油氣長輸管道地質(zhì)災害監(jiān)測標準分析

王 婷，王巨洪，王學力，陳 健，王 新，荊宏遠，常 青

1中國石油管道公司，河北 廊坊

2中國石油北京天然氣管道分公司，河北 石家莊

1. 引言

長輸油氣管道沿途地質(zhì)災害類型多、成因復雜、危及范圍廣。因其“致災性”難以逆轉(zhuǎn)，一旦預防措施不當難于補救，所導致的管道事故又極易誘發(fā)嚴重的次生災害，其直接和間接損失往往比其他類別的事故更大[1] [2] [3]。我國是世界上地質(zhì)災害較為嚴重的國家之一。隨著長輸油氣管道里程的逐年增長、沿線各種人類工程的擾動和自然環(huán)境突發(fā)事件的愈發(fā)頻繁，管道地質(zhì)災害已無可避免地呈多發(fā)態(tài)勢，管道運行安全與管道地質(zhì)災害之間的矛盾日益凸顯。若能適時掌握其應(yīng)變演變的過程性指征和指標，就能做到及時預警，“防患于未然”。

為能及時發(fā)現(xiàn)管道地質(zhì)災害并有效進行管道地質(zhì)災害預測預報，管道行業(yè)編制了多項標準，通過結(jié)合管道地質(zhì)災害的特點，利用和借鑒地質(zhì)災害領(lǐng)域中先進的監(jiān)測預警技術(shù)，達到地質(zhì)災害風險有效管控的目的。本文就油氣長輸管道地質(zhì)災害監(jiān)測現(xiàn)行標準進行分析討論，并提出標準使用及標準整合建議。

2. 現(xiàn)有標準情況

2.1. 不同標準中有相關(guān)風險評價/等級劃分條款

當前管道地質(zhì)災害監(jiān)測技術(shù)及標準種類較多，且已逐漸體系化[4]-[10]。從監(jiān)測對象上劃分主要可分為兩大類：

一是以滑坡、崩塌、泥石流等導致災害發(fā)生的不良地質(zhì)環(huán)境，即“致災體”為監(jiān)測對象的技術(shù)。其目的是掌握災害體的變形和活動特征，為其穩(wěn)定性評價、管理部門決策、災害防治工程設(shè)計施工、防治效果檢驗提供基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù)。致災體主要包括：滑坡和崩塌(危巖體)、泥石流、采空區(qū)、強震區(qū)和活動斷層等。該類技術(shù)標準與常規(guī)地質(zhì)災害監(jiān)測相似，根據(jù)地質(zhì)災害的規(guī)模、種類、等級程度選擇不同的監(jiān)測手段；監(jiān)測設(shè)備根據(jù)地質(zhì)災害類型、地質(zhì)體穩(wěn)定性的不同也隨之有差異。

二是以遭受致災體破壞的長輸油氣管道，即“承災體”為監(jiān)測對象的技術(shù)標準。其目的是掌握管體在地質(zhì)災害作用下的受力和變形狀態(tài)，為管道完整性評價和安全防護提供依據(jù)。

Table 1. Existing monitoring standards for geological hazards and correspondence with risk level 表1. 現(xiàn)有地災監(jiān)測標準及與風險等級對應(yīng)情況

2.2. 現(xiàn)有標準應(yīng)用的主要問題

由表1 可以看出，現(xiàn)行標準既有針對不同災害類型的標準，也有監(jiān)測技術(shù)標準，還有較為綜合的地災風險評價和治理標準。大部分標準中都有監(jiān)測等級與地災風險等級相對應(yīng)的條款，但風險等級劃分、監(jiān)測等級與風險等級對應(yīng)情況各標準并不一致，還有一項標準中存在多種劃分標準，給標準使用帶來不便。此外，標準中提出了針對不同地災類型的多種監(jiān)測技術(shù)手段，但對于各類監(jiān)測手段應(yīng)用的時機條件、具體實施方式，數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)傳輸方式等問題規(guī)定的并不明確[11]-[21]。

1) 監(jiān)測等級、風險分級不統(tǒng)一、不明確

部分地災類型對應(yīng)的標準等級劃分不同，不利于管理者進行統(tǒng)一決策，如Q/SY 1673-2014《油氣管道滑坡災害監(jiān)測規(guī)范》分為3 級，DZ/T 0221-2006《崩塌、滑坡、泥石流監(jiān)測規(guī)范》中分為4 級；SY/T6828-2011《油氣管道地質(zhì)災害風險管理技術(shù)規(guī)范》中Ⅲ級監(jiān)測點對應(yīng)中風險等級，Q/SY 1673-2014《油氣管道滑坡災害監(jiān)測規(guī)范》中Ⅱ級監(jiān)測點對應(yīng)中風險等級。

建設(shè)期標準和運營期標準不一致，運營期考慮了管道失效后果。部分標準中對后果和風險采用“較高”、“較大”等描述，實際應(yīng)用中判斷標準不明確，可操作性較差。

