中國(guó)山區(qū)長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)施工技術(shù)現(xiàn)狀綜述

張 一 蔡 亮 張玉蛟

（1. 中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101；2. 中國(guó)航油集團(tuán)津京管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司，天津 300300；3. 中國(guó)石油管道公司，河北 廊坊 065000）

0 概述

我國(guó)長(zhǎng)輸管道正處于快速發(fā)展階段，截止2016年底，我國(guó)在役陸上油氣管道總里程超過12.3萬公里[1]。山區(qū)管道與普通陸地管道在管道設(shè)計(jì)和施工階段存在很大差異，特別是大落差山區(qū)管道，例如中石油西部管道最大落差達(dá)1300m；中緬油氣管道是我國(guó)設(shè)計(jì)施工難度最大的山區(qū)管道，沿線高差大于1000m的管段有10處，最大高差為1800m。山區(qū)管道設(shè)計(jì)施工涉及管道并行敷設(shè)、穿跨越、隧道、油氣站場(chǎng)合建、地質(zhì)災(zāi)害防治、管道抗震等方面，提升我國(guó)山區(qū)管道設(shè)計(jì)和施工水平具有重要意義。為此，應(yīng)根據(jù)我國(guó)管道工程實(shí)踐，研究國(guó)外山區(qū)管道在設(shè)計(jì)和施工等方面先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而完善山區(qū)管道工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，并為我國(guó)以后新建山區(qū)管道提供借鑒參考。

1 管道設(shè)計(jì)系數(shù)

管道壁厚設(shè)計(jì)如選用較高的設(shè)計(jì)系數(shù)，可以充分利用管道承壓能力，提高管道輸送量，減少管道建設(shè)成本[2]。按照管道地區(qū)等級(jí)劃分，山區(qū)劃為1級(jí)地區(qū)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定1級(jí)地區(qū)管道設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8《輸氣和燃?xì)夤艿老到y(tǒng)》規(guī)定1級(jí)地區(qū)Ⅰ類和Ⅱ類管道設(shè)計(jì)系數(shù)為0.80和0.72，國(guó)外山區(qū)管道設(shè)計(jì)系數(shù)高于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)研北美Alliance管線、Rockies Express管線和Alaska NG 管線已采用0.80-0.83的管道設(shè)計(jì)系數(shù)；加拿大TransCanada公司采用高于0.77設(shè)計(jì)系數(shù)的管道已超過18000km[3]。建議山區(qū)管道在滿足制管水平、施工工藝和地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，酌情提高管道設(shè)計(jì)系數(shù)至0.8。

2 線路閥室設(shè)計(jì)

針對(duì)線路閥室間距設(shè)計(jì)，GB 50251規(guī)定位于一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)地區(qū)的管道相鄰截?cái)嚅y的間距不宜大于32km、24km、16km和8km，如選址受限，間距調(diào)整不應(yīng)超過4km、3km、2km和1km；GB 50253《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定原油、成品油管道截?cái)嚅y的間距不宜超過32km，人煙稀少地區(qū)可適當(dāng)加大間距。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥室間距與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)一致，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.4《液態(tài)烴和其他液體管道輸送系統(tǒng)》規(guī)定在山區(qū)、穿越河流，以及穿越工商業(yè)、第三方施工頻繁區(qū)域和人口密集區(qū)等特殊情形下，輸油管道截?cái)嚅y室間距允許適當(dāng)調(diào)整；加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA Z662《石油和天然氣管道系統(tǒng)》未對(duì)原油管道截?cái)嚅y的間距進(jìn)行明確要求，原油、成品油管道截?cái)嚅y室間距允許在10%規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，天然氣管道截?cái)嚅y室間距允許在25%規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。我國(guó)管道一般按照規(guī)定間距設(shè)計(jì)閥室，缺乏靈活性且對(duì)運(yùn)行維護(hù)造成不便。隨著管道運(yùn)行管理技術(shù)提升，管道事故概率總體呈下降趨勢(shì)，在人口稀少的山區(qū)管道線路閥室可增加到32km以上。建議借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于截?cái)嚅y室間距調(diào)整的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

