王學(xué)軍 佟雷 王東源 崔少東 余志峰 楊建

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘  要：山區(qū)管道建設(shè)環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境多變，導(dǎo)致管道安全風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于平原管道。通過分析典型事故案例，提出坡體失穩(wěn)是目前較為突出的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)控坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)可以有效提升山區(qū)管道本質(zhì)安全。開展了坡體段管道建設(shè)運(yùn)行的國內(nèi)外對標(biāo)分析，指出目前均缺少成熟的防控標(biāo)準(zhǔn)體系。提出了提升山區(qū)坡體段管道勘察、設(shè)計(jì)及監(jiān)測水平和能力的措施和方向，如加大勘察范圍和深度、綜合運(yùn)用InSAR新技術(shù)等，提升坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)識別能力；設(shè)計(jì)階段從管材、焊接、敷設(shè)等方面提升管道應(yīng)對不穩(wěn)定斜坡風(fēng)險(xiǎn)的變形能力；運(yùn)行階段通過增加坡體監(jiān)測手段來提升對坡體段管道安全風(fēng)險(xiǎn)的管控能力。

關(guān)鍵詞：山區(qū)管道；本質(zhì)安全；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；突出風(fēng)險(xiǎn)

我國是一個多山的國家， 山區(qū)面積占全國陸地面積的三分之二，長輸油氣管道在山區(qū)建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，主要體現(xiàn)在山區(qū)地形地貌多變、地質(zhì)條件復(fù)雜、小流域氣候顯著、管道通行空間受限等方面[1-2]。近年來較為嚴(yán)重的管道事故多發(fā)生在山區(qū)，表明山區(qū)管道安全風(fēng)險(xiǎn)尚未得到有效控制。從國內(nèi)外山區(qū)管道典型事故分析入手，指出坡體失穩(wěn)是目前影響山區(qū)管道本質(zhì)安全的突出風(fēng)險(xiǎn)之一，并從勘察、設(shè)計(jì)和運(yùn)行監(jiān)測等方面對加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防控提出了措施建議。

1  山區(qū)管道面臨的突出風(fēng)險(xiǎn)

近年來國內(nèi)外發(fā)生了數(shù)起嚴(yán)重的山區(qū)管道斷管事故，對于深入了解和認(rèn)識山區(qū)管道風(fēng)險(xiǎn)特征具有重要借鑒意義。

（1）馬來西亞某天然氣管道2013年建成，管道外徑為914 mm（36英寸），鋼管等級為X70，長度512 km，管道沿線通過山區(qū)坡地、茂密森林、沼澤濕地等。2014年6月發(fā)生管道環(huán)焊縫斷裂事故。為了全面調(diào)查事故、開展技術(shù)研究和現(xiàn)場修復(fù)，管道停運(yùn)近2年，期間完成了管道全線地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，重新檢查所有施工期間拍攝的X射線底片，并對斷裂失效環(huán)焊縫進(jìn)行了試驗(yàn)分析，在完成幾百個焊口修復(fù)后，于2016年恢復(fù)通氣。2018年1月該管道再次發(fā)生環(huán)焊縫破裂事故。該案例表明，在坡體失穩(wěn)或者蠕滑條件下，管道承受巨大的復(fù)雜載荷，焊接質(zhì)量是保證管道承載能力的關(guān)鍵。

（2）國內(nèi)晴隆縣某天然氣管道管徑1016 mm,設(shè)計(jì)壓力10 MPa，鋼管等級為X80，2013年建成投產(chǎn)。2017年7月2日發(fā)生泄漏引發(fā)燃燒爆炸，事故分析認(rèn)為，由于持續(xù)降雨與公路旁棄土共同作用引發(fā)邊坡側(cè)滑，擠斷邊坡中敷設(shè)的天然氣管道，邊坡滑動情況如圖 1所示。2018年6月10日，事故管道附近再次發(fā)生斷管事故，經(jīng)調(diào)查，環(huán)焊縫脆性斷裂是導(dǎo)致事故發(fā)生的直接原因，坡腳土體飽和蠕滑，發(fā)生顯著偏移，管道受到附加荷載，加上施工殘余應(yīng)力及運(yùn)行波動壓力是事故的間接原因。