2) 各監(jiān)測技術(shù)具體應(yīng)用方式不明確

首先，在何種條件下應(yīng)用何種監(jiān)測技術(shù)各標準中并未十分明確，此外監(jiān)測手段的具體布置方式、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)傳輸方式等內(nèi)容沒有明確，且不同標準對于監(jiān)測頻率的規(guī)定也不一致，例如SY/T6828-2011《油氣管道地質(zhì)災害風險管理技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定“I 級監(jiān)測點監(jiān)測周期為15 d～30 d，II 級監(jiān)測點監(jiān)測周期為30 d，比較穩(wěn)定的可調(diào)整為60 d”，Q/SY 1673-2014《油氣管道滑坡災害監(jiān)測規(guī)范》中規(guī)定“一級、二級監(jiān)測點應(yīng)至少每15 d 觀測1 次”。

3. 標準中關(guān)于管道本體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測報警閾值問題探討

管道本體監(jiān)測是各標準中普遍推薦的監(jiān)測手段，但僅有少數(shù)標準給出了監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用方法，例如計算公式、報警閾值等。由于涉及到力學計算，標準中給出的公式和計算方法往往較為復雜，給出的閾值參考表由于條件的預設(shè)往往缺乏指導性，甚至如果在標準使用者不了解閾值計算過程的前提下，還可能會誤導使用者。

例如根據(jù)ASME B31.8-2014，受約束管道組合應(yīng)力校核應(yīng)滿足如下條件[22]：

在役管道應(yīng)力校核計算采用公式(1)或公式(2)，計算結(jié)果應(yīng)不超過0.9SMYS：

上式中， SH為環(huán)向應(yīng)力； SL為軸向應(yīng)力； SH? SL為最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值，即剪切應(yīng)力。通常，根據(jù)第三強度理論選擇公式(1)，分別校核剪切應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力及軸向(凈值、組合)應(yīng)力均滿足不超過0.9SMYS。

SL為內(nèi)壓在軸向產(chǎn)生的應(yīng)力 SP、溫變產(chǎn)生的應(yīng)力 ST、彎曲產(chǎn)生的軸向力 SB、其他軸向外力 SX之和，即 SL= SP+ ST+ SB+ SX，當不考慮溫變及彎曲時， SL= SP+ SX。

SH在壁厚設(shè)計時已經(jīng)考慮，不會超限，即只考慮 SL和 SH? SL即可：

根據(jù)ASME B31.8-2014，受約束管道由內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力為：

將公式(5)帶入公式(3)和公式(4)可得：

當SX> 0 時，即外加力為拉應(yīng)力，公式(6)為限制條件；

當SX< 0 時，即外加力為壓應(yīng)力，公式(7)為限制條件。

參照某標準中給出的管道條件，見表2。

Table 2. Reference table for allowable additional stress threshold of pipeline 表2. 常用管道允許附加應(yīng)力閾值參考表

可得出：

標準中由于考慮了?20℃的溫差，即假設(shè)管道運行溫度比閉合溫度高20℃，管道投產(chǎn)運行后溫度變化會引入50.4 MPa 的壓應(yīng)力，因此提高了管道所能承受拉應(yīng)力的允許值，降低了壓應(yīng)力的允許值。而實際上，對于不同介質(zhì)、不同地區(qū)管道而言，運行溫度與閉合溫度的差值均不相同。標準中雖然是在資料性附錄中給出了“常用管道允許附加應(yīng)力閾值參考表”，但對于不了解計算過程的使用者而言，容易造成誤導。

4. 標準修改整合建議

1) 統(tǒng)一地質(zhì)災害風險等級的劃分方法及監(jiān)測等級與地災風險等級的對應(yīng)情況，有效指導標準使用者對風險的判斷及監(jiān)測等級的選擇。建議監(jiān)測包含專業(yè)監(jiān)測和群測群防監(jiān)測方法，按照失穩(wěn)或活動危害性，將專業(yè)監(jiān)測分為3 級，連同群測群防監(jiān)測，給出規(guī)定采用的監(jiān)測技術(shù)原則。

2) 針對不同地災類型的多種監(jiān)測技術(shù)手段，按級別給出監(jiān)測內(nèi)容對應(yīng)表、監(jiān)測頻率等。明確在何種條件下應(yīng)用何種監(jiān)測技術(shù)，即各類監(jiān)測手段應(yīng)用時需要滿足的條件，以及具體實施方式，每項地質(zhì)災害類型采集的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)傳輸方式等問題，做到標準條款具有可操作性。

3) 對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和使用應(yīng)有相關(guān)規(guī)定，同時附計算公式、報警閾值等，或指向相關(guān)標準。對于給出的閾值參考表，要明確有哪些不確定性因素以及對于計算結(jié)果的影響，使標準使用者做到心中有數(shù)。實際上，應(yīng)綜合考慮管材、管徑、壁厚、焊縫、環(huán)境、失效模式等各種因素確定預警閾值，評估管道的完整性。