高寒區(qū)管道運(yùn)行維護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀綜述

劉海鵬 黃曉波 李旭海 張凱靈 馮建龍 馬偉平

1. 中油國際管道有限公司, 北京 100029; 2. 中國石油管道局工程有限公司質(zhì)量安全環(huán)保部, 河北 廊坊 065000; 3. 中國石油西南管道南寧輸油氣分公司, 廣西 南寧 541300; 4. 中國石油西南油氣田公司輸氣管理處, 四川 成都 610213; 5. 中國石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院地面工程設(shè)計(jì)所, 新疆 鄯善 838202; 6. 中國石油管道科技研究中心, 河北 廊坊 065000

0 前言

中俄原油管道是中國第一條穿越高寒區(qū)的大型管道工程,是我國重要的能源戰(zhàn)略通道[1]。高寒區(qū)管道運(yùn)行維護(hù)的突出問題是凍土地質(zhì)災(zāi)害、低溫維搶修和管道腐蝕防護(hù)等[2],而我國缺少高寒區(qū)管道運(yùn)行維護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3-4]。中俄原油管道投產(chǎn)以來,針對(duì)高寒區(qū)管道凍土地質(zhì)災(zāi)害防治、特殊環(huán)境維搶修和低溫腐蝕防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了探索研究。加拿大、美國和俄羅斯已在高寒凍土區(qū)建設(shè)多條油氣管道,特別是Norman Wells、Trans-Alaska管道在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,進(jìn)行了大量系統(tǒng)的管道凍害防治技術(shù)研究[5]。研究國內(nèi)外高寒區(qū)管道運(yùn)行維護(hù)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和做法,有助于提升中國高寒區(qū)管道運(yùn)行維護(hù)技術(shù)水平,并為中俄東線管道項(xiàng)目提供借鑒。

1 國內(nèi)外高寒區(qū)管道工程

俄羅斯東西伯利亞—太平洋原油管道建設(shè)于20世紀(jì)70年代,全長 2 694 km,穿越永凍土600多千米,采用埋地敷設(shè)方式。加拿大Norman Wells管道1985年投產(chǎn),全長869 km,管徑325 mm,設(shè)計(jì)壓力10 MPa,采用常溫輸送工藝,是北美第一條穿越多年凍土區(qū)的原油管道。美國Trans-Alaska管道1977年投產(chǎn),全長 1 288 km,管徑 1 219 mm,設(shè)計(jì)壓力8 MPa,設(shè)計(jì)輸量1.2×108t/a；管道采用X 60、X 65和X 70耐低溫管材,壁厚11.7 mm；管道穿越凍土區(qū)架空敷設(shè)676 km,穿越北極和亞北極連續(xù)和不連續(xù)凍土區(qū),其中75%為多年凍土區(qū)。

中俄原油管道全長965 km,采用常溫輸送俄羅斯原油(凝點(diǎn)小于-10 ℃),管材為X 65鋼級(jí),管徑813 mm,壁厚11 mm,設(shè)計(jì)壓力8.0 MPa,設(shè)計(jì)輸量 1 500×104t/a。中俄原油管道經(jīng)過凍土區(qū)管段約440 km,相對(duì)俄羅斯、加拿大的永久凍土,多為島狀季節(jié)性、不穩(wěn)定凍土,差異性凍脹融沉發(fā)生概率高。中俄原油管道穿越大興安嶺，地貌復(fù)雜,地下水豐富,沼澤、河漫灘交替分布,穿越大中型河流11條,管道發(fā)生凍脹融沉的區(qū)域分散。

2 高寒區(qū)管道運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 地質(zhì)災(zāi)害

中俄原油管道埋深在1.6～2 m,接近多年凍土區(qū)上限。高寒區(qū)管道地質(zhì)災(zāi)害主要是凍脹融沉和熱融滑塌[6-7]。凍土災(zāi)害造成管道拱起或下沉,管道持續(xù)位移產(chǎn)生附加應(yīng)力,可能導(dǎo)致管道褶皺、彎曲甚至斷裂。土壤含冰量大的斜坡,融化后土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低,融化層沿多年凍土上限滑塌,威脅敷設(shè)于斜坡的管道。管道建設(shè)階段,管溝開挖回填切斷地下水流動(dòng)路徑,地下水在管溝積聚,易發(fā)育凍脹丘、冰錐等凍土形式。管道運(yùn)行期間,維搶修進(jìn)行凍土開挖,表層植被被破壞,隔熱作用減弱,地表吸收熱量,凍土融化概率高。

