改进压重效果以提高长输管道系统可靠性

唐培连，常怀民，刘艳东，任文明

中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000

改进压重效果以提高长输管道系统可靠性

唐培连，常怀民，刘艳东，任文明

中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000

长输管道系统的可靠性是由许多要素共同决定的，管道压重效果便是其中之一。总结得出了决定管道压重效果的两个核心要素——抗飘浮计算和压重形式。通过对两种抗飘浮计算理论的对比分析，得出了“抗飘浮不应全部按净水压力计算，在特殊情况下应采用动水压力计算”的结论。通过对不同压重形式优缺点进行比较，得出了“一般地层宜采用土工平衡压袋稳管，坚硬岩层宜采用混凝土连续浇注稳管”的结论。

长输管道；可靠性；压重形式；抗飘浮计算；动水压力；静水压力

长输管道工程是一个由众多环节组成的复杂系统工程，穿越段管道开挖是复杂系统工程中的薄弱一环。在已运营的管道工程中，开挖段管道被冲出（即漂管）现象时有发生。如兰成渝输油管道石亭江段穿越管道虽埋深在冲刷线下3 m多，大大超过《油气输送管道穿越工程设计规范》[1]“埋深大于1.2 m”的要求，但因管道上游后建水坝和特大洪水等原因，使D 610 mm×9.5 mm钢管（材质为X65）于2013年7月发生漂管及护岸冲毁（见图1），给管道安全运营带来很大威胁。管道漂管主要有三方面原因：其一，人为破坏（如挖沙等）；其二，设计采用的冲刷值小于河道实际冲刷值，致使管道埋深不足；其三，压重效果差。人为破坏本身可控性差，河道冲刷数据由勘察单位和防洪评价单位提供，是设计的基础条件，设计很难从上述两方面做出有效调整来提高管道系统的可靠性，因此本文，仅从压重这一角度出发论证如何通过改进压重效果来提高管道系统的可靠性。

图1　兰成渝石亭江穿越管道漂管及护岸破坏

1　管道压重效果影响因素分析

管道压重最理想的效果是管道被冲出后不发生漂管问题，可为运营单位抢修赢得时间。若压重能抵抗水压且压重与管道在水压作用下依然能紧密结合在一起，则上述预期效果是能实现的。管道压重效果主要由压重数量和压重形式决定[2]。

压重数量可解决管道运营中受到的浮力问题，通过管道抗漂浮计算确定。目前主要有两种抗漂浮计算理论，即静水压力计算理论和动水压力计算理论。通过不同理论计算可得到不同的压重量。因此不同抗漂浮计算理论直接决定了压重的数量，是决定压重效果的关键因素之一。目前压重设计数量绝大多数是通过管道静水压力抗漂浮计算确定的。

压重形式可解决管道被冲出后压重与管道紧密结合的问题，即其在水压作用下的稳定性问题。管道压重形式很多，如土工平衡袋、马鞍式、镯式、混凝土连续覆盖、混凝土连续浇注等，压重形式通常是根据地层特性及工程经验确定的。压重形式是决定管道压重效果的另一关键因素。

2　管道抗漂浮计算理论适用条件及适用性分析

2.1两种计算理论

管道压重数量是通过管道抗漂浮计算确定的，目前有两种抗漂浮计算理论[3]，即静水压力分析计算和动水压力分析计算，静水压力理论计算公式为[3]：

w≥KFs（1）

式中：w为单位长度管段总重力（包括管身结构自重、配重层重；不含管内介质重力），N/m；K为稳定安全系数，大、中型穿越工程取1.30，小型穿越工程取1.20；Fs为单位长度管段静水浮力，N/m。

动水压力理论除考虑了静水压力外，尚考虑了动水推力和动水上举力，其计算公式为：

式中：Fdy为单位长度管段动水上举力，N/m；Fdx为单位长度管段动水推力，N/m；f为管段与河床的滑动摩擦系数，根据试验或工程经验确定（无试验时，三层PE、环氧粉末涂层的管段可取0.25，其他涂层或加配重段的管段可取0.30）；Cy为浮力系数，取0.60；Cx为推力系数，取1.20；D0为管身结构（含防护、配重层）的外径；γw为穿越水域水的重度，N/m3；v为管段处设计洪水水流速度，m/s；g为重力加速度，取9.80 m/s2。

2.2两种理论适用性分析

《油气输送管道穿越工程设计规范》规定：“当管道埋深符合规范要求时，抗漂浮采用静水压力计算；当管道埋深不符合规范要求时，抗漂浮按动水压力计算”。在开挖设计中，由于管道在冲刷线下的埋深都满足规范要求，因此皆采用静水压力进行计算，最终通过浮力来确定压重的数量。这种做法符合规范要求，但忽略了一个问题，即设计时采用的冲刷数据与工程实际最大冲刷值不符。由于冲刷数据本身是一个很难准确确定的参数，虽然防洪评价或勘察单位在提供冲刷数据时适当考虑了安全余量，但面对各地如此众多的河流开挖穿越工程及复杂的外界条件，亦难免有考虑不充分的情况。因此当设计采用冲刷数据小于河道实际冲刷值时，将会导致管道埋深并不满足实际“冲刷线下一定深度”的要求，此时就应按照规范规定的按动水压力计算管道受到的浮力。若依然按静水压力计算，会导致工程安全系数降低，管道被冲出后会发生漂管现象。

2.3小结

由于设计采用的冲刷值可能比实际冲刷值小，因此全部采用静水压力进行计算是不合理的。同时考虑到动水压力计算压重增加的工程投资占整个开挖穿越的比重很小，就整个项目而言这部分增加的费用基本可忽略不计，因此笔者建议在下列情况下采用动水压力确定压重数量：