針對(duì)線路閥室選址設(shè)計(jì)，GB 50251規(guī)定應(yīng)選擇在交通便利、地形開闊、地勢(shì)較高、檢修方便的區(qū)域，且不易受到地質(zhì)災(zāi)害及洪水影響，防洪標(biāo)準(zhǔn)不低于25年一遇。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8規(guī)定設(shè)計(jì)線路閥室應(yīng)考慮維修和維護(hù)時(shí)氣體的放空量、泄漏或斷裂時(shí)氣體的泄漏量、隔離管段氣體的排放時(shí)間、環(huán)境敏感區(qū)氣體的排放、供氣連續(xù)性影響和管道附近區(qū)域未來的發(fā)展等。雪佛龍公司在美國(guó)加利福尼亞州康特拉科斯達(dá)縣（Contra Costa）的原油管道中，管道穿越人口密集區(qū)，在一段長(zhǎng)度約為30英里（約48km）的管線上，共設(shè)計(jì)了5個(gè)遠(yuǎn)程控制閥室和7個(gè)手動(dòng)閥室[4]。國(guó)內(nèi)線路閥室選址原則是注重交通、地質(zhì)、防洪和檢修等。美國(guó)管道線路閥室選址原則是使截?cái)嚅y室之間管道破裂后所造成的泄漏油品損失達(dá)到最小，重視管道失效后果和危害性對(duì)社會(huì)公眾環(huán)境的影響，設(shè)計(jì)理念更為合理，具有借鑒意義。

3 伴行路設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)管道線路管理主要包括管道線路巡差、第三方施工監(jiān)控、高后果區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等，較少關(guān)注伴行路維護(hù)，在管道建設(shè)期間由第三方單位鋪設(shè)伴行道。國(guó)外管道運(yùn)營(yíng)商制定專門的伴行路管理維護(hù)方案，伴行路的完好狀況也是管道巡線重點(diǎn)檢查內(nèi)容，除了在管道建設(shè)期間鋪設(shè)伴行路，在管道運(yùn)行階段的維搶修作業(yè)時(shí)也會(huì)注意鋪設(shè)臨時(shí)伴行路，為后續(xù)的管道維護(hù)奠定基礎(chǔ)[5]。目前還缺少適用于山區(qū)的伴行路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，例如中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1443-2011《油氣管道伴行道路設(shè)計(jì)規(guī)范》只適用于普通陸地管道，應(yīng)制定山區(qū)管道伴行路設(shè)計(jì)和維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 并行管道設(shè)計(jì)

采用油氣管道并行敷設(shè)方式具有占用土地少、共用伴行路、方便運(yùn)行維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別是山區(qū)采用該方式更具優(yōu)勢(shì)。中緬油氣管道山區(qū)并行敷設(shè)的做法是：

（1）并行管道共用隧道、涵洞和河流跨越的管橋；

（2）并行管道共用伴行路和施工作業(yè)帶；

（3）天然氣管道和原油管道原則上不能并行敷設(shè)，但在山區(qū)沿窄溝、山脊等狹窄地帶，或者獨(dú)立敷設(shè)土方工程量大時(shí)可采用并行敷設(shè)；

（4）原油管道和天然氣管道并行敷設(shè)時(shí)間距不小于1.5m，原油管道和成品油管道并行敷設(shè)時(shí)間距不小于1.2m；

（5）山區(qū)管道并行敷設(shè)應(yīng)用沙袋填充隔斷，并分別設(shè)置管道標(biāo)志樁。

中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1358-2010《油氣管道并行敷設(shè)技術(shù)規(guī)范》缺乏山區(qū)管道并行敷設(shè)的規(guī)定，應(yīng)補(bǔ)充山區(qū)管道并行敷設(shè)的安全要求。

