趙振飛

摘 要：以陜京管道西沙屯站為例，結(jié)合地下天然氣管道調(diào)壓前后介質(zhì)參數(shù)，通過開挖驗(yàn)證管道凍脹情況，分析管道壓力、流量、介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、土壤含水等對(duì)管道凍脹的影響。提出了處置管道凍脹的構(gòu)筑管溝填沙法、工藝流程優(yōu)化法、裝置改造降低壓差法。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了很好的效果，解決了地下天然氣管道凍脹上翹問題，消除了安全風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：管道；凍脹；檢測(cè)；解決措施

陜京管道以高壓天然氣為主，在向下游用戶輸送時(shí)，隨供氣壓力、流量不斷變化，調(diào)壓前后壓力相差較大，因焦耳—湯姆遜效應(yīng)，易使分輸天然氣溫度降至冰點(diǎn)以下，管道周邊土壤凍結(jié)，引發(fā) “凍脹”現(xiàn)象：閥門閥體離開閥座、地面開裂、管道發(fā)生變形、局部應(yīng)力集中等[1]，影響天然氣管道的安全運(yùn)行。為了解決天然氣分輸站凍脹問題，總結(jié)防凍脹措施及其特點(diǎn)，以陜京管道西沙屯站為例，分析天然氣分輸管道壓力、溫度、流量、介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、土壤含水等因素，提出解決方法。

1 原因分析

1.1 管道凍脹表現(xiàn)形式

陜京管道西沙屯站是陜京三線和陜京四線工程末站，于2013年11月建成投產(chǎn)，負(fù)責(zé)將天然氣分輸給北京市。站場(chǎng)設(shè)計(jì)管道DN1 000，設(shè)計(jì)壓力10 MPa；設(shè)計(jì)規(guī)模為150萬 m3/h，日輸量為3 600萬 m3； 6條電動(dòng)調(diào)壓支路，支路管徑DN400，單支路調(diào)壓閥輸氣能力約37萬 m3/h。 2018年冬供期間，西沙屯站出現(xiàn)出站管道上翹現(xiàn)象，設(shè)備脫離原基礎(chǔ)最高為40 mm，最小2 mm，地面出現(xiàn)上鼓、裂紋。站場(chǎng)天然氣進(jìn)站壓力為7.0～7.6 MPa，進(jìn)站溫度7.0～7.8 ℃，經(jīng)調(diào)壓閥降壓后壓力3.6～3.8 MPa，調(diào)壓后溫度﹣12～﹣8 ℃，平均壓降3.6 MPa，平均溫度下降17.4 ℃。管線因膨脹量向上舉力致使地下管線及匯管升起，出現(xiàn)地面裂紋，匯管上的管線隨之升高，雖然在彈性范圍之內(nèi)，仍威脅輸氣管網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1.2 影響管道凍脹因素

（1）介質(zhì)調(diào)壓節(jié)流效應(yīng)。為滿足下游用戶需求，將高壓天然氣經(jīng)調(diào)壓降壓為中低壓天然氣，調(diào)壓節(jié)流過程造成天然氣溫度急劇下降，有時(shí)達(dá)到零下，同時(shí)通過熱傳導(dǎo)作用攝取地下管道周邊土壤中熱量，致使調(diào)壓閥和閥后外露管線出現(xiàn)結(jié)霜，地下管道及匯管四周土壤深度凍結(jié)。西沙屯末站進(jìn)站和出站壓力值分別為8.0 MPa 、 3.8 MPa，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，壓力每下降1 MPa，溫度約下降5 ℃[2]。計(jì)算調(diào)壓前后溫度至少下降21 ℃。冬季天然氣的進(jìn)站溫度一般7 ℃左右，出站溫度可達(dá)到﹣14 ℃，極易造成冰凍 和地下管線凍脹。

（2）管道周邊土壤凍脹。實(shí)驗(yàn)資料表明: 最容易凍脹變形的細(xì)粒土是因?yàn)樵谧匀蝗葜叵戮哂行钏�功�?壤中水)，土中的水分不易自由排出，地下管道周邊過飽和的細(xì)粒土在負(fù)溫作用下，使土中的液態(tài)水變成固態(tài)的冰晶體，導(dǎo)致體積膨脹，造成土體向自由面的變形隆起[3]。處在這種凍土區(qū)域的地下管線因自重不夠，受到因土體變形隆起產(chǎn)生的凍脹力，使地下管道抬高上翹脫離基礎(chǔ)，造成管線凍脹上翹。

（3）管道輸氣量增大。統(tǒng)計(jì)近兩年西沙屯站的輸氣數(shù)據(jù)，冬季大氣量（11月15日～次年3月15日）運(yùn)行期間平均日輸氣量1 509萬 m3，約為其他時(shí)期的14倍（其他時(shí)期平均日輸氣量106萬 m3）。以冬季平均日總輸氣量1 500萬m3、一天24 h連續(xù)分輸計(jì)算，每小時(shí)輸氣量約62萬 m3，相當(dāng)于兩臺(tái)調(diào)壓支路滿負(fù)荷運(yùn)行，天然氣節(jié)流效應(yīng)影響范圍逐漸增加，低溫凍脹土壤得不到緩解，加之冬季環(huán)境溫度較低等因素，共同導(dǎo)致地下管線的凍脹上翹。

