嚴(yán)寒地區(qū)土層凍脹對管系破壞及解決方案的探討

龍紅偉

(中國石化集團(tuán)洛陽石化工程有限公司，河南 洛陽 471003)

我國北方大部分地區(qū)冬季極度嚴(yán)寒，極端最低氣溫在-40℃左右，最冷月平均氣溫也在-20℃以下;另外，隨著國外工程項目的增多，有些地區(qū)的氣溫甚至更低。在這些地區(qū)，最大凍土深度很大，而且有些地區(qū)地下水資源又比較豐富，全年平均降雨量大，導(dǎo)致地下水位線很淺。在這些地區(qū)的石油化工企業(yè)管道布置設(shè)計中，通常大家都會考慮管道、設(shè)備的防凍、防凝設(shè)計，但是往往把土層的凍脹對管道設(shè)計的影響忽視，導(dǎo)致某些石油化工企業(yè)在實際生產(chǎn)中，在進(jìn)入嚴(yán)冬時因管道系統(tǒng)受凍脹力影響而被破壞導(dǎo)致的事故頻發(fā)。本文從土層凍脹基本原理并結(jié)合石油化工企業(yè)工程設(shè)計和生產(chǎn)實例進(jìn)行分析闡述，從管道的自然補償、支撐型式等方面對凍脹力對管道的破壞進(jìn)行解決，以期對土層凍脹在石油化工企業(yè)管系里的影響得以解決。

1 土層凍脹機(jī)理

1.1 凍土層的概念及特點

凍土層(Tundra)，在地質(zhì)學(xué)上是指零攝氏度以下，并含有冰的各種巖石和土壤的特殊土體。一般可分為短時凍土(數(shù)小時、數(shù)日以至半月)、季節(jié)凍土(半月至數(shù)月)以及多年凍土(數(shù)年至數(shù)萬年以上)。當(dāng)天氣變暖時凍土層就會融化，我們稱這種凍土為季節(jié)凍土。但在有些地方存在一種持續(xù)多年不化的凍土，那就是多年凍土。如在北極、青藏高原，因為那里常年溫度都在零度以下，所以凍土就會保持常年不化，即使在溫度偏高的年份，只是表面一小層土壤被融化，深層仍然是堅硬的凍土。

凍土是一種對溫度極為敏感的土體介質(zhì)，含有豐富的地下冰。凍土層的厚度與地表、地下溫度關(guān)系密切。因此，凍土具有流變性，其長期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時強(qiáng)度特征。正是由于這些特點，在凍土區(qū)工程建設(shè)就必須面臨兩大危險:凍脹和融沉。中國的青藏鐵路就有一段路段需要通過凍土層。工程師需要透過多種方法去使凍土層的溫度穩(wěn)定，以避免因為凍土層的轉(zhuǎn)變而使鐵路的路基不平導(dǎo)致的意外發(fā)生。

1.2 土層凍脹量的大小與凍土層和地下水深度關(guān)系

根據(jù)凍土層特點可以知道，在石油化工裝置中，對管道造成影響的主要應(yīng)為短時凍土(數(shù)小時、數(shù)日以至半月)、季節(jié)凍土(半月至數(shù)月)，因為這類凍土存在時間和季節(jié)性上的差別，在零攝氏度以上時，凍土?xí)В诹銛z氏度以下時凍土層開始累積，隨著氣溫不斷下降或者上升會變化。一般來講，凍土層的凍結(jié)深度與當(dāng)?shù)刈匀粭l件-最冷月平均氣溫的高低有關(guān)，溫度越低凍結(jié)深度就會越深;最大凍土深度與當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫有關(guān)，當(dāng)?shù)貥O端最低氣溫越低最大凍土深度就會越深。

土壤里面或多或少的都含有水分，尤其是地下水位線下含有豐富的地下水，當(dāng)溫度降到零度或零度以下時，土壤里的水分就會凝結(jié)成冰將土壤凍結(jié)，形成凍土層。一般來講，凍土層的凍結(jié)深度與與當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件有關(guān)，地下水位線越淺凍結(jié)深度就會越深。

由于冰的密度小于水的密度，就會引起凍土層的體積自由膨脹，產(chǎn)生一定的凍脹量，最大凍土深度越深，地下水位線越淺，土層凍脹量就會越大。

1.3 舉例驗證

下面對北方某石油化工一工程項目的工程場地的土層凍脹量進(jìn)行舉例驗證。

該地基本自然條件:

最冷月(一月)平均氣溫-25.1℃

最熱月(七月)平均氣溫 27.8℃

極端最高氣溫 37.1℃

極端最低氣溫-36.2℃

累年年平均溫度 3.2℃

采暖期天數(shù) (10月15日-4月15日)

場地標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度 1.8-2.0m

最大凍土層 2.2m

該地水文地質(zhì)條件:

場地地下水埋藏較淺，地下水屬上部潛水型，補給源主要為大氣降水?？辈鞎r，初見水位在3.40-3.60 米，靜止水位為2.40-2.60 米。豐水期時(每年的8、9、10月)，水位抬升約1.20-1.80 米。

