新疆油氣管道主要風(fēng)沙災(zāi)害及其風(fēng)險(xiǎn)管理

吳錫合,寇智勇,關(guān)惠平

(1.中國石油西氣東輸管道公司,上海 200122;2.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,四川成都 610106; 3.西南石油大學(xué)建筑工程學(xué)院,四川成都 610500)

新疆油氣管道主要風(fēng)沙災(zāi)害及其風(fēng)險(xiǎn)管理

吳錫合1,寇智勇2,關(guān)惠平3

(1.中國石油西氣東輸管道公司,上海 200122;2.成都大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,四川成都 610106; 3.西南石油大學(xué)建筑工程學(xué)院,四川成都 610500)

針對(duì)新疆沙漠地區(qū)天然氣管道風(fēng)沙災(zāi)害現(xiàn)狀,分析了管道沙害的基本形式和致災(zāi)機(jī)理,并根據(jù)風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn),經(jīng)回歸推導(dǎo)了新疆沙漠地區(qū)不同風(fēng)速、不同沙丘位置的油氣管道覆土風(fēng)蝕速度與氣流流速的相關(guān)方程,為油氣管道風(fēng)沙災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全管理提供了可借鑒的科學(xué)依據(jù).

油氣管道;風(fēng)沙災(zāi)害;覆土風(fēng)蝕速度;風(fēng)險(xiǎn)管理

0 引 言

隨著我國石油天然氣長輸管道建設(shè)的快速發(fā)展,其安全狀況必然會(huì)遭遇到各種環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害的威脅.由于長輸油氣管道空間跨度大,各地域的環(huán)境及地質(zhì)條件各異,從而導(dǎo)致管道沿線各區(qū)段間發(fā)生的各種環(huán)境及地質(zhì)災(zāi)害類型及其所占比重也各不相同.風(fēng)沙災(zāi)害是西氣東輸天然氣管道新疆段的主要災(zāi)害類型之一[1-3].本文通過對(duì)西氣東輸管道新疆段風(fēng)沙災(zāi)害的現(xiàn)場調(diào)研和長期觀測,基本查明了新疆段管道沿線風(fēng)沙災(zāi)害的現(xiàn)狀,進(jìn)而分析了各風(fēng)沙災(zāi)害點(diǎn)發(fā)生災(zāi)害的機(jī)理,初步評(píng)價(jià)了其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),為新疆段石油天然氣長輸管道風(fēng)沙災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全管理提供了科學(xué)依據(jù).

1 工程概況

西氣東輸管道新疆段,西起輪臺(tái)縣的輪南鎮(zhèn),自西向東途經(jīng)巴音郭楞蒙古自治州、吐魯番地區(qū)和哈密地區(qū)3個(gè)地州的8個(gè)市縣和2個(gè)團(tuán)場(見圖1);穿越群兒庫姆沙漠北緣至庫爾勒市、阿克塔格山至塔什店,然后沿博斯騰湖南部平原、沙丘地繼續(xù)向東,再通過庫米什盆地進(jìn)入覺羅塔格山,最后穿過南湖戈壁進(jìn)入甘肅境內(nèi).西氣東輸管道新疆段全長約為941 km,沿途地區(qū)絕大部分為荒漠、戈壁,其中近2/3為無人、無路區(qū),夏季高溫,冬季寒冷,氣候干燥,風(fēng)沙大,自然環(huán)境條件十分惡劣.

圖1 西氣東輸天然氣管道新疆段走向示意圖

西氣東輸管道工程新疆段地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所在區(qū)域主要位于庫魯克塔格山西端北麓——庫米什谷地之間.地勢西高東低,管線地勢分布呈兩頭低,中間高.區(qū)域最高山峰的海拔高度約2 300 m,區(qū)域相對(duì)低處為博斯騰湖東岸的阿克達(dá)拉河口湖濱地區(qū)(海拔高度約1 060 m左右)及庫米什谷地的喀爾江尕勒盆地(海拔高度約810 m左右).區(qū)域內(nèi)所涉水系均屬內(nèi)陸水系,自西向東分別為：塔里木河內(nèi)陸水系、托克遜烏尊布拉克區(qū)域內(nèi)陸水系.區(qū)域內(nèi)主要分水嶺為西南天山的庫魯克塔格、克孜勒塔格、干草湖山、庫米什南山.

