油气管道穿河部位防护形式的演变.pdf

2 0 0 9正 第 3 期 管 道 技 术 Pi p e l i n e Te c h n i q u e 5 设 备 a n d Eq u i p me n t No ．3 油气管道穿河部位防护形式的演变 王 巨洪， 王强 ， 富望舟 ， 张玉辉， 范立丽 中国石油管道大连输油气分公司， 辽宁大连1 1 6 3 0 0 摘要 文中以东北管网为例 ， 总结分析 了油气管道穿河部位防护形式演变的过程 ， 分析 了油气管道 防护形式演变的影响因素， 如采砂石的影响 、 河流性质的影响 、 河道 内植树耕作 的影响等， 并对 管道防 护形式的现状进行了分析， 提出了目前防护形式存在的问题及解决思路。 关键词 管道； 穿河； 防护形式 ； 演变 中图分类号 T E 9 7 3 ． 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 6 1 4 2 0 0 9 0 3 0 0 4 0 0 2 Ev o l ut i o n o f t h e Pr o t e c t i v e Fo r m f o r t h e Oi l＆ Ga s Pi pe l i ne Cr o s s ． Ri v e r Lo c a t i o n WA N G J u h o n g ， WA N G Q i a n g ， F U Wa n g z h o u ， Z H A N G Y u h u i ， F A N L i ． 1 i P e t r o C h i n a P i p e li n e D a l i a n Oi l Ga s T r a n s p o r t a t i o n S u b C o mp a n y ， D a l i a n 1 1 6 3 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t B y t a k i n g t h e p i p e l i n e n e t w o r k o f n o h e a s t Ch i n a a s a n e x a mp l e ， t h i s p a p e r s u mma r i z e s a n d a n a l y s e s t h e e v o l u t i o n al p r o c e s s o f t h e p r o t e c t i v e f o r m f o r t h e o i l＆ g a s p i p e l i n e a t t h e c r o s s fi v e r s e c t i o n wi t h t h e l a p s e o f t i me ． I t als o a n a l y s e s t h e f a c t o r s ， s u c h a s t h e mi n i n g o f s a n d a n d s t o n e ， t h e p h y s i c al p mp e y o f t h e r i v e r ， t h e p l a n t i n g o f t r e e s ， a n d f a r mi n g i n t h e r i v e r c h a n n e 1 ． t h a t i mp a c t t h e e v o l u t i o n o f t h e p r o t e c t i v e f o r t h e o i l＆ g a s p i p e l i n e i n l i g h t o f t h e p r e s e n t p r o