输油管道的沉降分析与有效防护

卜含硕，来海国，张永鑫(浙江油品储运有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

石油及石油产品在人民的生活中占据着举足轻重的社会地位[1-2]，而能够保障社会各界顺利使用石油的重点工程就是石油的运输，在石油运输过程中，管道运输起着不可替代的关键作用[3]。石油管道具有运行时间长、跨度大、管道建设总体长、运行时易出现问题等特点[4]。

近些年来，不少学者针对石油管道的管理现状以及存在的问题进行深入的分析。商莉莉、钱崑[5]从目前的石油管道的管理方法和保养以及全面的科学的管理策略和手段进行深入分析，其对维持油气田管道稳定输送具有重要意义。本文主要分析产生管道沉降的原因以及对这些原因进行系统地阐述，并提供解决方法，为以后的管道沉降抢修工作提供重要的理论依据。

1 管道沉降案例

1.1 管道沉降发生经过

2019年11月14日0时17分左右，地铁7号线机场西站-坎机风井区间盾构掘进过程中打穿位于地下20 m深的DN600中压(3 MPa)燃气管道，发生燃气泄漏引起冒浆，导致镇杭管道DN355.6开挖敷设段地面沉降开裂，镇杭管道该段埋深为1.7 m左右，最后通过开挖后检测管道沉降长度为126 m，管道最大沉降量达1.81 m。

1.2 管道最大允许沉降量计算

根据GB 50423—2013《油气输送管道穿越工程设计规范》第5.1.2条：采用弹性敷设时，穿越管段曲率半径不宜小于 1 500倍钢管外径，且不应小于1 200倍钢管外径，根据GB 50424—2015《油气输送管道穿越工程施工规范》第6.1.3条：定向钻穿越的曲率半径应符合设计要求，曲率半径不宜小于1 500 D，且不应小于1 200 D。此段所涉及成品油管线为直埋敷设，参照以上规范运行的曲率半径进行管道沉降量计算，管道允许沉降量结果如表1所示。

表1 隧道下穿石油管道允许沉降计算结果

1.3 应急处置措施

管理人员现场查看管道沉降情况，并上报省公司、政府部门，现场派专人24 h应急值守。(1)启动应急预案，同时联系抢修队伍尽快进场。(2)中石化销售公司管道处专家卜文平来到沉降处现场勘察，分析管道埋深数据对比情况，初步判断管道有可能承受侧向应力导致撕裂，建议换管处理，并提出9条安全要求，立即落实相关安全措施。(3)安排专业单位开展地质勘察、管道应力监测和沉降监测工作。(4)经专业单位监测管道两端两处突然沉降点应力最为集中，如图1所示。(5)开挖出7处焊缝，由专业单位对W2、W3焊口进行了测厚、磁粉、相控阵、超声检测。对W2、W3焊口进行了材料半定量分析检测、超声残余应力测试，合金元素符合管材L290要求。通过超声残余应力测试，认为W2、W3处管道承受侧向力矩。考虑该管道埋地敷设条件及最大残余应力的情况，经专业单位应力分析计算该段管道最大允许使用压力为1.1 MPa。(6)在落实相关安全措施的情况下、为避免机场断供风险，将沉降点运行压力控制在0.4 MPa以下。站场中控室24 h专人监控沿线阀室、进出站压力和流量的变化，每半小时记录数据。(7)现场奋战11天，24日19时17分起泵恢复输油。(8)请专业单位继续对此处管道沉降监测。

图1 管道应力集中点

1.4 管道沉降经验教训

应急处置结束后通过梳理此次管道沉降事件全过程的作业步骤、数据记录，总结应急抢修、油品保供、生产调度等经验，为今后类似的突发事件提供处置借鉴，同时也为管道管理部门在制定完善类似事件应急预案提供很好的实战经验。

2 沉降勘测

管道的沉降会产生应力集中，因而可能会导致材料屈服变形，甚至会导致管道的破裂，酿成重大的安全事故。因此准确对沉降位置以及沉降深度进行勘测具有重要意义。杨涛等[6]介绍了一种新的管道沉降勘测技术，采用磁应力检测技术能够灵活有效地对管道沉降进行快速评估，为管道的安全运输提供技术支持。但是这种技术只能为我们提供管道的应力集中状态，保障管道在完成沉降治理之前能够安全运行，不能替代管道的沉降治理工作。