2 管道主要風(fēng)沙災(zāi)害現(xiàn)狀及致災(zāi)機(jī)理

根據(jù)現(xiàn)場踏勘和實(shí)際調(diào)查結(jié)果,西氣東輸管道工程新疆段主要風(fēng)沙災(zāi)害點(diǎn)共有9處,均發(fā)生在雅滿蘇段內(nèi),其中管道長距離風(fēng)蝕裸露1處(A級(jí)風(fēng)險(xiǎn)),沙埋伴行路面8處(B級(jí)風(fēng)險(xiǎn)).

2.1 風(fēng)蝕露管災(zāi)害點(diǎn)及致災(zāi)機(jī)理分析

圖2 西氣東輸管道工程新疆段測789 km處風(fēng)蝕地形

雅滿蘇段風(fēng)蝕露管災(zāi)害點(diǎn)位于測789 km處.由于該處管道位于迎風(fēng)坡面,同時(shí)又處于兩座巨型沙丘之間,故氣流在該處的行進(jìn)過程中必然要受到兩側(cè)沙丘的擠壓,形成了“漏斗”效應(yīng)(見圖2),從而導(dǎo)致通過該處的氣流流速急劇增加,特別是當(dāng)近地表氣流運(yùn)行速度達(dá)到或超過沙粒的啟動(dòng)速度時(shí),沙粒開始發(fā)生滾動(dòng)、跳躍乃至進(jìn)入氣流中,從而出現(xiàn)由氣流演變成為風(fēng)沙流的過程.而風(fēng)蝕作用從形成風(fēng)沙流的那一刻起變得更加劇烈,使得管道上部的沙粒不斷地被風(fēng)沙流輸運(yùn),直至將將管道上部的沙粒全部帶走,最終發(fā)生露管現(xiàn)象(見圖3).

圖3 西氣東輸管道工程新疆段測789 km處管道風(fēng)蝕災(zāi)害(露管)

2.2 沙埋伴行路面災(zāi)害點(diǎn)及致災(zāi)機(jī)理分析

雅滿蘇段沙埋伴行路面災(zāi)害點(diǎn)均位于測788 km～測793 km間,其共同的特點(diǎn)是伴行路在穿越連綿4 km的流沙段時(shí),或由于路面過沙停留,或由于路面本身地處丘間洼地而發(fā)生沉積,造成伴行路面大量積沙,嚴(yán)重影響了巡線車輛的通行效率(見圖4).

圖4 西氣東輸管道工程新疆段測789 km處沙丘間沙埋的伴行路面

從我們長期現(xiàn)場觀察看：一種情況是,當(dāng)裹挾沙粒的風(fēng)沙流越過沙丘頂部行進(jìn)到沙丘間地段時(shí),加大了風(fēng)沙流的過流斷面,或由于背風(fēng),風(fēng)沙流的動(dòng)力突然被削弱,從而使行進(jìn)中的沙粒從風(fēng)沙流中分離出來而在其重力作用下沉積下來,造成了沙丘間沙埋管道伴行路面的風(fēng)沙災(zāi)害;另一種情況是,風(fēng)蝕造成沙丘順風(fēng)前移(沙粒被推移)而產(chǎn)生的壓埋伴行路面.所不同的是后者壓埋的速度要比前者快得多,特別是低矮沙丘前移造成的壓埋路面.

3 管道沙害參數(shù)的估計(jì)方法

從沙粒在氣流的作用下起動(dòng)開始,沙粒的運(yùn)動(dòng)便進(jìn)入躍移的運(yùn)動(dòng)階段.但由于整個(gè)沙面是由不同沙粒組成的,其沙粒的性質(zhì)很不規(guī)則,特別是近沙面氣流具有十分復(fù)雜的湍流性質(zhì)以及流速的脈動(dòng)性質(zhì),造成了沙粒的運(yùn)動(dòng)具有很大的隨機(jī)性和復(fù)雜性.

