沿海成品油输油站内管道应力释放的措施

舒献成

〔国家管网华东分公司甬台温管道管理处 浙江温州 325200〕

作为能源大动脉的长输管线，许多管线和场站建设在沿海地区。由于沿海地区地形地貌主要以海积平原、冲积平原、低山丘陵、滩涂为主，该地形地貌最主要的特点就是土地基础强度低，压缩性较大，多属于欠固结状态，较易发生沉降，可流塑性较大[1]。另外，沿海地区多属于经济发达地区，管线附近多有其它单位进行施工，会在管线周围堆砌大量弃土、弃渣等。结合现场地质结构特点及天气等不可控因素，部分弃土、弃渣会发生塑性变形，流至管线上方、邻侧，增加管线的流动荷载[2]。当流动荷载达到一定程度后，管线发生应力变形，因埋地管线应力自然释放量较大，导致场站内地上管线应力集中，发生变形，增加站内管线焊口、法兰处横向、纵向荷载，从而严重危害管道和设备的正常运行。

温州某长输管道站场由于站外埋地管线附近有其它单位堆砌大量弃土、弃渣，因天气原因导致弃土、弃渣流至管线上方，站外埋地管线受到横向、纵向挤压，站内管线应力集中，无法自然释放，导致站内部分管线发生偏移、站场内管线轻微拱起变形、阀门支墩悬空、放空管线倾斜等情况。为保证管线运行安全，需采取相应的措施来释放应力。

1 工程概况

该场站位于温州市瓯江入海口的三角洲——灵昆岛，站场北侧距离瓯江仅0.5 km，且站外管线两侧均为鱼塘，管线附近有某高速复线工程正在施工。站场于2017年11月建成，于2018年4月正式投产投用。工艺区管线下有管桩、筏板支撑，进站管线尺寸为Φ 406.4 mm×12.5 mm，出站管线尺寸为Φ 323.9 mm×12.5 mm，管道材质为L 415M，管道设计压力为9.5 MPa，运行压力为3.5 MPa。管道运行一年，因站外管线受到不均匀挤压，导致站内管线发生变形。

站外管线不均匀沉降、偏移，导致站内进/出站第一道球阀前管线向下弯曲，因站内球阀支墩均为固定式管托，无法移动，导致站内管线以此为基点，球阀后管线向上拱起(如图1)，说明进站管线纵向方向受到垂直向下的分力F1。

图1 进站MOV4101处主视图

从管道轴向看，进出站第一道阀门支墩一侧偏悬空，说明管道径向存在水平向右的扭力F2(如图2)。

图2 MOV4101处左视图

根据现场察看淤泥的流动方向，淤泥挤压对于地面进出站轴线推力F3(如图3)。

图3 站场进/出站管线布置图

场站内地上进/出站管线受到垂直向下的分力F1、水平向右的分力F2、沿进站油流方向的轴向力的分力F3(如图4)[3]。

图4 站内地面进站管线受力图

管道位移导致的风险分析：①阀门受力不均匀，极易导致阀门发生内漏；②站内应力继续增加，易造成垫片损坏，从而造成油品泄漏；③站外管线应力集中，易造成站外绝缘法兰处断裂；④焊缝轴向受力增大，易造成焊缝撕裂。以上任何一个隐患都会影响管线的正常运行。

2 管线应力释放施工方法

2.1 站内埋地管线降低荷载

站内进/出站埋地管线上方覆土开挖，卸载站内管道负荷，然后进行站场固定管托改造[4]。管托改造施工步骤：①在原管墩两侧增设临时管托；②将原管墩、阀墩降低200 mm；③安装可调节式管托。

2.2 降低站外管线流动荷载

因站外管线上方堆积淤泥，且流动性较大，采用机械开挖无法正常施工，故用高压冲沟工艺对管线上方覆土进行清理，以降低管线上方荷载。

2.3 固定墩增加混凝土方桩支护

站外管线固定墩检查完成后，对固定墩四周及两侧的管道打紧密的混凝土方桩(10 cm×10 cm×600 cm)进行固定，防止在管道降低流动荷载过程中固定墩产生横向位移或偏转，造成管道的损伤及变形[5]。

2.4 站外管线平衡压带更换配重块

站外管线原平衡压带被海水腐蚀，无法满足配重要求，故更换为马鞍形钢筋混凝土配重块。

2.5 管沟回填及地貌恢复

站外管线增设沉降观测点，然后将管沟两侧少量淤泥冲入管沟，覆盖管线。

站内管沟采用密度较小的珍珠岩(密度不大于80 kg/m3)和细砂进行换填，减小管线荷载。

3 应力检测及管道应力释放

3.1 管道应变监测系统

管道应变监测系统采用东华测试的DH3816N 静态应变测试分析系统，站外施工前在进/出站管线各两处共设16点，每处设上下左右4个观测点，监测管道应变的变化，应变传感器贴片布置如图1所示。该应变检测设备每秒测量一次应变，每20 min保存一组数据[6]。应力监测设备的应变测量范围±19 999 με，最高分辨率1 με。

3.2 应变检测系统数据分析

由胡克定律：

σ=Eε

式中：E为材料弹性模量，2.07×105MPa；ε为材料应变。

由胡克定律结合测得的应变值计算监测点的应力值见表1，管道工作参数见表2。

表1 施工过程中管线测量点应力 MPa

表2 成品油管道工作参数

管道设计的许用应力[σS]的计算式如下：

[σS]=FD·SMYS=298.8 MPa

式中：FD为设计系数；SMYS为屈服强度。

施工过程中，各检测点的轴向应力最大值均小于管道的许用应力，管道处于弹性变形阶段[7]。

由于站场为露天站场，管道表面温度受天气变化影响较大，且工程施工集中在白天，管道应变受多方面因素影响，应力释放数值变化不明显[8]。相对于白天，早晨的温度较为稳定，且站外无施工，影响较小，管道应力释放情况对比较直观。

管道径向初始受力可分解为水平向下的力F2和垂直管道向右的力F1，施工过程中的轴向应力如图5和图6。

图5 进站轴向应力变化1—通道18右；2—通道17下；3—通道16左；4—通道15上

图6 出站管线轴向应力变化1—通道7下；2—通道4右；3—通道6左；4—通道5上

从图5和图6可以看出，施工结束时进站管道检测点轴向应力释放最小值为7 MPa(通道16左)，最大值为41 MPa(通道18右)；出站管道检测点轴向应力释放最小值为10 MPa(通道6左)，最大值为63 MPa(通道5上，7下)。

4 总结及建议

(1)采用可调节式活动管托可以均匀的承载管道/阀门负荷，并能反映出管道应力的受力方向，可根据现场情况调节螺栓高度，减小管道、设备应力。

(2)采用DH3816N 静态应变测试分析系统，实时监测施工过程中的管道应变变化情况，施工过程中测得管道监测点的轴向应力逐渐释放情况。

(3)站外管线位置调整后，两侧增设水泥方桩(宽度100 mm)，加固两侧土质强度，减低两侧淤泥的可流塑性。

(4)站外管线上方降低流动荷载，站内内管线上方采用密度小的珍珠岩和细砂换填覆土，降低管线上方荷载。

建议：

(1)针对沿海地区的地质结构特点，增设管线应力监测设备；

(2)淤泥、滩涂地段管线回填后，管线两侧增加土质、管线加固措施，减少管线周围应力集中，产生应力变形；

(3)埋地管线易发生管线变形地段增设管线监测点；

(4)站内管托、阀托宜采用可调节式结构，从而减少应力对管线造成的影响。