t e c t i v e for m o f t h e p i pe l i n e， p u t t i n g for w a r d t h e e x i s t i n g p r o b l e ms wi t h t h e p r o t e c t i v e f o rm a s w e l l as s o me n e w i d e as for t h e i r s o l u t i o n ． Ke y wo r d s p i p e l i n e ； c r o s s ． r i v e r s e c t i o n； p r o t e c t i v e ； e v o l u t i o n 1 穿河管道防护形式的演变 1 ． 1 管道建设初期 1 9 7 0年 一 8 0年代初 管道建成初期 ， 绝大部分穿河管道采用下埋式穿 越 ， 部分穿河段还采用石笼 、 挡土坝 墙 、 漫水桥等防 护措施 ； 随着河水的 自然冲刷 ， 一些穿河管道逐渐采 取过水路面、 挡水墙等水工保护工程 。总体来说 ， 这 一 时期穿河管道的防护主要以毛石护砌为主要结构。 1 ． 2 管道投运第2个 1 0年期 1 9 8 4年 一1 9 9 3年 随着管道周边环境 的变化 、 河道 的演变 、 河水冲 刷的加剧等 ， 穿河管道逐渐暴露出河床 ， 1 9 8 4年在铁 大线沙河穿越管道尝试采用钢管混凝土桩进行加 固。 受当时施工条件及施工技术的影响 ， 这一时期主要采 用钢管混凝土桩为主要结构的防护形式。见图 1 。 1 ． 3 管道投运第 3个 1 0年期 1 9 9 4年 ～ 2 0 0 4年 随着施工技术的成熟及施工条件的好转 ， 同时认 知了钢管混凝土桩结构的问题 ， 这一时期主要采用混 凝土灌注桩为主要结构的防护形式 。见图 2 。 1 ． 4 管道投运第 4个 1 O年期 2 0 0 5年至今 随着技术标准 的完善 ， 经济 条件 的许 可 ， 同时对 打桩固管加 固形式进一步的认知 ， 这一时期穿河管道 收稿 日期 2 0 0 8 0 8 0 6 收修 改稿 日期 2 0 0 81 2一 叭 的防护主要 以异地改线重建为主。 图1 钢管混凝土桩 图 2 混凝土灌注桩 第 3期 2 管道防护形式演变的原因 2 ． 1 采 沙石 的影 响 王 巨洪等 油气管道穿河部位防护形式的演变 4 l 在穿越管道上游河道 中采 沙一般 不会对 管道造 成大的威胁 ， 但对 于恢 复管道 的覆 盖层厚 度 十分不 利， 一但穿越处上下游采沙坑 在洪水 时贯 通 ， 则会对 管道的安全造成严重 的威胁 。在管道穿越 处下游河 道大量采沙， 降低了河床高程， 加大了河道比降， 破坏 了河道的平衡。挖 沙形 成 的沙坑 只能 由上游的来沙 填平 ， 河床将发生溯源 冲刷 ， 并迅速向上游延伸 ， 使河 床迅速下切 。采 沙造成的河床下切是很 难用 冲刷计 算确定 的。如 铁大 线 的熊 岳河 ， 原 设计最 小埋 深为 1 ． 8 6 m， 从 1 9 9 4年挖砂开始至 2 0 0 2年管线改线 ， 经历 了水工保护、 打桩固管直至改线重建的过程 。 2 ． 2 河流性质的影响 平原地区的河流河床平 缓 ， 比降较小 ， 河床土质 基本为黏土 、 亚黏土， 基本属淤积型河 流， 行 洪期雨量 虽较大， 但基本无 冲刷 ， 对管道基本无影响 ； 山丘 区河 流所流经的中上游地区 ， 坡面陡峻 ， 径流模数大 ， 汇流 时间短 ， 水流处于不饱和状态 ， 行洪期洪峰暴涨猛落 ， 持续时间短 ， 流量与水位变幅很大 ， 水流挟沙能力大 ， 河床多 由较小粒径 的砂砾石或较松散 的沙 、 土构成 ， 抗冲能力差 ， 往往 经历一次洪水 ， 河床 即发生较大 的 变形 ， 河床演变速度快 ， 对管道影响很大。 