（3）國內(nèi)南丹縣某成品油管道時(shí)隔兩年在同一區(qū)域發(fā)生兩次破裂漏油事故，事故地點(diǎn)位于山區(qū)某長距離緩坡地帶，在新建高速公路路基棄渣和軟弱下臥層地質(zhì)共同作用下，管道沿線坡體向下緩慢蠕滑造成事故發(fā)生。公路路基邊坡如圖 2所示。

（4）國內(nèi)沁水縣某輸氣管道管徑610 mm，設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa，2009年建成投產(chǎn)，2011年9月30日發(fā)生斷裂事故，泄漏點(diǎn)距焊口40 mm左右。分析認(rèn)為事故直接原因是管道受擠壓嚴(yán)重變形，鋼管本體被撕裂泄漏。間接原因是泄漏點(diǎn)附近為新修的中木亭連接公路及邊坡，公路近20 m路基為回填土，坡體滑塌引發(fā)坡底附近土體凸起及管道破裂。

上述案例表明坡體失穩(wěn)是目前山區(qū)管道面臨的較為突出風(fēng)險(xiǎn)之一。坡體失穩(wěn)一般需要具備三種條件：一是存在地形起伏（陡坡或長距離緩坡）；二是存在特定地質(zhì)（碳質(zhì)泥巖、回填素土、破碎巖體、薄弱構(gòu)造等）；三是存在環(huán)境條件變化（例如第三方建設(shè)活動、填土、暴雨、洪水等）。山區(qū)地形、地質(zhì)、氣候條件再加上受限空間的人為活動，為坡體失穩(wěn)提供了所有條件。

2  國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定

目前我國油氣管道工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系較為完整，對山區(qū)管道均規(guī)定了相關(guān)的技術(shù)條款。如GB 50253―2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50251―2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害首先要求避讓，對于避讓不開的，提出需要采取相應(yīng)防護(hù)措施，但規(guī)范中并沒有規(guī)定具體防護(hù)措施，對于采取的防護(hù)措施是否充分也未給出具體指南。GB/T 50568―2019《油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范》對滑坡等不良地質(zhì)勘察提出了明確要求，以往管道項(xiàng)目勘察主要執(zhí)行此規(guī)范，而規(guī)范中重點(diǎn)關(guān)注滑坡，未包括不穩(wěn)定斜坡。CDP-G-OGP-PL-096《油氣管道工程地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)規(guī)定》對通過地質(zhì)災(zāi)害地段的通行原則進(jìn)行了規(guī)定，包括定性措施要求等，規(guī)范在失穩(wěn)工況分析中考慮了地震和暴雨工況，未明確第三方加載工況。CDP-G-OGP-PL-073《油氣管道工程線路技術(shù)規(guī)定》對山區(qū)選線進(jìn)行了原則性規(guī)定，如選擇地形相對完整地段通過，避讓地災(zāi)地段，建議沿山脊敷設(shè)，采用山體隧道敷設(shè)等，對于必須穿越不穩(wěn)定斜坡地段風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對，規(guī)范未做規(guī)定。SY/T 6828―2017《管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》推薦了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)半定量和定量評價(jià)方法，為評估不同方案相對風(fēng)險(xiǎn)高低提供了方法，但對如何降低坡體段管道通行風(fēng)險(xiǎn)，如何評估最大軸向應(yīng)變，未給出具體針對性建議。

