證治理措施有效、可控、安全，采取以下臨時應對措施。

（1）開挖施工過程中，適當降低管道輸送壓力，最高不超過10.8 MPa。

（2）安排經驗豐富的技術專家組和應力分析專家現場指導， 根據前期管道應力分析結果，對洞口外土體約束解除情況下的管道位移趨勢、變形規模、應力變化趨勢及應力安全裕量做出預判，應對可能發生的不利狀況。

（3）施工過程中，在彎頭附近提前安裝管道應變監測和位移監測裝置，動態監測準確及時反映管體反應特征；根據現場情況靈活采取沙袋壓覆和固定措施，起到穩定管道變形、應力均勻釋放的效果（圖 2）。

圖 2 管道應力監測及沙袋穩管措施

（4）應力釋放完成之后，穩定和緩慢升壓，平均升壓速率控制在0.18 MPa/h，最快不超過0.50 MPa/h。

4  監測數據分析

從某種程度上說，應力釋放治理措施施工過程是根據監測數據進行的動態設計過程。本次根據監測數據分析得出如下結論[5]。

（1）開挖檢測過程中隧道兩側錨固墩未發生位移傾覆跡象，監測過程中未發現墩外側管道應力與開挖施工相關性，表明錨固墩實際限制了管道位移。

（2）圖 3為上游70#閥室輸送壓力與介質輸送溫度關系曲線，在應力釋放期間輸送壓力7.38 MPa～9.54 MPa，介質溫度29.34 ℃～34.09 ℃，兩者之間不存在正相關。

圖 3 上游閥室輸送壓力和介質溫度變動關系

（3）施工過程中，在隧道洞口彎頭上下游布置監測點。應力監測結果表明，管輸內壓對于管道應力變化影響明顯。同等壓力工況下對比，實施治理措施后管道應力水平得到一定程度的降低，應力安全裕量得以提升，如表 1所示。

表 1 管道監測斷面應力安全裕量變化情況

（4）雖然管道應力得到釋放，管道豎向和水平變形并沒有減小，尤其是當隧道底部土體約束解除之后，在下部疊加彎頭位移作用下，更加劇了管道水平位移。監測顯示，當管輸壓力從7.36 MPa升壓到9.56 MPa過程中，管段豎向位移拱起501  mm，側向位移增加51 mm，如圖 4所示。

圖 4 升壓過程中管道位移變形情況

5  結論

（1）釋放隧道外土體約束，可以一定程度釋放管道應力集中，提高應力安全裕量[6]。

（2）輸送壓力和介質溫度對管道的應力水平和變形情況有較大影響，通過管體自身協調變形均衡管段應力水平是解決問題的關鍵。

（3）檢測發現環焊縫缺陷應及時采取有效的管體加固措施，如B型套筒+復合材料補強。

（4）現場施工中做好臨時應對措施，根據管體應力水平監測結果變化情況及時采取靈活對策，保證管道在平緩且穩定狀態下完成治理。

 

參考文獻：

[1]Wang, Y.-Y., Liu, M., Zhang, F., Horsley, D., and Nanney, S., 2012, “Multitier tensile strain design models for strain-based design Part I - fundamental basis,” Proceedings of the 9th International Pipeline Conference, Calgary, Alberta, Canada, September 24-28.

[2]帥健.管線力學[M]. 科學出版社, 2010年.

[3]張杰.典型地質災害下油氣管道力學行為研究[D] .西南石油大學，2016年.

[4]中國石油天然氣管道工程有限公司[R].西三線西段兩溝隧道工程管道整改方案報告，2022年08月18日.

[5]北京科力華安地質災害監測技術有限公司[R].西氣東輸銀川分公司西三線兩溝隧道管道應力釋放應力監測總結報告(A版).2022年10月07日.

[6]Guiwu Han, Liyun Cai, Dawei Wang. Discussion on the treatment scheme of pipelines in common anchor pier [M].5th INTERNATIONAL CONFERENCE ON TRAFFIC ENGINEERING AND TRANSPORTATION SYSTEM, Sept 24–26, 2021.

作者簡介：韓桂武，工學博士，高級工程師，現從事管道應力分析及巖土工程、地下儲油庫工程設計及研究工作。聯系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。