2 ． 3河道渠化的影响 随着城市化进程的加快 ， 为了城镇 防洪排涝的需 要 ， 把天然河道改造成两岸岸线平行 的渠道形式 ， 河 道渠化 的内容包括河 道取直 、 束 窄、 疏 浚 、 护 岸等 工 程 。渠化后的河道一般要比原河道窄 ， 堤防 的建设 切 断了河床与滩地的有机联系， 使洪水期的槽 蓄作用减 小 ， 河道比降变 陡， 流速加快 ， 水 流的挟沙 能力加强 ， 河床冲刷变形迅速 ， 使穿河管道裸露速度加快。加之 采沙活动的影响， 每次洪水都会使河床快速下切。 2 ． 4桩墩工程的影响 部分穿河管道位于公路 、 铁路桥 的上游或下游 ， 穿河管道位于桩墩工程的上游时， 由于桩墩和引堤 的 壅水作用 ， 穿越区流速变小 ， 泥沙开始回淤 ， 这对穿越 管道是十分有利的。而穿越管道位 于桩墩工程 的下 游时， 由于桩墩阻水作用 ， 使上下游水头差变大 ， 过桩 墩水 流流速变大 ， 冲刷 力强 ， 将对穿越管道 的安全造 成威胁 。 2 ． 5 水工保护工程的影响 管线修建的水工保护工程结 构硬度远远大 于下 游河床土壤硬度， 受河水的冲刷， 下游河床逐渐出现 下切 ， 上下游出现落差 ， 随着时间的推移 ， 落差逐渐加 大 ， 一旦水工保护工程损坏 ， 管线将 出现露管现象 。 2 ． 6 河道植树 、 耕作的影响 大部分山丘区中小型河道 尚未进行统一治理， 在 河道上盲 目地开荒种地 、 植树造林现象十分普遍 。林 木和庄稼 缩窄了河道 的正常行洪 断面 ， 使水流集 中， 加速 了河床的深切和向凹岸的冲刷。 3 管道防护形式现状分析 目前的管道防护中， 管道异地改线重建满足设计 规范要求， 不存在安全隐患。其余管道防护形式基本 可以分 为两类 一类是水工保护工程， 另一类是打桩 加固工程 包括钢管 混凝 土桩和混凝土灌注桩 。各 种防护形式的比较见表 1 。 表 1 各种防护形式 的比较 它们都是在原始铺设 管道 的基础上 ， 所进行的防 护和加 固， 在一段 时间 内， 对管道的安全运行起 到了 积极防护作用 ， 但 随着河道 的演变 ， 它们皆属 于河道 设障工程 ， 在洪水时 皆阻碍洪水 的正常下泄 ， 水流流 势和流速发生了很大变化， 使穿越处河床发生较大的 变形 ， 威胁管道的安全运行 。 3 ． 1 水工保护工程存在问题 3 ． 1 ． 1 结构尺寸不足， 结构外侧冲刷管线 水工保护工程大部分为运行管理人员 自 行设计， 缺少必要的水文资料 某些小型河流也无水文资料 支持， 导致结构尺寸不足， 抵御洪水标 下转第5 7页 第3 期 刘罡等 1 0 7 y m 3 , 油储罐网 壑 壑堡 鱼 三 4 整流器输 出电流 ，1 ． 5 I o 5 整流器输 出电压 V1 ． 5 t oR 该设计 中， 阴极保护对象为 1 0 万m 油罐 的罐底 板 ， 根据上述参数进行 阴极保护工艺计算 ， 可知需要 保护电流为 3 5 ． 1 7 A ． 2 ． 2 网状阳极阴极保护系统的建立 网状阳极外加电流保护系统 的工作原理 ， 是 阴极 保护仪将交流电转换成直流 电， 由参 比电极控制其 电 流输 出， 阴极 电缆连接在储罐上 ， 阳极 电缆连接在混 合金属氧化物阳极网系统上。工作时， 电流从阳极网 释放到砂层 中并流人储罐底板 ， 通过电缆返 回到 阴极 保护仪的负极。当储 罐罐底 的保护 电流达 到一 定密 度后 ， 罐底将停止腐蚀 。 网状阳极外加电流阴极保护主要设施包括 阴极 保护仪、 混合金属氧化物 阳极 网、 汇流点、 接线箱 、 长 效参比电阻、 阳极电缆等。 根据工艺计算 ， 选用低电压大 电流 的阴极保护设 备。随着储罐 的运行时间的增加 ， 底板下表面的涂层 将 出现老化 、 失效现象 ， 造成储罐需要 的保护 电流增 大。