3 石油管道发生沉降的原因分析

在对石油管道的铺设施工过程中许多因素都可导致石油管道沉降的发生。比较常见的因素有以下几中，管道填埋时基础较差，填埋回填土时出现不均匀沉降，以及后期的外力作用等等。管道进行填埋时，会受到管道及其配件自身的重力和运输介质的重力。同时，管道会受到管道基础对管道的支持力。除此之外，管道还会受到运输介质流动而产生的荷载力，以及回填土对管道的压力，这种力随着管道深度的改变而改变。

3.1 管道基础对管道沉降的影响

管道基础是影响管道沉降的首要因素。当管道所受到的负载力和管道自身的重力之和大于管道基础的承载力时，就会导致地基下沉，从而导致管道压缩变形，如图2所示。因为石油管道的施工地理条件不确定性较大，并且施工周期比较长，在施工期间难免会遇到雨水天气，从而导致管道基础底部积水，使得管道基础的土质变得松软，地表承载下降，后期就会导致管道沉降的发生。此外，再进行管道回填时，如果回填土的夯实强度不够或者是回填土量不够就会导致地表水下渗比较严重。长期下渗会导致管道周围土壤变得松散，管道基础的承载力下降从而引发管道沉降。

图2 管道受力分析

3.2 管道回填对管道沉降的影响

回填土的不均匀回填会引起管道基础发生改变或者是开裂，从而导致管道发生沉降。因此，回填土的夯实程度、回填量以及回填土的材质对石油管道的沉降都有着至关重要的影响。首先回填土的夯实程度越大，管道基础所具备的承载力越高，发生管道沉降的可能性就越小。其次，回填土的量越充足，夯实密度越大管道基础的承载力越大，不易发生管道沉降。最后使用防水性能较好的回填材料，能够有效的防止地表水的下渗，从而避免管道基础的沉降和变形的发生。

3.3 其他因素对管道沉降的影响

除了以上因素外，随着城市化的进程，轨道交通建设过程中也会引起石油管道的沉降。如盾构隧道[6]的开挖引起管道下沉的主要原因是盾构期间，周围土体为弥补其发生的地层损失发生地层迁移从而导致沉降。

4 针对分析结果的解决措施

4.1 加强管道自身的防护

在管道铺设过程中通过对地面管道铺设吊架与管墩用于支撑管道，从而有效降低传递到管道基础上的作用力，用于减小石油管道发生沉降的概率。如图3所示，当石油管道受到的重力(包括石油管道自身的重力和管道内石油的重力)大于地基给予的支持力后，地基就会发生沉降，而采用管墩结构后，可以减少石油管道与管道基础的接触面积。将管道受到的力分散到管墩之上从而可以显著减少管道对管道基础的压力，可以有效减少管道地基沉降问题。

图3 地基内管墩示意图

4.2 回填夯实力度的选择

在对管道基础进行夯实之前，要把管道基础内的杂物以及积水清除干净，之后对管道基础进行分层次进行回填夯实。在夯实过程中要一步接一步地进行夯实，不要有遗漏点，从而加大管道基础的夯实密度。

4.3 科学管理及施工

除了以上方法之外，后期管道的维护管理也起着重要的作用。在管道运行期间要加强对管道沉降监管工作，加强专业技能的培训工作。除此之外，在第三方作业期间要加强勘测要求，保证管道的正常运行。

4.4 管道发生沉降处置措施

(1)管道发生沉降通常是有两个或多个突然沉降点，这时应请应力监测单位，对管道沉降段进行管道应力监测，找出开始沉降点位置，在准确定位管道路由和下沉起终点的基础上，在两侧分别挖探坑检测管道受力情况，根据管道沉降深度，进一步商讨解决方案，如图4所示。(2)准确定位(含埋深)管道路由，并设立明显标志，防止误伤管道。(3)尽快测量下沉点两侧的下沉情况(一直到正常埋深点)。(4)在准确定位管道路由和下沉起终点的基础上，在两侧分别挖探坑检测管道受力情况。(5)降压运行到首站泵最低允许输量，若经营许可应尽快停输，设。(6)专人加密观察进出站压力变化和发、收油量平衡情况。(7)应急物资及抢修力量应准备充分随时待命。

图4 管道沉降示意图

5 结语

综上所述，管道沉降的影响因素有很多种，管道一旦发生事故，不但会影响石油管道的正常运输，还会导致重大的经济财产损失和人民生命安全。因此，有效避免管道沉降可以降低经济损失，保障人民的生命、财产安全，提高管道运输的稳定性和安全性。