新疆油气管道主要风沙灾害及其风险管理

吴锡合,寇智勇,关惠平

(1.中国石油西气东输管道公司,上海 200122;2.成都大学城乡建设学院,四川成都 610106; 3.西南石油大学建筑工程学院,四川成都 610500)

新疆油气管道主要风沙灾害及其风险管理

吴锡合1,寇智勇2,关惠平3

(1.中国石油西气东输管道公司,上海 200122;2.成都大学城乡建设学院,四川成都 610106; 3.西南石油大学建筑工程学院,四川成都 610500)

针对新疆沙漠地区天然气管道风沙灾害现状,分析了管道沙害的基本形式和致灾机理,并根据风沙流运动的基本特点,经回归推导了新疆沙漠地区不同风速、不同沙丘位置的油气管道覆土风蚀速度与气流流速的相关方程,为油气管道风沙灾害风险评估和安全管理提供了可借鉴的科学依据.

油气管道;风沙灾害;覆土风蚀速度;风险管理

0 引 言

随着我国石油天然气长输管道建设的快速发展,其安全状况必然会遭遇到各种环境及地质灾害的威胁.由于长输油气管道空间跨度大,各地域的环境及地质条件各异,从而导致管道沿线各区段间发生的各种环境及地质灾害类型及其所占比重也各不相同.风沙灾害是西气东输天然气管道新疆段的主要灾害类型之一[1-3].本文通过对西气东输管道新疆段风沙灾害的现场调研和长期观测,基本查明了新疆段管道沿线风沙灾害的现状,进而分析了各风沙灾害点发生灾害的机理,初步评价了其风险等级,为新疆段石油天然气长输管道风沙灾害风险评估和安全管理提供了科学依据.

1 工程概况

西气东输管道新疆段,西起轮台县的轮南镇,自西向东途经巴音郭楞蒙古自治州、吐鲁番地区和哈密地区3个地州的8个市县和2个团场(见图1);穿越群儿库姆沙漠北缘至库尔勒市、阿克塔格山至塔什店,然后沿博斯腾湖南部平原、沙丘地继续向东,再通过库米什盆地进入觉罗塔格山,最后穿过南湖戈壁进入甘肃境内.西气东输管道新疆段全长约为941 km,沿途地区绝大部分为荒漠、戈壁,其中近2/3为无人、无路区,夏季高温,冬季寒冷,气候干燥,风沙大,自然环境条件十分恶劣.

图1 西气东输天然气管道新疆段走向示意图

西气东输管道工程新疆段地质灾害风险评估所在区域主要位于库鲁克塔格山西端北麓——库米什谷地之间.地势西高东低,管线地势分布呈两头低,中间高.区域最高山峰的海拔高度约2 300 m,区域相对低处为博斯腾湖东岸的阿克达拉河口湖滨地区(海拔高度约1 060 m左右)及库米什谷地的喀尔江尕勒盆地(海拔高度约810 m左右).区域内所涉水系均属内陆水系,自西向东分别为：塔里木河内陆水系、托克逊乌尊布拉克区域内陆水系.区域内主要分水岭为西南天山的库鲁克塔格、克孜勒塔格、干草湖山、库米什南山.

2 管道主要风沙灾害现状及致灾机理

根据现场踏勘和实际调查结果,西气东输管道工程新疆段主要风沙灾害点共有9处,均发生在雅满苏段内,其中管道长距离风蚀裸露1处(A级风险),沙埋伴行路面8处(B级风险).

2.1 风蚀露管灾害点及致灾机理分析

图2 西气东输管道工程新疆段测789 km处风蚀地形

雅满苏段风蚀露管灾害点位于测789 km处.由于该处管道位于迎风坡面,同时又处于两座巨型沙丘之间,故气流在该处的行进过程中必然要受到两侧沙丘的挤压,形成了“漏斗”效应(见图2),从而导致通过该处的气流流速急剧增加,特别是当近地表气流运行速度达到或超过沙粒的启动速度时,沙粒开始发生滚动、跳跃乃至进入气流中,从而出现由气流演变成为风沙流的过程.而风蚀作用从形成风沙流的那一刻起变得更加剧烈,使得管道上部的沙粒不断地被风沙流输运,直至将将管道上部的沙粒全部带走,最终发生露管现象(见图3).