（1）当冲刷数据有误或根据经验判断冲刷数据可能与实际不符时，除一方面核实冲刷数据外，另一方面压重块的计算应考虑动水浮力。

（2）管道穿越位置可能遭人为破坏时，如附近有挖沙等情况。

（3）外界条件有可能变化时，如附近有相应的水利规划等。

（4）穿越位置附近曾发生过管道被冲出破坏等情况时。

（5）穿越位置河道冲刷情况复杂多变且经验欠缺时。

3　压重形式比选及适用性分析

3.1常见压重形式分类

管道工程中常用的压重形式有土工平衡袋压重[4]、马鞍式压重、镯式压重、混凝土连续覆盖压重、混凝土连续浇注压重等形式。

（1）土工平衡袋压重。土工压袋适用地层广泛，用于黏性土、粉土、粉细砂、角砾、圆砾等地层。由于在坚硬岩层中尖锐岩尖可能刺穿土工袋，因此应慎用或采取抗冲刺措施后使用。土工压袋能与管道紧密结合在一起，因此其在动、静水压力下皆具有良好的抗倾覆稳定性。另外，该压重方式施工简单，取材便捷，造价低。

（2）马鞍式压重。马鞍式压重是长输管道系统中最常见的压重形式，具有技术简单、施工工艺成熟的优点。但该压重形式在动水压力下抗倾覆稳定性差，容易与管道脱节，导致压重失效。另外由于单个压重块重量较大，施工中显得尤其笨重[5]。

（3）镯式压重。地层适用性广，抗倾覆能力强。压重块预制工艺较复杂，现场安装不方便，连接难度大，且螺栓会锈蚀，运营中存在压重失效风险[6]。

（4）混凝土连续覆盖压重。优点同镯式压重。其缺点为预制、施工工艺复杂，甚至需要工厂预制。

（5）混凝土连续浇注压重。通过在管道沟槽内局部或全部浇注混凝土，达到管道压重的目的，常用于基岩地段的管道压重。此方法施工较简单，由于混凝土用量较大，造价较高。

3.2压重形式优缺点分析及选型结论

各种压重形式优缺点对比分析见表1。

表1　压重形式优缺点对比

3.3压重选型结论

由于压重的稳定性对压重效果非常重要，因此在选型时应优先考虑其抗倾覆能力，即压重在各种复杂水压力条件下能与管道紧密结合从而起到压重效果的能力；其次考虑经济性，由于压重造价所占比重非常小，因此在压重形式、造价差别不大的情况下，应优先考虑施工便捷。

在综合考虑压重效果、施工难易程度及对工程造价进行对比分析后，得出如下压重选型原则：一般地层中应以土工平衡压重袋作为首选的压重形式；坚硬岩层中应以混凝土连续浇注作为首选的压重形式。

4　结束语

工程建成后可能会面临许多极端情况或外界不利因素，而在设计阶段这些问题是很难全面考虑到的，因此，在工程运营过程中出现了一些管道被冲毁的问题，一旦局部出现问题，整个长输系统即处于瘫痪状态。本文对管道压重计算理论及压重形式结合实际工程经验进行了深入分析，对提高压重效果非常有益，因此可在很大程度上减少管道被冲毁的概率，具有实际工程意义。

[1]GB 50423-2013，油气输送管道穿越工程设计规范[S].

[2]宋鹏，杨立明.压重袋在大口径管道稳管中的应用[J].油气储运，2010，29（2）：148-149，157.

[3]孙东坡.水利学[M].黄河水利出版社，2009.

[4]曾佳军，孙海鹏，师红杰，等.管道浮力平衡压袋稳管技术研究[J].石油工程建设，2012，38（2）：31-33.

[5]王毓民.混凝土加重稳管在管道穿越水域中的应用[J].天然气与石油，1999，17（1）：1-6.

[6]陈国祥，冯士明.国外长输管道稳管新技术[J].石油工程建设，2004，30（3）：8-12.

[7]候海军，李玮，胡那拉.管道配重新材料的探讨[J].内蒙古石油化工，2012（15）：59.

[8]杨智鹏.浅谈抗漂浮、稳管技术在河流穿越中的应用[J].中国高新技术企业，2012（24）：60-61.

[9]张文斌，谭家华.土工织物充填管状带的设计研究[J].中国港湾建设，2004（5）：25-29.

To Enhance L ong-distance Pipeline System Reliability by Improving Weight L oading Effect

TANG Peilian，CHANG Huaimin，LIU Yandong，REN Wenming
China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China

The reliability of the long-distance pipeline system is determined by many factors，the weight loading effect is one of them.In this paper，it is concluded that the weight loading effect is decided by two core elements-floating resistance calculation and weight loading form.Through the contrastive analysis on the two kinds of floating resistance calculation theory，it is further concluded that“Pipe floating resistance should not be calculated by hydrostatic pressure only，hydrodynamic pressure calculation should be adopted in special circumstances”.Through the comparisive study on the advantages and disadvantages of different weight loading forms，the conclusion is also obtained that“Earth balanced weight bags are fit for generalformation；but continuous concrete casting is fit for hard formation”.

long-distance pipeline；reliability；weight loading form；floating resistance calculation；hydrodynamic pressure；hydrostatic pressure

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.009

唐培连（1979-），男，山东昌乐人，工程师，2008年毕业于北京交通大学桥隧专业，硕士，现主要从事管道穿跨越设计工作。

Email：tangpeilian@cnpc.com.cn

2016-02-19；

2016-07-11