該地工程場地地質(zhì)特征自上而下描述如下:

第①層 表土:黃色，埋深:0.2-0.8 米，以粉質(zhì)粘性土為主，夾少量的粉土及砂類土，含大量的植物根系，欠固結(jié)。不宜作地基主要受力層。

第②層 粉質(zhì)粘土:埋深:0.2-0.8 米，厚度:0.4-1.5 米之間。黃色-黃褐色，可塑，飽和，局部夾粉土及粉砂，中壓縮性土(在凍深范圍內(nèi))。為強(qiáng)凍漲土，地基承載力特征值fak =130kpa，Es=4.1MPa。

第③層 粉細(xì)砂:埋深:0.4-1.90 米，厚度:0.7-2.0 米。黃色- 黃褐色，濕，含鐵質(zhì)氧化物，分選好，中密。fak =180kpa，Es=12MPa。

根據(jù)以上資料并結(jié)合該企業(yè)多年實際生產(chǎn)經(jīng)驗，地下水位(W1)按照0.8m 考慮，凍土層(W2)按照2.2 米考慮，以上數(shù)值是根據(jù)極端條件下假設(shè)的。

下面根據(jù)以上假設(shè)情況，粗略計算該地區(qū)土層凍脹量:

以1m^3 水凍脹為例，邊長為a，結(jié)冰后邊長為b，結(jié)冰后凍脹量為c，假定條件下該地區(qū)土層凍脹量為C(水的密度ρ 水=1.0 ×10^3kg/m^3 冰的密度ρ 冰=0.9 ×10^3kg/m^3)計算示意簡圖見圖1

圖1 土層凍脹量計算示意簡圖

∵1m^3 水結(jié)冰后質(zhì)量不變

∴m 水=ρ 水V 水=ρ 冰V 冰

∴V 冰=ρ 水V 水/ρ 冰=10/9V 水

∴1m^3 水結(jié)冰等于10/9m^3 冰

∴b^3 =10/9a^3b=(10/9)^(-3)a

∴1m^3 水凍脹量c = b- a = (10/9)^(- 3)- 1 = 0.035744m(定值)

∴假定條件下土層的凍脹量C =(W2-W1)* (10/9)^(-3)-(W2-W1)=(W2-W1)【(10/9)^(-3)-1】=(W2-W1)* c=(2，2-0.8)* 0.035744 =0.050m=50mm

從上面計算結(jié)果，不難看出，凍土層越深，地下水位越淺，土層凍脹量越大。

2 土層凍脹對石油化工企業(yè)管系的破壞

2.1 凍脹力對管系的破壞的四種情況

進(jìn)入冬季氣溫下降到0℃以下后，場地土層就會不斷凍結(jié)，隨著氣溫的不斷下降，凍脹不斷累積，場地土層就會一點點自由膨脹，在自由膨脹受到約束時就會產(chǎn)生通常所說的凍脹力。凍脹量越大，凍脹力就越大，凍脹力越大對管系的影響和破壞就會越大。因此，在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)工程項目設(shè)計時，凍脹力對管系的影響和破壞應(yīng)該引起管道專業(yè)的高度關(guān)注。通常來講，凍脹力對管系的破壞有以下四種情況:1)土層凍脹力引起的管道應(yīng)力過大或金屬疲勞引起管道破壞;2)管道應(yīng)力過大使管道連接處產(chǎn)生泄漏;3)管道推力和/或力矩過大，使與其相連接的設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備正常運行;4)管道各處凍脹量不同引起管道受力不均，也會對管道產(chǎn)生1)2)所述的破壞。根據(jù)第1 節(jié)里的計算結(jié)果，可以看出在該地區(qū)條件苛刻的情況下，凍脹量可達(dá)到50mm，若不給于足夠的重視，在這種情況下安全事故恐怕將會難以避免。

2.2 凍脹力對管系的破壞舉例

在圖 1 所示的管道上設(shè)置支架的位置，由于管道支架對地面凍脹的約束，將會產(chǎn)生凍脹力，凍脹力通過支架作用在管道上形成管道應(yīng)力，當(dāng)管道應(yīng)力很大時就會對相關(guān)管系形成破壞，造成安全事故。據(jù)了解，大慶地區(qū)某石化公司 1 萬立事故罐入口線( 沿地面敷設(shè)) ，設(shè)備管嘴處支架直接支撐到地面，嚴(yán)冬時由于土層凍脹的原因，發(fā)現(xiàn)支架附近管線嚴(yán)重變形，虧得及時發(fā)現(xiàn)并未造成安全事故。

圖2 沿地敷設(shè)管道支架設(shè)置不當(dāng)現(xiàn)場

圖3 沿地敷設(shè)管道支架設(shè)置不當(dāng)現(xiàn)場

舉例說明:圖2，云形線內(nèi)支架的設(shè)置就不合適，在嚴(yán)冬季節(jié)里由于凍脹力的作用，就有可能使管道焊口處或者法蘭連接處管道應(yīng)力或力矩過大，導(dǎo)致焊口撕裂或法蘭泄漏，之事安全事故的發(fā)生。