5 中緬山區(qū)管道創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中緬原油管道屬于大落差管道，突出特征是大落差原油管道輸送工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要是：存在翻越點(diǎn)，沿程摩阻大；高點(diǎn)可能存在不滿流狀態(tài)或者液柱分離問題，成為管道運(yùn)行安全隱患。中緬原油管道輸送工藝中采用變頻調(diào)速泵與固定泵結(jié)合、串聯(lián)泵與并聯(lián)泵結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，在高程差局部高點(diǎn)設(shè)置減壓站，例如在高程差1800m的盤縣、高程差1600m的丁山鎮(zhèn)。開發(fā)原油管道不滿流預(yù)測(cè)軟件，確定管道投產(chǎn)階段和運(yùn)行階段存在氣體的可能性和位置，必要時(shí)采用高點(diǎn)排氣措施。

中緬管道沿線含地震9級(jí)烈度區(qū)的管段約56km，抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為可承受50年一遇地震，地震區(qū)域選擇X70HD1 大變形、高韌性管材，不穩(wěn)定斷層管段選擇 X70HD2大變形、高韌性管材；優(yōu)化管道與地質(zhì)斷層帶的交叉角度，計(jì)算管道最大變形量滿足要求；管道穿越地質(zhì)斷層帶時(shí)采用加寬管溝，并用非粘性土壤回填，增加管道容許變形空間。

此外，中緬管道隧道設(shè)計(jì)中采用曲墻仰拱的橫截?cái)嗝嫘问?；河流穿跨越采用了油氣雙管（或三管）上、下層布置的跨越方案；針對(duì)怒江局部大風(fēng)環(huán)境管段采用了柔性干擾索結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)方案。

6 鋼管損傷及處理

近年來國(guó)外長(zhǎng)輸管道施工應(yīng)用的新技術(shù)包括大型穿越定向鉆和盾構(gòu)技術(shù)，大型河流、山澗、沖溝的跨越技術(shù)，管道穿越鐵路、公路的光固化套管保護(hù)技術(shù)，管道在濕陷土、膨脹土及永凍土等特殊地質(zhì)地區(qū)的安全防護(hù)技術(shù)，以及管道內(nèi)焊接、半自動(dòng)焊接技術(shù)等。管道施工國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50369《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和中石油管道施工標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 1059《油氣輸送管道線路工程施工技術(shù)規(guī)范》比較完善，主要問題是存在強(qiáng)力施工造成管道損傷的問題，難以根本杜絕且監(jiān)管難度大[6]。

特別是山區(qū)管道施工難度大、作業(yè)空間有限、土壤礫石結(jié)構(gòu)多等原因，鋼管在運(yùn)輸、吊裝、下管過程中由于碰撞、擠壓發(fā)生損傷的可能性大。GB 50369規(guī)定鋼管凹坑深度不應(yīng)超過公稱管徑2%，問題是未規(guī)定超過該值進(jìn)行修復(fù)的要求。ASME B31.8規(guī)定輸氣管道凹坑深度應(yīng)小于管徑的2%，ASME B31.4規(guī)定輸油管道凹坑的深度應(yīng)小于管徑的6%，凹坑位于縱向焊縫或環(huán)向焊縫處，或者影響彎管通過曲率半徑時(shí)，應(yīng)將存在凹坑的缺陷管段整體切除。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 93.010.00-KTH-114-2007《干線石油管道建筑安裝工程施工和驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度大于539MPa的鋼管，如鋼管凹坑深度超過公稱管徑3.5%應(yīng)進(jìn)行割管，小于公稱管徑3.5%進(jìn)行修復(fù)。國(guó)內(nèi)管道工程施工過程中很少進(jìn)行缺陷鋼管修復(fù)，建議GB 50369補(bǔ)充含凹坑缺陷鋼管的修復(fù)要求。

7 鋼管下溝防護(hù)

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.4規(guī)定管道下溝過程應(yīng)小心謹(jǐn)慎，管道應(yīng)不受外力條件下放置在管溝底部。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50369和Q/SY 1059規(guī)定了管道吊重設(shè)備使用要求，缺少禁止強(qiáng)力吊管下溝的要求。國(guó)內(nèi)管道施工過程普遍存在多種因素導(dǎo)致管道變形的問題，包括：石方段土質(zhì)處理不達(dá)標(biāo)，吊管與管溝轉(zhuǎn)角角度不一致，管道下溝吊具使用不合理，直管段連帶彎頭、彎管下溝，管溝底部不平整造成管道局部懸空，管溝回填土中含礫石塊等。建議GB 50369和Q/SY 1059補(bǔ)充管道吊裝下溝的過程質(zhì)量控制要求。