3.1 風(fēng)沙流流場特征參數(shù)

通常認(rèn)為,對(duì)數(shù)規(guī)律能很好地描述近沙面的氣流分布特征[1],即：

式中,Ug為高度y上的氣流速度(m/s),U＊為摩阻速度(cm/s),y為沿沙面高度(cm),Z0為粗糙度(cm).其中,

式中,τg為近壁面氣流切應(yīng)力;ρg為流體密度.假定 y與Ug之間的相互關(guān)系滿足,

將式(1)與式(3)聯(lián)立求解,則有

考慮到湍流效應(yīng),顆粒雷諾數(shù) Red為[2],式中,ρg為空氣密度(g/cm3),U0為氣流平均流速(m/s),ds為沙粒的平均直徑(mm),μg為空氣粘性系數(shù).

根據(jù)9種工況的近沙面氣流流場參數(shù)[2]如表1所示.通過回歸分別得到：

表1 近沙面氣流流場主要參數(shù)(綜合起動(dòng))[2]

3.2 風(fēng)沙流沙粒濃度分布特征參數(shù)

風(fēng)沙流中沙粒濃度可用沙粒數(shù)密度 ns來表征,

式中,ns為風(fēng)沙流沙粒數(shù)密度(1/cm3),Ns為沙粒數(shù)量,V為風(fēng)沙流體積(cm3).

雖然風(fēng)速的增加可使在不同高度位置上的沙粒數(shù)量均會(huì)出現(xiàn)不同程度的增長,但隨著高度的增加,沙粒數(shù)密度增加幅度也會(huì)越來越小,并且當(dāng)風(fēng)速增加到一定值后,氣流中的沙粒含量會(huì)趨于穩(wěn)定.

通過式(6)可以看出,隨著風(fēng)速提高,摩阻速度出現(xiàn)的位置越來越高.這說明了風(fēng)速越大,沙粒飛行的高度越高,沙粒被風(fēng)搬運(yùn)的距離越遠(yuǎn).這與自然現(xiàn)象是相符合的.

在通常情況下,當(dāng)風(fēng)速一定時(shí),近沙面的風(fēng)沙流中沙粒含量總是要高于遠(yuǎn)沙面風(fēng)沙流中的沙粒含量.假定沙粒濃度沿高度方向呈負(fù)指數(shù)分布,則,

式中,n0為沙面表層(y=0)的沙粒數(shù)密度,y為距沙面高度,M為衰減率參數(shù).M值的物理意義是沙粒數(shù)密度達(dá)到n0e-1時(shí)的高度位置.

根據(jù)9種工況的沙粒數(shù)密度與高度擬合綜合起動(dòng)公式系數(shù)(見表1),通過回歸分別得到：

根據(jù)9種工況的沙粒數(shù)密度與高度擬合流體起動(dòng)公式系數(shù)(見表1),通過回歸分別得到：

3.3 高速風(fēng)沙流輸沙率的估算

輸沙率是評(píng)價(jià)管道沙害風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo),也是風(fēng)沙災(zāi)害地區(qū)進(jìn)行管道完整性管理工作的重要技術(shù)依據(jù)之一.單寬輸沙率是指風(fēng)沙流在單位時(shí)間和單位寬度內(nèi)的輸運(yùn)沙量.根據(jù)表1,通過回歸可得：

式中,qs為單寬輸沙顆粒數(shù)量(1/m·s).

3.4 管道覆土風(fēng)蝕速度的估算

根據(jù)相關(guān)資料[3,4],我國沙漠的風(fēng)成沙礦物成分主要為石英,顆粒粒徑成分主要為細(xì)沙(0.1～0.25 mm),平均含量約66.78%,最高含量為99.38%,粗顆粒級(jí)和粉粒級(jí)的含量均很低,孔隙率為50%左右,干沙容重一般為1.4×104N/m3.假定敷設(shè)在迎風(fēng)坡面的管道附近的氣流風(fēng)蝕的沙粒全部被輸運(yùn),且整個(gè)坡面的風(fēng)蝕強(qiáng)度是均勻的,沙粒平均粒徑按0.175 mm計(jì),則坡面單位時(shí)間被風(fēng)沙流輸運(yùn)的沙?？傮w積vs為,

式中,d為沙粒平均粒徑(mm).