歐美國家同樣有完整的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。加拿大CSA Z662《油氣管道系統(tǒng)》在應(yīng)力設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注了內(nèi)壓、溫差、重力等荷載，對于其他載荷，例如地震、滑坡、斷層、地災(zāi)、融沉、凍脹等，要求由設(shè)計(jì)者確定是否需要考慮以及如何考慮。美國最新版的ASME B31.8《氣體輸送和分配管道系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)管道必須通過地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)時(shí)，包括不穩(wěn)定斜坡，或者其他可能引起嚴(yán)重位移荷載或非常規(guī)載荷情況，管道應(yīng)采取合理預(yù)防措施，包括增加壁厚、結(jié)構(gòu)護(hù)岸、防沖刷、錨固等。俄羅斯規(guī)范GOST R 55989《Trunk gas pipelines Design standard》規(guī)定在山區(qū)和地形急劇起伏地區(qū)，應(yīng)當(dāng)避開不穩(wěn)定的陡坡地區(qū)，將管道敷設(shè)于水淹地帶以外的河谷地區(qū)，或沿分水嶺敷設(shè)。橫坡段應(yīng)避讓滑坡區(qū)域敷設(shè)。當(dāng)滑動層厚度較小時(shí)，管道應(yīng)埋設(shè)在潛在滑移面以下等。

綜上所述，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是成熟經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，重點(diǎn)是對工程建設(shè)提出基本要求，對于常規(guī)環(huán)境條件有較詳細(xì)及足夠的指導(dǎo)，而對于特殊環(huán)境條件大多只有指導(dǎo)性意見。山區(qū)坡體段管道尚未形成公認(rèn)成熟的標(biāo)準(zhǔn)體系。

3   勘察識別方面提升

工程勘察是對管道沿線地形、地質(zhì)、水文條件的勘察，包括沿線地質(zhì)災(zāi)害地段的識別與評估。對于山區(qū)管道，識別沿線所有可能的坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，是后續(xù)管道設(shè)計(jì)采取針對性措施的基礎(chǔ)，是合理應(yīng)對山區(qū)管道突出風(fēng)險(xiǎn)的前提。

在發(fā)生坡體失穩(wěn)的管道事故中，多數(shù)并非發(fā)生在既有滑坡附近，而是發(fā)生在不穩(wěn)定斜坡地段。前者已經(jīng)發(fā)生過滑塌，現(xiàn)場地貌特征明顯，通過滑坡勘察，可以判斷滑動的年代以及是否可能再次發(fā)生滑塌，進(jìn)而判定目前是否處于穩(wěn)定狀態(tài)；后者是尚未發(fā)生過滑塌的斜坡地段，屬于潛在的滑坡地段，相對于滑坡現(xiàn)場地貌特征不明顯。山區(qū)管道沿線經(jīng)過大量斜坡，其穩(wěn)定性需要考慮地形、地質(zhì)、環(huán)境等條件，其中環(huán)境條件具有很強(qiáng)隨機(jī)性，給坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)段的識別及評估等勘察工作造成很大難度。

為了提高坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)段的檢出率，除按照規(guī)范對滑坡進(jìn)行勘察外，建議對沿線所有可能的不穩(wěn)定斜坡進(jìn)行勘察，并判斷其穩(wěn)定性，提高勘察廣度。同時(shí)在不穩(wěn)定斜坡穩(wěn)定性分析中，建議考慮增加存在第三方加載工況分析，加大勘察深度。盡管這可能導(dǎo)致勘察工作量大幅增加，但可以對沿線不穩(wěn)定斜坡進(jìn)行全方位排查，提前識別出某些潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（包括坡體蠕動）。

除了上述常規(guī)手段外，有條件時(shí)建議利用遙感、無人機(jī)和地面調(diào)查相結(jié)合的方式，即天、空、地一體化多層次綜合勘察技術(shù)。嘗試采用合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)（InSAR）對管道沿線地表形變進(jìn)行監(jiān)測，篩選形變區(qū)域，識別沿線災(zāi)害隱患位置，再結(jié)合現(xiàn)場地面調(diào)查，基于綜合數(shù)據(jù)提升山區(qū)坡體隱患識別能力。

