凍土地區(qū)油氣管道工程的建設(shè)
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一、凍土地區(qū)油氣管道沿線巖石（土）的凍脹、融沉問題及其應(yīng)對策略
1、凍土地區(qū)油氣管道沿線巖石（土）的凍脹、融沉問題
在一些季節(jié)性凍土區(qū)及不連續(xù)多年凍土區(qū)，油氣管道在低于圍巖土溫度情況下，將從圍巖土中吸取熱量，進(jìn)而導(dǎo)致管道周圍未凍巖土發(fā)生凍結(jié)，并且在水分補(bǔ)給的情況下致使凍結(jié)鋒面的水發(fā)生遷移或者出現(xiàn)成冰，隨著時(shí)間的不斷加長，管道周邊將出現(xiàn)越來越多凍土，進(jìn)而出現(xiàn)“凍土環(huán)”。而現(xiàn)存的主要問題包括以下兩點(diǎn)：
（1）儀器測量難度極大首先，使用非常精準(zhǔn)儀器來對溫度、壓力、膨脹進(jìn)行測量，雖然可在一定程度上測量凍脹壓力，但是對油氣管道在各個(gè)不同段的受壓情況則很難進(jìn)行預(yù)測，而水分向凍結(jié)鋒進(jìn)行遷移所產(chǎn)生的壓力就更難進(jìn)行預(yù)測，另外要想準(zhǔn)確的把握凍土的滲透率其難度很大，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所使用的水分是融化凍土及自身凍結(jié)，并且在巖土凍結(jié)或融化過程中，僅僅能夠測定一些少量水分的運(yùn)動(dòng)，通過大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，一般管道周圍巖土的凍結(jié)將持續(xù)30年左右，面對這一情況，必須是理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合才可為管道的建設(shè)提供一定的依據(jù)。另外由于各種地質(zhì)情況的復(fù)雜性，要想對各凍土區(qū)段凍土融化過程中的壓縮系數(shù)、變形系數(shù)及抗剪強(qiáng)度等進(jìn)行預(yù)測將變得不可能，另外融化沉降、融化（強(qiáng)度）弱化、融化（排水）壓實(shí)、反復(fù)凍融導(dǎo)致的過度密實(shí)化等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致水物理參數(shù)、殘余強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)發(fā)生變化，因此儀器的測量的難度就變的更大了。
（2）氣候及環(huán)境變化幅度大因?yàn)闅夂蚣碍h(huán)境的變化是動(dòng)態(tài)的，其變化過程不僅有漸變，而且包括突變，因此對其進(jìn)行有效的控制難度很大，這就導(dǎo)致凍土地區(qū)管線施工的難度進(jìn)一步增加，面對這一技術(shù)難題，很多的工程都設(shè)計(jì)了一些環(huán)境管理策略，對管道線路在運(yùn)行期間可能出現(xiàn)的一些環(huán)境及氣候因素進(jìn)行了綜合考慮。一般情況下，長輸管道工程的使用壽命可達(dá)到50年左右，而大型的油氣管道工程，如西氣東輸其預(yù)期使用壽命可達(dá)到100年，但是在溫度不高的凍土地區(qū)，年平均氣溫及一些地表的積雪均會(huì)對管線的使用年限造成極為嚴(yán)重的影響，因?yàn)楦槐囊恍﹥鐾疗鋵?dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未凍土，假設(shè)某個(gè)夏天氣候突然變暖，溫度急劇上升，活動(dòng)層就會(huì)大幅度發(fā)生改變，這將對管線造成極為嚴(yán)重的影響。
2、凍土地區(qū)油氣管道沿線巖石（土）凍脹及融沉應(yīng)對策略