2.2 焊接施工

中俄原油管道X 65鋼級(jí)焊接質(zhì)量要求高,低溫環(huán)境對(duì)焊接環(huán)境溫度及焊工操作造成影響。管道不可避免存在未熔合、夾渣、咬邊等缺陷,還可能存在裂紋或者殘余應(yīng)力,在非設(shè)計(jì)載荷條件下,存在焊口失效及低溫脆斷的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 管道管理

中俄原油管道在日常管理、維搶修和應(yīng)急等方面的突出問題是[8]:自然環(huán)境和社會(huì)依托差、信息聯(lián)絡(luò)溝通困難;缺少低溫條件下凍土、沼澤、濕地專用維搶修設(shè)備;部分閥室距離大中型河流較遠(yuǎn),對(duì)管道穿越河流的油品泄漏事故控制能力弱;管道伴行路少、管道巡線困難、第三方施工較多;凍土和低溫條件導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)失效。還應(yīng)考慮嚴(yán)寒條件下人員安全和健康問題。

3 凍土地質(zhì)災(zāi)害防治

中俄原油管道應(yīng)用慣性測(cè)量單元(IMU)內(nèi)檢測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)管道基線、中心線位移變化趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)。針對(duì)凍脹融沉重點(diǎn)管段,綜合應(yīng)用溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)、管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、管道機(jī)械式位移監(jiān)測(cè)及探地雷達(dá)等技術(shù),監(jiān)測(cè)管道周圍融化圈和管道變形情況,先后試驗(yàn)應(yīng)用管溝換填細(xì)土層、熱棒技術(shù)和支撐結(jié)構(gòu)等防護(hù)方法,中俄原油管道沿線建設(shè)了6處“熱棒+換填”的凍脹融沉災(zāi)害治理案例工程[9],見圖1。針對(duì)熱熔滑塌重點(diǎn)管段,借鑒加拿大Norman Wells管道做法,縱坡地段采用“木屑護(hù)坡”方式防止凍土融化,增強(qiáng)斜坡穩(wěn)定性。

美國Trans-Alaska管道為徹底解決差異性融沉變形導(dǎo)致管道斷裂的問題,在管道通過676 km高含冰量不穩(wěn)定凍土區(qū)采用VSM支撐架+熱管的架空敷設(shè)方式,兩側(cè)熱管用于冷卻和保護(hù)凍土并起到支撐作用[10-11],見圖2。

圖1 中俄原油管道采用熱棒技術(shù)治理凍脹融沉災(zāi)害照片F(xiàn)ig.1 Sino-Russia crude oil pipeline adopte thermal probe to control frost heave and thawing settlement disaster

圖2 美國Trans-Alaska管道穿越凍土區(qū)的架空敷設(shè)方式照片F(xiàn)ig.2 Overhead laying method of Trans-Alaska pipeline crossing frozen soil area in the United States

4 管道檢測(cè)評(píng)價(jià)

中俄原油管道應(yīng)用的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)包括幾何檢測(cè)、IMU內(nèi)檢測(cè)和三軸高清漏磁檢測(cè)等[12],可識(shí)別管道變形、金屬損失、螺旋焊縫缺陷和環(huán)焊縫缺陷。根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)ASME B31 G-2012《確定已腐蝕管線剩余強(qiáng)度的手冊(cè)》進(jìn)行缺陷評(píng)價(jià),按照缺陷嚴(yán)重程度、是否處于高后果區(qū)等進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序,結(jié)合管道停輸時(shí)間、運(yùn)行壓力調(diào)整,制定缺陷修復(fù)方案。