图3 西气东输管道工程新疆段测789 km处管道风蚀灾害(露管)

2.2 沙埋伴行路面灾害点及致灾机理分析

雅满苏段沙埋伴行路面灾害点均位于测788 km～测793 km间,其共同的特点是伴行路在穿越连绵4 km的流沙段时,或由于路面过沙停留,或由于路面本身地处丘间洼地而发生沉积,造成伴行路面大量积沙,严重影响了巡线车辆的通行效率(见图4).

图4 西气东输管道工程新疆段测789 km处沙丘间沙埋的伴行路面

从我们长期现场观察看：一种情况是,当裹挟沙粒的风沙流越过沙丘顶部行进到沙丘间地段时,加大了风沙流的过流断面,或由于背风,风沙流的动力突然被削弱,从而使行进中的沙粒从风沙流中分离出来而在其重力作用下沉积下来,造成了沙丘间沙埋管道伴行路面的风沙灾害;另一种情况是,风蚀造成沙丘顺风前移(沙粒被推移)而产生的压埋伴行路面.所不同的是后者压埋的速度要比前者快得多,特别是低矮沙丘前移造成的压埋路面.

3 管道沙害参数的估计方法

从沙粒在气流的作用下起动开始,沙粒的运动便进入跃移的运动阶段.但由于整个沙面是由不同沙粒组成的,其沙粒的性质很不规则,特别是近沙面气流具有十分复杂的湍流性质以及流速的脉动性质,造成了沙粒的运动具有很大的随机性和复杂性.

3.1 风沙流流场特征参数

通常认为,对数规律能很好地描述近沙面的气流分布特征[1],即：

式中,Ug为高度y上的气流速度(m/s),U＊为摩阻速度(cm/s),y为沿沙面高度(cm),Z0为粗糙度(cm).其中,

式中,τg为近壁面气流切应力;ρg为流体密度.假定 y与Ug之间的相互关系满足,

将式(1)与式(3)联立求解,则有

考虑到湍流效应,颗粒雷诺数 Red为[2],式中,ρg为空气密度(g/cm3),U0为气流平均流速(m/s),ds为沙粒的平均直径(mm),μg为空气粘性系数.

根据9种工况的近沙面气流流场参数[2]如表1所示.通过回归分别得到：

表1 近沙面气流流场主要参数(综合起动)[2]

3.2 风沙流沙粒浓度分布特征参数

风沙流中沙粒浓度可用沙粒数密度 ns来表征,

式中,ns为风沙流沙粒数密度(1/cm3),Ns为沙粒数量,V为风沙流体积(cm3).

虽然风速的增加可使在不同高度位置上的沙粒数量均会出现不同程度的增长,但随着高度的增加,沙粒数密度增加幅度也会越来越小,并且当风速增加到一定值后,气流中的沙粒含量会趋于稳定.

通过式(6)可以看出,随着风速提高,摩阻速度出现的位置越来越高.这说明了风速越大,沙粒飞行的高度越高,沙粒被风搬运的距离越远.这与自然现象是相符合的.

在通常情况下,当风速一定时,近沙面的风沙流中沙粒含量总是要高于远沙面风沙流中的沙粒含量.假定沙粒浓度沿高度方向呈负指数分布,则,

式中,n0为沙面表层(y=0)的沙粒数密度,y为距沙面高度,M为衰减率参数.M值的物理意义是沙粒数密度达到n0e-1时的高度位置.

根据9种工况的沙粒数密度与高度拟合综合起动公式系数(见表1),通过回归分别得到：

根据9种工况的沙粒数密度与高度拟合流体起动公式系数(见表1),通过回归分别得到：

3.3 高速风沙流输沙率的估算

输沙率是评价管道沙害风险的重要指标,也是风沙灾害地区进行管道完整性管理工作的重要技术依据之一.单宽输沙率是指风沙流在单位时间和单位宽度内的输运沙量.根据表1,通过回归可得：

式中,qs为单宽输沙颗粒数量(1/m·s).