凍土承載能力的弱化會(huì)導(dǎo)致管道出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，而凍結(jié)的土顆粒因?yàn)榱W(xué)強(qiáng)度導(dǎo)致凍土粘合度出現(xiàn)變化，如果溫度持續(xù)上升，則凍土的承載能力就會(huì)持續(xù)降低，如果凍土完全融化，那么水和土就會(huì)出現(xiàn)膠結(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致土層的強(qiáng)度大大下降，對管道的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。另外當(dāng)季節(jié)性融化引起冰層融化時(shí)，土層的凍脹力和凍脹量也會(huì)出現(xiàn)增加，以下為解決這些問題的一些策略：（1）對施工管道沿線的管道線路做好細(xì)致的地質(zhì)勘測，對凍土的分布進(jìn)行細(xì)致的觀察及研究，找出其中易遭受融沉及凍脹破壞的管段進(jìn)行重點(diǎn)管理。（2）定期進(jìn)行清管，及時(shí)將凹陷及變形管段進(jìn)行更換，盡量減少管道摩阻，減小輸送能耗。另外清理管線可使得管線內(nèi)壁腐蝕速度有效降低，增加管線的使用年限，并可有效減少因?yàn)楣芫€變形而導(dǎo)致的事故。（3）加強(qiáng)重點(diǎn)管線管理、監(jiān)測，對一些不穩(wěn)定型凍土管段、邊坡管段及穿越部管段等進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證管道運(yùn)行安全。
二、凍土區(qū)的管道建設(shè)方式
1、傳統(tǒng)埋地式
通常來講，傳統(tǒng)埋地式對應(yīng)的條件是基巖及排水條件良好的礫石和融土，或者根據(jù)詳細(xì)的勘測及研究分析證明融化所引起的沉降或失穩(wěn)在工程可允許范圍之內(nèi)，這里要充分考慮管道穩(wěn)定及環(huán)境破壞程度，通常來說，埋設(shè)的深度一般取決于各段管道所對應(yīng)的負(fù)載、彎曲及地形地質(zhì)實(shí)際情況。另外埋地管道在垂直及水平方向上可能出現(xiàn)應(yīng)力，因此為了確保安全性，應(yīng)該在一些特殊管道設(shè)置錨固，另外融沉及地震也會(huì)導(dǎo)致附加應(yīng)力出現(xiàn)變化，這就需要按照有關(guān)的規(guī)定（如溫度變化、內(nèi)部壓力、地震、融沉及其他）來進(jìn)行設(shè)計(jì)了。
2、地上放置式
凍土的融化可能導(dǎo)致埋地式管道出現(xiàn)過多的變形，或者基礎(chǔ)難以穩(wěn)定，面對這種情況，管道需要放置在地表，放置在地表的管道，要求放置管道支架，支架一般需要在6m以上高度，管道要求曲折延伸，可允許釋放因?yàn)闊崦浝淇s而出現(xiàn)的應(yīng)力，地上式管道要進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，以避免管道內(nèi)的油氣的溫度過低，最終符合設(shè)計(jì)溫度。
3、特殊埋設(shè)式
特殊埋設(shè)主要考慮的因素有凍土層是否穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)及安全，例如在富冰凍土、強(qiáng)烈地震帶、高陡邊坡，管道對周邊巖土的熱力侵蝕，其中包括隔熱、對流及其他一些機(jī)械制冷，在管道設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮其穩(wěn)定性，計(jì)算好對應(yīng)應(yīng)力及使用一定的安全措施。
三、結(jié)語
在進(jìn)行多年凍土地區(qū)油氣管道工程的建設(shè)過程中，相關(guān)工作人員必須要對凍脹及融沉問題做到足夠重視，當(dāng)前因?yàn)閮鐾恋貐^(qū)管道問題導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失及后果非常嚴(yán)重，如果不加快研究其基本規(guī)律及發(fā)展趨勢，拿出對應(yīng)的工程處理方法及管理規(guī)范，那么油氣管道的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及環(huán)境保護(hù)將受到極大威脅，因此相關(guān)工作人員必須充分結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)?zāi)M及模型計(jì)算，掌握其動(dòng)態(tài)變化，才可真正的使得油氣輸送管道的安全運(yùn)行得到保障。
作者：畢百奇 單位：甘肅中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?/p>