舉例說明:圖3，在水平管道上有兩個落地支架，由于在地面上位置的不同，凍脹量也會有差異，凍脹力也會不一樣，造成管道受力不勻，在管道和法蘭處或者焊口處就會產(chǎn)生彎矩，有可能造成法蘭的泄露和焊口的撕裂，也會帶來安全故。

因此，在石油化工裝置設(shè)計的時候，由于管道設(shè)計的不合理，土層凍脹對管道的破壞應(yīng)該引起我們的高度重視。

3 凍脹對管系的破壞的解決方案

3.1 受凍脹影響的管道類別

為了避免凍脹問題對管系造成的破壞，在進(jìn)行管道設(shè)計時，就應(yīng)該高度重視，從源頭抓起。石油化工裝置里受凍脹影響的管道不外乎是室外沿地面敷設(shè)的管道，大致有:1)地面布置的設(shè)備附屬的管道2)管、構(gòu)架地面敷設(shè)的一些閥組或管線等。

3.2 解決方案

3.2.1 解決方案一

對于沿地敷設(shè)的小管道，因荷載比較小，通常其支撐不必在地面上設(shè)置管墩，在條件允許的情況下，建議其支架盡量從臨近的鋼結(jié)構(gòu)、大基礎(chǔ)及建構(gòu)筑物上生根或采取吊、掛等辦法，要最大限度減少管線地面支撐。見圖4。

該解決方案適用的管道范圍:1)高壓厚壁(PN ≥15.0MPa)公稱直徑DN≤80 的管道;2)中低壓薄壁(PN ＜15.0MPa)公稱直徑DN≤100 的管道

圖4 沿地敷設(shè)管道可調(diào)式支架設(shè)置現(xiàn)場

圖5 沿地敷設(shè)管道管墩支撐現(xiàn)場

3.2.2 解決方案二

對于高壓厚壁大直徑管道或中低壓薄壁大直徑管道的支撐可以采取在管道支架下設(shè)置管墩，即淺基礎(chǔ)解決問題。

對于相對較小的管墩可以采取深700-1000mm，下邊墊填300mm 以上的沙子;對于相對較大管墩底座應(yīng)降至凍土層以下。在管墩上可以用彈簧架或用固定支架等支撐管道。這種辦法可以從根本上最大限度減少土層凍脹對管系的破壞。見圖5。

通常，沿地面敷設(shè)的管道，為防止凍脹的影響，管墩設(shè)置范圍如下:1)對于高壓厚壁管道(PN≥15.0MPa)公稱直徑DN≥100 的管道，需要在管道支架下設(shè)置管墩;2)對于中低壓薄壁管道(PN ＜15.0MPa)公稱直徑DN≥150 的管道，需要在管道支架下設(shè)置管墩。

3.2.3 解決方案三

對于沿地敷設(shè)的小管道的支撐，如果附近鋼結(jié)構(gòu)、建筑物等結(jié)構(gòu)梁柱沒有條件設(shè)支架，管道的支撐(架)只能直接作用在地坪上，此時建議設(shè)置可調(diào)節(jié)式支架支撐，不過需手動調(diào)節(jié)支架螺母，進(jìn)而調(diào)節(jié)支架的高度來減緩地表凍脹引起的凍脹力。見圖6。

圖6 沿地敷設(shè)管道可調(diào)式支架設(shè)置現(xiàn)場

該解決方案適用的管道范圍:1)高壓厚壁(PN ≥15.0MPa)公稱直徑50≤DN≤80 的管道;2)中低壓薄壁(PN ＜15.0MPa)公稱直徑50≤DN≤100 的管道

對于特別小的管道(DN≤40)的管道，由于管道柔性相對較好，可以不必過多考慮凍脹對其影響。

4 結(jié)束語

在嚴(yán)寒地區(qū)石油化工企業(yè)里，進(jìn)入嚴(yán)冬后，土層凍脹問題一直以來都在困擾著生產(chǎn)人員，嚴(yán)寒地區(qū)里凍脹力對管系的影響和破壞應(yīng)該引起工程設(shè)計人員的高度重視，應(yīng)該從源頭抓起，不斷完善和提高管道布置的設(shè)計質(zhì)量，把因土層凍脹引發(fā)的安全事故發(fā)生的可能性降到最低。

［1］劉鴻緒.再論凍脹量與凍脹力之關(guān)系

［2］王延宗.寒冷地區(qū)石油化工裝置防凍設(shè)施的設(shè)計

［3］高鵬鵬.凍脹現(xiàn)象及管線上浮形變的分析

［4］馬金國，唐永進(jìn)，張發(fā)有.石油化工管道柔性設(shè)計規(guī)范(SH/T 3041-2002)