8 試壓管段劃分

試壓是管道施工過程的重要環(huán)節(jié)，也是驗(yàn)證管道施工質(zhì)量的技術(shù)手段。GB 50369規(guī)定水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)管段長(zhǎng)度不宜超過35km和18km，核算管道低點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)大于管材最低屈服強(qiáng)度的0.9倍，特殊地段不超過0.95倍。國(guó)內(nèi)山區(qū)管道試壓管段劃分多受制于標(biāo)準(zhǔn)，例如澀寧蘭管道位于雞拉山管段長(zhǎng)度35km，高程差1110m，為保證低點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力滿足規(guī)范要求，該管段試壓分成兩部分，增加了工作量。

國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)試壓管段長(zhǎng)度沒有具體數(shù)值要求，僅要求管道最高點(diǎn)必須達(dá)到所需的試驗(yàn)壓力，必要時(shí)根據(jù)管道所處地形狀況，管道試壓管段長(zhǎng)度可進(jìn)行調(diào)整。例如蘇丹原油管道大部分處于沙漠缺水和山區(qū)，水源獲取困難，試壓管段長(zhǎng)度最大延長(zhǎng)至60km，減少了工作量。建議山區(qū)管道應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)試壓管段長(zhǎng)度，保證管道高點(diǎn)達(dá)到最低試驗(yàn)壓力要求，管道最低點(diǎn)不超過SMYS，必要時(shí)根據(jù)線路閥室劃分試壓管段，避免試壓分段過多。

9 管道試壓介質(zhì)

氣體試壓如發(fā)生管道破裂事故，會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失，例如1955年西方輸氣公司事故輸氣管道撕裂長(zhǎng)度約13km。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)傾向于采用水作為試壓介質(zhì)，例如ASME B31.4只規(guī)定了輸油管道的水壓試驗(yàn)要求。針對(duì)輸油管道試壓介質(zhì)，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)原則上應(yīng)采用水，但GB 50253和GB 50369規(guī)定山區(qū)水源獲取困難的區(qū)域可以進(jìn)行氣體試驗(yàn)。針對(duì)輸氣管道試壓介質(zhì)，在水源供應(yīng)、環(huán)境及自然條件受到限制的情況下，山區(qū)管道允許采用空氣進(jìn)行強(qiáng)度試壓，但應(yīng)限制應(yīng)力水平，并制定安全防爆措施。

氣體試壓應(yīng)嚴(yán)格限定應(yīng)用條件和應(yīng)力水平，應(yīng)根據(jù) Battelle 公式和Brian N Leis公式計(jì)算管材止裂韌性， 防止發(fā)生管道撕裂事故。GB 50251和ASME B31.8規(guī)定三級(jí)和四級(jí)地區(qū)最大環(huán)向應(yīng)力分別小于0.5SMYS和0.4SMYS；CSA Z662氣體試壓的環(huán)向應(yīng)力不超過0.8SMYS。

10 最大試壓強(qiáng)度

Q/SY 1059規(guī)定管道最大試壓強(qiáng)度為低點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力不大于0.9倍SMYS，特殊地段不得大于0.95倍SMYS。我國(guó)西氣東輸三線采用0.8設(shè)計(jì)系數(shù)的管段長(zhǎng)度為261km，管材API-5L X80，直徑1219mm，壁厚16.5/18.4/22/26.4mm，最小屈服強(qiáng)度555MPa，設(shè)計(jì)壓力12MPa。試驗(yàn)管段最高點(diǎn)處的管道環(huán)向應(yīng)力不低于SMYS，且最低點(diǎn)處的管道環(huán)向應(yīng)力不高于1.05倍SMYS，強(qiáng)度試壓不少于4h。國(guó)外管道普遍采用較高試驗(yàn)壓力，水壓試驗(yàn)的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到1.0～1.1倍 SMYS，例如美國(guó)1974年采用1.0～1.1倍SMYS強(qiáng)度試壓的管道長(zhǎng)度已達(dá)124302km，美國(guó)安然公司和殼牌公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定最高強(qiáng)度試驗(yàn)壓力可達(dá)到1.0倍SMYS；加拿大聯(lián)盟輸氣管道試壓強(qiáng)度為1.05倍SMYS[7]。建議山區(qū)管道最大試壓強(qiáng)度應(yīng)至少達(dá)到1.0倍SMYS，盡可能消除管材應(yīng)力和裂紋缺陷，驗(yàn)證管道承壓能力和輸送能力，還可以延長(zhǎng)管道試壓長(zhǎng)度，減少工作量。