为保证储罐长期安全运行 ， 综合考虑 阴保仪器的 造价， 选择 7 5 A ／ 5 0 V的恒电位仪 ， 各储罐的阴极保护 已统一安装在 阴保间 内。根据库 区罐组布设和保 护 储罐所需的保护电流 ， 每个储罐配备 1台阴极保 护设 备 ， 共需要阴极保护设备 7台 5用 2备 ， 阴极保护设 备放置于该工程中新建的阴极保护间内。 网状阳极 由混合金属 氧化物 阳极带和调点 片组 成 ， 阳极带与 阳极带 间距 2 m， 导 电片与导电片间距 6 m， 阳极带与导电片垂直交叉并焊接成 阳极 网。 将 阳极 网敷设 于罐底板下 面的垫层 中。为满 足 罐基础的强度要求 ， 设计采用了在沙垫层 中混入石粉 的方式制做罐 基础垫层。考虑到 阴极保护 电流的传 导， 阴极保护设 计采用了先压 制罐基础 ， 基础成型后 再挖槽 ， 安装 阳极 ， 再回填沙的方法进行施工。 接线箱位 于罐 区防火 堤 内， 采 用防爆型接线箱 ， 带有 阳极电缆及参 比电极接线柱 。 为监测储罐罐底外壁 的阴极保护效果 ， 在储罐底 板 中心 、 底 板 中心至罐壁半径 方向、 罐周围埋设 长效 铜／ 硫酸铜参 比电极。保 护标准 为相对于饱 和铜／ 硫 酸铜参 比电极的储罐 阴极保护电位不高于 一 0 ． 8 5 V ． 3结束语 不加设阴极保护的原油储罐大修周期约为 6～ 8 年 ， 施加阴极保护措施后 ， 预计至少可以延长为 l 5年 ， 同时减少了腐蚀穿孔、 漏油的可能 ， 避免污染环境 ， 降 低 了生产成本。由工程实践可知 ， 大型 1 o 万m 罐采 用 网状 阳极 阴极保护比较容易实施 ， 并可 以得到较好 的阴极保护效果 ， 整个罐底板均被 阳极 网保护 ， 是大 型储罐阴极保护的有效方法。 上接 第4 1页 准较低 ， 行洪期洪水流量大于结构通 过流量时 ， 往往在结构外侧薄弱环节绕冲管线。 3 ． 1 ． 2 结构设计不合理 ， 使 用寿命较短 设计时， 没有充分考虑结构本身与周 围土壤硬度 的差别 ， 在下游方 向没有设置消能措施 ， 高速水 流直 接冲刷结构基础 ， 逐渐形成落差 ， 最终导致结构损坏。 3 ． 2 打桩加固工程存在的问题 3 ． 2 ． 1 钢管桩锚 固力小， 易于拔 出 东北管网钢管桩大部分采用 2 6钢管 内灌混凝 土结构 ， 受 当时施工条件及施工技术 的影响 ， 钢管 内 的混凝土落下后呈离析状态， 且未进行震捣， 所以管 内砼密实度和砼强度较低 ； 钢管与周 围土壤 的摩擦 系 数又较小 ， 在外力的作用下 ， 极易拔出。 3 ． 2 ． 2 钢筋混凝土灌注桩质量偏低 河道 中的钢筋混凝 土灌 注桩多数还是采 用常态 混凝土灌注 ， 灌注工艺落后 ， 水位控制不严 ， 砼质量难 以保证 ， 桩 身表 面露石露筋 的现象十分普遍 ， 极易出 现断桩问题。 3 ． 2 ． 3 管道阻水严重， 威胁管道安全 打桩加固工程是在原 穿河管道裸露或 即将裸露 时采取的一种管道加 固措施 ， 裸露 的管道 、 桩头、 桩身 在发洪水时极易拦挂枝柴 ， 拦 阻洪水正常下泄 ， 增大 洪水对打桩工程的浮力和托拽力 ， 同时增大管道 的侧 向受力 ， 对穿河管道的安全十分不利。 4结束语 油气管道随着 投用 时间 的推移 ， 外 界 因素的作 用 ， 穿河部位 的管线需要进行维护 ， 水 工保护工程是 结构简单、 施工便利 的一种维护方式 ， 但缺点是需经 常进行维护； 打桩加固工程是管线露出河床后采取的 一 种维护 方式 ， 但只能是一种临时措 施 ， 还需彻底 改 造 ； 异地改线重建是彻底解决安全隐患的一种维护方 式 ， 需投资较大 。 作者简 介 王 巨洪 1 9 7 O 一 ， 高级 工程师 ， 主 要从事管道 工程建设 及管 道管坪 工作