4  設(shè)計(jì)應(yīng)對方面提升

對于勘察中識別和評估為較大風(fēng)險(xiǎn)的地段，設(shè)計(jì)中會采取針對性安全措施，這在絕大多數(shù)工程中能夠起到有效防控作用。然而管道在復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中，某些影響因素仍可能致使風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生，這就要考慮在設(shè)計(jì)中提升管道適應(yīng)該風(fēng)險(xiǎn)狀況的能力。

坡體失穩(wěn)發(fā)生時(shí)，對管道最主要的作用是附加土體位移載荷。該載荷的大小由坡體失穩(wěn)的形態(tài)決定。目前設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定考慮內(nèi)壓、溫差、重力等載荷作用下，軸向和當(dāng)量應(yīng)力都不應(yīng)超過屈服強(qiáng)度的0.9倍。當(dāng)考慮附加土體位移荷載時(shí)，軸向應(yīng)力往往都會超出這個準(zhǔn)則。以某外徑559 mm、壁厚11.1 mm、X65管道為例，通過滑坡體長度超過6 m，其軸向應(yīng)力就會超過0.9倍的屈服強(qiáng)度（注：此處按直管考慮，未考慮存在彎管的情況）。

不穩(wěn)定斜坡風(fēng)險(xiǎn)形成的位移載荷具有自限性，類似的載荷為穿越斷層的位移載荷，但與穿越斷層不同的是，坡體失穩(wěn)發(fā)生的位置及形態(tài)更具不確定性。借鑒穿越活動斷層段管道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過一系列技術(shù)措施可提高管道承受附加土體位移載荷的能力。在山區(qū)管道沿線不穩(wěn)定斜坡風(fēng)險(xiǎn)較高地段，可改變管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)則來增強(qiáng)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)承載能力。以上述外徑559 mm管道為例，在考慮附加技術(shù)措施后管道允許應(yīng)變能力可以達(dá)到1%，管道承載土體位移變形能力可得到較大改觀。通過滑坡體的安全長度從6 m增至35 m，如圖 3所示，有效提高了管道在該類風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)的承載能力，可為后續(xù)應(yīng)對或應(yīng)急贏得時(shí)間。

附加技術(shù)措施根本目的是提升管道軸向應(yīng)變能力，因?yàn)楣艿莱惺芡馏w位移載荷的能力主要依賴于管道的軸向應(yīng)變能力，當(dāng)管道軸向應(yīng)變能力足夠時(shí)，在土體位移載荷下，管道可適應(yīng)土體變形，而保證管道結(jié)構(gòu)完整性（即不破裂）。美國ASME規(guī)范中有應(yīng)變設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但是沒有具體的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。國標(biāo)輸氣/輸油管道設(shè)計(jì)規(guī)范中，尚未明確推薦可采用基于應(yīng)變設(shè)計(jì)方法。SY/T 7403―2018《油氣輸送管道應(yīng)變設(shè)計(jì)規(guī)范》有應(yīng)變設(shè)計(jì)的具體做法，在附加技術(shù)措施上主要包括增加鋼管縱向拉伸性能測試，保證管道縱向具備較理想延展能力；限制縱向強(qiáng)度的波動范圍，保證環(huán)焊縫超強(qiáng)匹配，確保環(huán)焊縫不成為承載過程中的薄弱環(huán)節(jié)；控制熱涂敷對鋼管拉伸性能的影響，例如屈服強(qiáng)度與屈強(qiáng)比升高等。SY/T 7403―2018對坡體段的管道敷設(shè)沒有規(guī)定，具體需要考慮斜坡失穩(wěn)形態(tài)的不確定性，進(jìn)行大量模擬分析，分析不同敷設(shè)和布置因素的影響，經(jīng)綜合分析后給出推薦的敷設(shè)方案，包括埋深、回填要求等。