根據(jù)式(9)、(10)和表1,通過回歸可得圖5和式(11),且有,式中,h為單位時(shí)間單位寬度管道覆土平均風(fēng)蝕速度(U0≤6.0 m/s,mm/m·h).

圖5 風(fēng)沙流管道覆土風(fēng)蝕速度與平均流速曲線圖

在風(fēng)向、風(fēng)速等恒定的情況下,當(dāng)氣流平均流速為5.0 m/s時(shí),管道覆土風(fēng)蝕速度約為1.70 mm/m·h,根據(jù)式(11)可估算出管道露管的時(shí)間約為49 d;當(dāng)氣流平均流速為6.0 m/s時(shí),造成管道露管的時(shí)間約為17.6 d.

當(dāng)平均流速超過6.0 m/s時(shí),可以根據(jù)塔克拉瑪干沙漠地區(qū)氣象站高度風(fēng)速與輸沙率相關(guān)方程[4]推導(dǎo)的公式進(jìn)行估算.

在沙丘的迎風(fēng)坡面中部,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10 m/s時(shí),管道覆土的風(fēng)蝕速度約為8.41 mm/m·h,造成管道露管的時(shí)間約為9.9 d;而當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15 m/s時(shí),管道覆土的風(fēng)蝕速度約為8.41 mm/m·h,造成管道露管的時(shí)間僅為1.1 d.上述計(jì)算結(jié)果均基本符合現(xiàn)場的實(shí)際情況.

4 結(jié) 論

通過對(duì)新疆沙漠地區(qū)油氣管道沙害的基本形式和致災(zāi)機(jī)理的分析,結(jié)合風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和相關(guān)試驗(yàn)及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù),經(jīng)回歸推導(dǎo)了沙漠地區(qū)不同風(fēng)速、不同沙丘位置的油氣管道覆土風(fēng)蝕速度與氣流流速的相關(guān)方程,其試算結(jié)果均基本符合現(xiàn)場實(shí)際,可作為定量評(píng)價(jià)管道沙害風(fēng)險(xiǎn)和進(jìn)行管道完整性管理工作的科學(xué)依據(jù)之一.

[1]戴昌暉.流體流動(dòng)測量[M].北京：航空工業(yè)出版社,1991.

[2]程 旭.風(fēng)沙兩相流中沙粒起動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué),2003.

[3]朱朝云,丁國棟,楊明遠(yuǎn).風(fēng)沙物理學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社,1992.

[4]王訓(xùn)明,董治寶.起沙風(fēng)統(tǒng)計(jì)和工程輸沙量計(jì)算中的若干問題[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2000,14(3)：41-45.

Wind-sand Disaster of Oil and G as Transfer Pipelines in Xinjiang and Its Risk Management

WU Xihe1,KOU Zhiyong2,GUAN Huiping3

(1.China Petroleum West-East Gas Transfer Pipeline Corporation,Shanghai 200122,China; 2.School of Urban and Rural Construction,Chengdu University,Chengdu 610106,China; 3.School of Architecture Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)

For the actualities of wind-sand disaster of the gas transfer pipelines in Xinjiang desert area and based on the analysis of the basic characteristics of wind-sand flow movement,the basic type and mechanism of pipeline’s wind-sand disaster were summarized.Equation of correlation about the wind speed,the erosive rate of soil covering on the oil and gas transfer pipelines in different dune locations and the speed that airflow moves in the Xinjiang desert area were derived by regression,which has the important significance for the disaster’s risk evaluation and the security management of the pipelines.

oil and gas transfer pipelines;wind-sand disaster;erosive rate of soil;risk management

U45;P694;TU94

：A

1004-5422(2010)02-0159-04

2010-01-27.

吳錫合(1971—),男,高級(jí)工程師,從事油氣管道運(yùn)輸工程研究.