3.4 管道覆土风蚀速度的估算

根据相关资料[3,4],我国沙漠的风成沙矿物成分主要为石英,颗粒粒径成分主要为细沙(0.1～0.25 mm),平均含量约66.78%,最高含量为99.38%,粗颗粒级和粉粒级的含量均很低,孔隙率为50%左右,干沙容重一般为1.4×104N/m3.假定敷设在迎风坡面的管道附近的气流风蚀的沙粒全部被输运,且整个坡面的风蚀强度是均匀的,沙粒平均粒径按0.175 mm计,则坡面单位时间被风沙流输运的沙粒总体积vs为,

式中,d为沙粒平均粒径(mm).

根据式(9)、(10)和表1,通过回归可得图5和式(11),且有,式中,h为单位时间单位宽度管道覆土平均风蚀速度(U0≤6.0 m/s,mm/m·h).

图5 风沙流管道覆土风蚀速度与平均流速曲线图

在风向、风速等恒定的情况下,当气流平均流速为5.0 m/s时,管道覆土风蚀速度约为1.70 mm/m·h,根据式(11)可估算出管道露管的时间约为49 d;当气流平均流速为6.0 m/s时,造成管道露管的时间约为17.6 d.

当平均流速超过6.0 m/s时,可以根据塔克拉玛干沙漠地区气象站高度风速与输沙率相关方程[4]推导的公式进行估算.

在沙丘的迎风坡面中部,当风速达到10 m/s时,管道覆土的风蚀速度约为8.41 mm/m·h,造成管道露管的时间约为9.9 d;而当风速达到15 m/s时,管道覆土的风蚀速度约为8.41 mm/m·h,造成管道露管的时间仅为1.1 d.上述计算结果均基本符合现场的实际情况.

4 结 论

通过对新疆沙漠地区油气管道沙害的基本形式和致灾机理的分析,结合风沙流运动特点和相关试验及现场观测数据,经回归推导了沙漠地区不同风速、不同沙丘位置的油气管道覆土风蚀速度与气流流速的相关方程,其试算结果均基本符合现场实际,可作为定量评价管道沙害风险和进行管道完整性管理工作的科学依据之一.

[1]戴昌晖.流体流动测量[M].北京：航空工业出版社,1991.

[2]程 旭.风沙两相流中沙粒起动规律的实验研究[D].北京：清华大学,2003.

[3]朱朝云,丁国栋,杨明远.风沙物理学[M].北京：中国林业出版社,1992.

[4]王训明,董治宝.起沙风统计和工程输沙量计算中的若干问题[J].干旱区资源与环境,2000,14(3)：41-45.

Wind-sand Disaster of Oil and G as Transfer Pipelines in Xinjiang and Its Risk Management

WU Xihe1,KOU Zhiyong2,GUAN Huiping3

(1.China Petroleum West-East Gas Transfer Pipeline Corporation,Shanghai 200122,China; 2.School of Urban and Rural Construction,Chengdu University,Chengdu 610106,China; 3.School of Architecture Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

For the actualities of wind-sand disaster of the gas transfer pipelines in Xinjiang desert area and based on the analysis of the basic characteristics of wind-sand flow movement,the basic type and mechanism of pipeline’s wind-sand disaster were summarized.Equation of correlation about the wind speed,the erosive rate of soil covering on the oil and gas transfer pipelines in different dune locations and the speed that airflow moves in the Xinjiang desert area were derived by regression,which has the important significance for the disaster’s risk evaluation and the security management of the pipelines.

oil and gas transfer pipelines;wind-sand disaster;erosive rate of soil;risk management

U45;P694;TU94

：A

1004-5422(2010)02-0159-04

2010-01-27.

吴锡合(1971—),男,高级工程师,从事油气管道运输工程研究.