11 大落差原油管道投產(chǎn)技術(shù)

空管投油是世界上主流的管道投產(chǎn)方式，美國(guó)阿拉斯加原油管道、加拿大貫山管道、歐洲原油管道、科洛尼爾成品油管道均采用了這一方式。國(guó)內(nèi)管道投產(chǎn)一般采用全線水聯(lián)運(yùn)、油頂水的方式，主要考慮了原油物性差、原油泄漏風(fēng)險(xiǎn)等因素。大落差原油管道投產(chǎn)需要解決的主要問題有管道低點(diǎn)“氣阻”現(xiàn)象導(dǎo)致輸油泵停運(yùn)問題，以及管道低點(diǎn)氣體排放、氣體隔離等問題。近年來我國(guó)建設(shè)運(yùn)營(yíng)了西部成品油管道、蘭成原油管道等大落差山區(qū)管道，積累了很多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如西部成品油管道實(shí)現(xiàn)了空管投油方式，對(duì)比分析了空管投油和水聯(lián)運(yùn)投油的優(yōu)缺點(diǎn)，確定采用空管投油方案，并解決了空管投油中前行油品保護(hù)、高點(diǎn)排氣、自動(dòng)化設(shè)備調(diào)試、預(yù)防大落差不滿流等問題，提出了可行性技術(shù)控制措施。

12 結(jié)論和建議

（1）十二五期間，我國(guó)先后建成投產(chǎn)了蘭成渝、西部管道、中緬管道等大型山區(qū)長(zhǎng)輸管道工程，應(yīng)用了大變形鋼材地震區(qū)設(shè)計(jì)、油氣管道山區(qū)并行敷設(shè)、山區(qū)隧道河流穿跨域、大落差山區(qū)管道投產(chǎn)等技術(shù)，山區(qū)管道設(shè)計(jì)已處于國(guó)際先進(jìn)水平，存在的主要問題有管道下溝和回填質(zhì)量控制有待改進(jìn)，還未廣泛應(yīng)用高強(qiáng)度水壓試驗(yàn)技術(shù)，山區(qū)管道線路管理工作需要加強(qiáng)等；

（2）山區(qū)管道標(biāo)準(zhǔn)存在缺失問題，建議制定《山區(qū)管道伴行路設(shè)計(jì)和維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》、《山區(qū)管道壓力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》和《大落差原油管道空管投油技術(shù)規(guī)范》等；

（3）建議山區(qū)管道在滿足制管水平、施工工藝和地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，酌情提高管道設(shè)計(jì)系數(shù)至0.8；

（4）借鑒美國(guó)管道線路閥室選址原則，即使截?cái)嚅y室之間管道破裂后所造成的泄漏油品損失達(dá)到最小，重視管道失效后果和危害性對(duì)社會(huì)公眾環(huán)境的影響；

（5）借鑒美國(guó)山區(qū)管道閥室間距允許調(diào)整的原則，原油、成品油管道的截?cái)嚅y室間距允許在10%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，天然氣管道的截?cái)嚅y室間距允許在25%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整；

（6）加強(qiáng)山區(qū)管道施工過程中管溝開挖、鋼管吊裝和鋼管安全防護(hù)的質(zhì)量管控監(jiān)督，補(bǔ)充施工過程中鋼管缺陷檢查和返廠修復(fù)的內(nèi)容。