2 解決措施

2.1 構(gòu)筑管溝填沙法

先將地下易發(fā)生凍脹上翹的天然氣管線完全開挖，使其自然釋放下降；待管線、設(shè)備及匯管恢復(fù)水平后，埋地管線周邊砌筑管溝，管溝底部打30 cm三七灰土，灰土上方砌筑20 cm混凝土墊層，并在管道底部澆筑水泥基礎(chǔ)墩安裝不銹鋼可調(diào)支撐，管溝內(nèi)回填細(xì)砂、頂部安裝水泥蓋板。此法可將地下管道周邊水分隔離，同時(shí)因細(xì)砂與土壤的凍脹系數(shù)不同，對(duì)管道影響基本可以忽略，從而起到消除管道凍脹風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2.2 工藝流程優(yōu)化法

（1）間歇性輸氣法。在用支路出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象時(shí)，通過工藝流程切換、備用支路輸氣或暫停供氣等方式，消除地下天然氣管道凍脹影響。此法不足之處在于，凍脹主要以調(diào)壓管線出口地下管線為主，該處管線與出站管道相連，如發(fā)生管道凍脹，啟用備用支路仍要經(jīng)過出站管線，易加劇凍脹管道影響，如暫停供氣對(duì)下游用戶影響較大。因此，該輸氣方向有備用支路，或下游用戶有多氣源，才能采取該方法。

（2）介質(zhì)加熱法。通過加熱介質(zhì)或管道外部，提高天然氣管道溫度，在調(diào)壓節(jié)流時(shí)，不至于下降至0 ℃以下，避免形成凍脹條件。介質(zhì)加熱可采用水套爐加熱方式。管道外部加熱可通過管道加裝電伴熱及聚氨酯保溫泡沫，此措施因安裝檢修不便，適用于地上天然氣管道。

2.3 裝置改造降低壓差法

如果用戶設(shè)備硬件及需求滿足提高分輸壓力工況，可通過溝通、協(xié)商提高調(diào)壓出口壓力，減小壓降，以降低調(diào)壓節(jié)流影響，防止地下管道凍脹。如果下游用戶及站內(nèi)設(shè)備需要改造才能降低壓差，則需進(jìn)行裝置改造。

3 凍脹管線應(yīng)力檢測(cè)

測(cè)量設(shè)備：管線應(yīng)力超聲無損測(cè)試設(shè)備。

測(cè)量地點(diǎn)：西沙屯站調(diào)壓區(qū)及出站區(qū)。

測(cè)點(diǎn)分布：根據(jù)上翹管線的初步受力分析，選擇3個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)（A、 B、 C）作為測(cè)點(diǎn)，如圖 1所示。

檢測(cè)流程：①打磨處理被測(cè)區(qū)域，粗糙度小于1 μm。②在被測(cè)區(qū)域涂抹耦合劑，耦合超聲收發(fā)換能探頭，等待5～10 min直至達(dá)到穩(wěn)定耦合狀態(tài)。③設(shè)置管線在線應(yīng)力超聲測(cè)量裝置參數(shù)，選擇被測(cè)管線材料，設(shè)置測(cè)量模式，打開“溫度補(bǔ)償”功能，選擇測(cè)量頻率。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖 2所示。檢測(cè)結(jié)果如表 1所示。

測(cè)點(diǎn)A和B位于凍脹管線的地面外出段，分別受﹣244.3 MPa和﹣208.6 MPa的壓應(yīng)力，與理論分析結(jié)果一致。由于管線溫度很低，形成以管線為核心的一個(gè)近似冰凍圓柱體，管線隨冰凍體的增加出現(xiàn)上浮。冰凍體包圍的管線不僅承受擠壓力，同時(shí)也被拉長(zhǎng)。管線伸長(zhǎng)的同時(shí)上浮，地面外出段管線在地表管線和閥座的阻擋下，承受壓力。測(cè)點(diǎn)C由于離凍脹管線較遠(yuǎn)，仍受拉應(yīng)力。

管線材質(zhì)為L(zhǎng)360鋼，屈服強(qiáng)度為360 MPa。研究表明壓應(yīng)力引發(fā)疲勞裂紋或斷裂，其門檻值比拉應(yīng)力高3～4倍[4]。所以測(cè)點(diǎn)A、 B、 C均處在安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明西沙屯站地下凍脹管線處在安全狀態(tài)下。但地下管道冰凍體體積在地下溫度不變或降低的情況下，隨時(shí)間延長(zhǎng)，體積不斷增大，管線上翹還會(huì)繼續(xù)加重，必須采取消除或控制措施。處置管道凍脹的構(gòu)筑管溝填沙法、工藝流程優(yōu)化法、裝置改造降低壓差法，經(jīng)陜京管道琉璃河站、石景山站、西沙屯站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用取得了很好的效果，解決了地下天然氣管道凍脹上翹問題，為已建和新建的天然氣管道提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張海燕,齊秀芝,齊寶民, 等.土壤凍脹機(jī)理及其防治措施的論述[J].黑龍江水利科技,2001,29(1):66-68.

[2] 榮海倫,黃新,孟凡星.天然氣分輸站管道基礎(chǔ)防凍脹數(shù)值模擬研究[J].石油工程建設(shè),2017,43(5):47-50.

[3] 宋宏慶,孫野秋,王志國(guó), 等.西氣東輸分輸場(chǎng)站冰堵和凍脹問題分析與防治[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,32(5):80,23.

[4] 劉天化, 褚武揚(yáng), 肖紀(jì)美, 等. 壓應(yīng)力條件下缺口產(chǎn)生疲勞裂紋的研究[J]. 金屬學(xué)報(bào), 1984(5):84-88.

作者：趙振飛， 1988年生，助理工程師，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事天然氣長(zhǎng)輸管道的運(yùn)營(yíng)管理工作。

2019年第4期（總第47期）