王志濤 王洋

國家管網集團北方管道大慶（加格達奇）輸油氣分公司

摘要：中俄原油管道（漠大線）穿越大興安嶺多年凍土區域，隨著管道輸送俄油溫度不斷升高，土體溫度場改變將進而影響管道應力和位移變化，管道變形使管道安全運行風險加大。介紹了漠大線管道變形監測系統分布情況，通過分析某監測單元應力監測數據，發現管段存在應力集中現象，并實施應力釋放治理措施。對凍土區管道應力監測和凍害防治等提出了相應建議。

關鍵詞：原油管道；漠大線；凍土區；應力監測

中俄原油管道（漠大線）管徑1410 mm，設計年輸量1500萬噸，途經我國緯度最高、極端溫度達﹣52.3℃的高寒地帶，是我國第一條完全意義上穿越永凍土區的大口徑長輸原油管道，其中漠河—加格達奇大楊樹段共計440 km管道穿越大興安嶺多年凍土區。由于大管徑大輸量，管道油溫對周圍土壤的影響段（非等溫段）更長，氣候轉暖和人類活動使凍土凍融危害的情況更為復雜和嚴重。為掌握典型凍土區域管道熱輻射對周圍凍土的影響，以及因凍融危害作用對管道的力學狀態的影響，應用變形監測系統對管周溫度和管道應力變化情況進行監測并開展了應力釋放治理。

1  變形監測系統分布

在加格達奇以北地區，針對漠大線6處典型凍脹、融沉災害點，采用光纖光柵應變測量技術和一線總線數字溫度測量技術，開展了管道應力應變監測和管道周圍土壤溫度場監測。采用振弦應變測量技術對2處環焊縫補強管段開展了管道應力應變監測。目前投入運行的8處監測單元基本情況見表 1。

表 1 漠大線8處監測單元基本情況

2  變形監測及應力釋放治理案例

AA007-200監測單元位于漠大線007 km+967 m，額木爾河右岸階地與山前緩坡過渡地帶，階地一帶飽冰凍土發育，山前緩坡地帶凍土相對不發育，存在差異性凍脹問題。管道應變傳感器位于焊口號MDX-01-01-AA006+171-DG01-B-Y至MDX-01-01-AA006+188-DG01-B-Y，共計18處，布置情況如圖 1所示 。其中X1—X8管段地貌單元屬額木爾河右岸河漫灘和階地，分布有大片的塔頭和低矮的灌木，地表夏季積水、冬季結冰，X5—X6管段穿越砂石路，X9—X18管段地貌單元屬低山緩坡，為大片森林，局部基巖出露地表。

圖 1 管道應變傳感器布置示意圖

AA007-200監測單元自投用以來各截面附加彎曲應力隨時間變化，曲線如圖 2所示。變化趨勢表明：管道在X3—X6截面間附加彎曲應力年際變化明顯，以X4截面應力變化最為顯著，拉應力為151.39 MPa，壓應力為﹣156.60 MPa，彎曲應力為158.99 MPa，拉應力位于184.49°（管底）。由于X1—X8 處于強凍脹段，管道受凍土凍脹影響易向上抬升，但受 X6—X8 段公路強約束限制，最終表現為 X3 截面上游管段冬季受凍土凍脹作用向上抬升，X4 截面應力在累積增大，X4截面應力隨時間變化曲線如圖 3所示。

圖 2 監測單元各截面附加彎曲應力隨時間變化曲線

圖 3 X4 截面附加應力隨時間變化曲線

分析表明，X3、X4、X5截面管道應力集中明顯，X4截面應力最大且拉應力位于管底，X3、X5截面拉應力均位于管頂，X3—X5截面間管道出現彎曲變形。X5—X6 共12 m管段位于林間砂石路正下方，判斷該處形成約束點，是造成X4 截面附近管道彎曲變形的主要原因，管道彎曲模型見圖 4。

2018年8月，對AA007-200監測單元管道實施應力釋放治理方案，開挖砂石路穿越段管道，管道兩側設置混凝土支護，板涵出入后采用漿砌石八字墻，詳見圖 5。

圖 5 砂石路開挖示意圖

砂石路穿越段管道開挖后，監測發現期間并無應力釋放，原因為X5上游段管道處于強凍脹、融沉土壤環境中，受砂石路約束后管道部分變形在已彎曲段形成積累，造成X3—X5應力逐年增大。盡管在設置板涵后可以消除砂石路的強約束，但對于已累積較高應力的X3—X5段管道起不到快速釋放應力的作用，遂決定管溝開挖從X5向上游延伸30 m至X3附近，經監測確定X4附近應力得以降低，回填管溝，結果如表 2所示。隨著時間的推移，累積較高應力的X3—X5段管道也在設置的板涵作用下應力得到有效釋放。

表 2 X4截面應力釋放統計結果

3  結論與建議

（1）在凍土區管道設置變形監測系統實時監測管道運行情況，以便及時對異常管段采取風險減緩措施。

（2）漠大線監測系統設備已運行10年，建議更新以獲取更為準確的應力應變及溫度場參數，掌握管道周邊凍土災害的發展狀況和管道在凍土災害作用下的力學變化并提前預警。

（3）加強凍土治理研究與投入，從本質上減輕或消除由于凍土凍脹融沉對管道的影響。例如安裝熱棒以降低管道地基的溫度，增加土壤的冷儲量，減輕埋地管道正溫輸送對周圍凍土的熱影響，減緩凍土的衰退和融化。

（4）對接前沿科學技術，利用大數據、人工智能等研發建立集信息采集、傳輸、管理、分析、預報預警、發布于一體的高寒凍土災害監測預警信息系統。

作者簡介：王志濤，畢業于西安石油大學，現為大慶（加格達奇）輸油氣分公司漠河作業區管道保護工程師。聯系方式：18710552759，237083969@qq.com。