5  運(yùn)行監(jiān)測方面提升

對于山區(qū)管道面臨的突出風(fēng)險(xiǎn)，還需要考慮運(yùn)行監(jiān)測措施。通過監(jiān)測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)坡體位移，以便采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，防止風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生，最終實(shí)現(xiàn)山區(qū)管道本質(zhì)安全提升。 

目前常用的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)中，多用于局部管段或地質(zhì)災(zāi)害體的非連續(xù)重點(diǎn)監(jiān)測，一般監(jiān)測精度較高，部分監(jiān)測為相關(guān)物理量監(jiān)測，其中分布式光纖（COTDR）振動監(jiān)測可用于沿線大范圍連續(xù)監(jiān)測，但重點(diǎn)是監(jiān)測周邊震動，不能用于沿線的土體位移監(jiān)測。

布里淵傳感技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)的一種，它是隨著光時(shí)域反射技術(shù)發(fā)展起來的，不僅具有一般光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，而且可以在沿光纖路徑上同時(shí)得到被測量信息在時(shí)間和空間上的分布，如圖 4所示。該傳感技術(shù)最大的優(yōu)勢在于光纖既是傳感元件又是傳輸媒介。布里淵傳感技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比有其特點(diǎn)，首先，可實(shí)現(xiàn)長距離連續(xù)（實(shí)時(shí)/大范圍）監(jiān)測，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道沿線可能的土體位移風(fēng)險(xiǎn)跡象提供可能；其次，盡管監(jiān)測精度不及一些傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，但可滿足山區(qū)管道面臨不穩(wěn)定斜坡土體位移風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測，與全線高精度監(jiān)測的成本相比，費(fèi)用相對低廉；最后，該監(jiān)測技術(shù)以應(yīng)變光纖為傳感器，耐候性強(qiáng)，適合于運(yùn)行期的長期監(jiān)測。建議在山區(qū)管道不穩(wěn)定坡體地段采用這種監(jiān)測技術(shù)。

InSAR技術(shù)在勘察階段可以用于管道沿線大范圍地表變形篩查，同時(shí)也可以在運(yùn)行期間用于管道沿線相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測，該技術(shù)雖然屬于定期監(jiān)測，不屬于實(shí)時(shí)監(jiān)測，但其監(jiān)測范圍可以擴(kuò)展至管道周邊范圍，為管道周圍坡體失穩(wěn)跡象的監(jiān)測提供手段，在山區(qū)管道沿線也可考慮采用這種監(jiān)測技術(shù)。

6  結(jié)論與建議

（1）相對于平原地區(qū)的管道，山區(qū)管道復(fù)雜的環(huán)境條件，決定了其具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，其中坡體失穩(wěn)是山區(qū)管道較為突出的風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)外對于防控山區(qū)坡體失穩(wěn)段管道的風(fēng)險(xiǎn)尚未形成具體、公認(rèn)、成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

（2）山區(qū)坡體段管道風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)通過設(shè)置多道防線進(jìn)行防控，勘察風(fēng)險(xiǎn)識別、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測為三道有效防線。此外，建設(shè)質(zhì)量控制也是一道重要的防線，限于篇幅不再展開討論。

（3）除了坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)外，山區(qū)管道仍面臨諸多其他安全風(fēng)險(xiǎn)，需要關(guān)注和應(yīng)對，例如山區(qū)管道穿越溝谷面臨山洪沖刷風(fēng)險(xiǎn)等，盡管這類風(fēng)險(xiǎn)相對于坡體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)來說，影響程度較低，但不容忽視。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：王學(xué)軍，中國石油天然氣管道工程有限公司（原管道設(shè)計(jì)院）總經(jīng)理、黨委副書記，教授級高級工程師，管道局技術(shù)專家，世界燃?xì)饴?lián)盟（IGU）輸氣委員會專家。1997年7月重慶建筑大學(xué)城市燃?xì)夤こ虒�業(yè)畢業(yè)，2009年1月獲中國石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程碩士學(xué)位。長期從事石油天然氣長輸管道設(shè)計(jì)與管理工作。