從1989年開始,加拿大Norman Wells管道每年進(jìn)行1次IMU內(nèi)檢測(cè),評(píng)估不穩(wěn)定土體運(yùn)動(dòng)和差異性融沉對(duì)管道的影響。隨著積累多次內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù),可判定管道系統(tǒng)位移變化趨勢(shì),并為管道系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

5 管道維搶修

5.1 高寒區(qū)管道特殊維搶修設(shè)備

中俄原油管道冬季平均溫度低于-30 ℃,常規(guī)維搶修設(shè)備無法完全保證達(dá)到正常工作要求,例如管道切管機(jī)作業(yè)溫度不低于-10 ℃。高寒區(qū)管道特殊維搶修設(shè)備的配備如下:中俄原油管道配備了PC 400大馬力挖掘機(jī)等大功率設(shè)備,還配備了俄羅斯制造的割冰機(jī),用于河流穿越段油品泄漏的收集圍控；俄羅斯管道行業(yè)應(yīng)用了履帶機(jī)車[13],可用于設(shè)備運(yùn)輸和挖掘作業(yè),可進(jìn)入沼澤地區(qū)或冰雪地區(qū),見圖3～4；美國管道行業(yè)凍土開挖應(yīng)用了液壓挖掘機(jī),包括水力沖擊機(jī)、吸泥器、水力噴射器等附件設(shè)施,先用熱水軟化土壤,高壓水射流用于切割凍土,土壤粉碎被真空軟管吸走,挖掘速度快,特別適用于含缺陷管道的開挖情形[14]。

圖3 凍土區(qū)履帶式管溝開挖設(shè)備照片F(xiàn)ig.3 Crawler pipe trench excavation equipment in permafrost region

圖4 沼澤地及凍土區(qū)管道搶修一體化車輛照片F(xiàn)ig.4 Integrated vehicle for pipeline emergency and repair in swamp and permafrost region

5.2 凍土區(qū)管溝開挖

針對(duì)計(jì)劃性維修,凍土區(qū)管溝開挖方法是采用傳溫熔化法,加熱凍土后進(jìn)行人工開挖,持續(xù)時(shí)間較長,但不產(chǎn)生振動(dòng),適用于凍土層厚度較大、管道存在缺陷的情形。針對(duì)凍土層厚度不大的情形,采用配備松土器的挖掘機(jī)開挖,利用單鉤鏟斗可較快清除表層凍土。該方法簡(jiǎn)單快速,但挖掘振動(dòng)大,容易造成含缺陷管道的缺陷擴(kuò)展,不適合含缺陷管道修復(fù)作業(yè)。

5.3 凍土區(qū)管溝回填

中俄原油管道管溝回填方法是在管道敷設(shè)過程中換填低凍脹性的粗顆粒土或沙土進(jìn)行換填和回填[15]。管底300 mm以下采用粗土,管底300 mm以上采用細(xì)土,細(xì)土層應(yīng)回填至管頂上方300 mm,細(xì)土最大粒徑不超過10 mm。為減少管溝回填土體的融沉量,管溝回填宜分層壓實(shí)。由于管溝回填中的凍土不能完全壓實(shí),存在來年夏季融化下沉風(fēng)險(xiǎn)。在高含冰量?jī)鐾凉芏?應(yīng)在冬季進(jìn)行二次回填,回填土高度應(yīng)高出地面30 cm。

5.4 沼澤地維搶修

中俄原油管道配備了俄羅斯生產(chǎn)的沼澤地專用拼裝路面設(shè)備。針對(duì)沼澤地等特殊環(huán)境維搶修作業(yè),充分考慮設(shè)備改造、進(jìn)場(chǎng)路鋪設(shè)、構(gòu)筑修理平臺(tái)、開挖作業(yè)坑、溢油控制回收等各方面因素,實(shí)現(xiàn)吊車、挖掘機(jī)等大型設(shè)備進(jìn)場(chǎng),以及泥濘環(huán)境下溢油圍控,保證沼澤地維搶修順利進(jìn)行。

5.5 焊接低溫防護(hù)

GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》規(guī)定雨雪天氣或環(huán)境溫度低于5 ℃,應(yīng)考慮低溫焊接作業(yè)的加熱、保溫和人員防護(hù)措施。低溫焊接作業(yè)應(yīng)搭建作業(yè)坑保溫棚,提高焊接作業(yè)環(huán)境溫度。焊接前進(jìn)行焊口預(yù)熱,預(yù)熱后使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行檢測(cè),預(yù)熱溫度達(dá)到焊接評(píng)定要求才能進(jìn)行焊接。焊接過程適當(dāng)增加電流,嚴(yán)格控制層間溫度。焊接完成,用石棉保溫被進(jìn)行緩慢冷卻,保溫時(shí)間至少30 min。

6 管道輸送溫度

中俄原油管道投產(chǎn)以來,實(shí)際輸油溫度在2.6～16.8 ℃之間,長期處于正溫運(yùn)行工況,溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明管道周圍存在融化圈,位移監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)管道產(chǎn)生一定融沉量,管道巡檢發(fā)現(xiàn)部分管段發(fā)生凍脹，造成埋深減小。

針對(duì)管道輸送溫度問題,加拿大Norman Wells管道采取降溫措施,原油在輸送之前輸油溫度冷卻至-1 ℃或者接近地溫,減少管道散熱對(duì)凍土的影響;為避免凍土融化,美國Trans-Alaska管道穿越640 km凍土區(qū)管段采用熱棒進(jìn)行降溫。

7 管道線路巡線

中俄原油管道采用人工巡線、車輛巡線、直升機(jī)以及無人機(jī)巡線等多種方式,保證管道巡線工作可靠性,爭(zhēng)取在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)油氣泄漏特征,以及管道附近的第三方破壞活動(dòng)等異常事件。還應(yīng)用了涵道式單旋翼無人機(jī),其具有巡護(hù)范圍廣、自動(dòng)導(dǎo)航或人工控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控拍攝視頻資料、重點(diǎn)區(qū)域巡護(hù)等優(yōu)點(diǎn),適用于森林、沼澤、河灘等人員難以接近的管段[16]。

國外干線管道廣泛采用飛機(jī)巡線、汽車巡線、步行巡線等方式,特殊地區(qū)還采用輪船巡線[17-18]。加拿大Norman Wells管道每周要進(jìn)行直升機(jī)巡線一次,嚴(yán)密觀察管道周圍的變化,包括無人值守閥室、第三方施工、河流沖刷、斜坡滑移、管道標(biāo)志樁等情況。

8 管道腐蝕防護(hù)

中俄原油管道采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式,在凍土區(qū)設(shè)計(jì)柔性陽極平行鋪設(shè)作為輔助陽極,陰極保護(hù)電位測(cè)試采用高純鋅參比電極。從實(shí)際應(yīng)用效果來看,在冬季低溫條件下,高純鋅參比電極漂移嚴(yán)重。研發(fā)了長效抗凍性參比電極,在管道沿線重點(diǎn)管段埋設(shè),保證準(zhǔn)確測(cè)量管道保護(hù)電位。

高寒區(qū)土壤凍結(jié)后,電阻率大幅增加,若采用強(qiáng)制電流保護(hù)方式,陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出很大,經(jīng)濟(jì)性較差[19]。俄羅斯干線管道和油氣站場(chǎng)均有采用犧牲陽極保護(hù)方式的案例[20]。美國Trans-Alaska管道采用分段犧牲陽極保護(hù)的方式,主管段采用連續(xù)的鋅帶陽極進(jìn)行保護(hù)。

9 結(jié)論

國內(nèi)外高寒區(qū)管道運(yùn)行維護(hù)的公認(rèn)做法是實(shí)施凍土凍脹融沉防治技術(shù)和管道位移監(jiān)測(cè),定期進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè),準(zhǔn)確掌握管道系統(tǒng)狀況,將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi),科學(xué)制定缺陷修復(fù)方案,保障管道本質(zhì)安全。展望未來，高寒區(qū)管道設(shè)計(jì)建設(shè)的發(fā)展方向是全生命周期免維搶、設(shè)備遠(yuǎn)程控制和數(shù)字化管理,針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)管段考慮設(shè)計(jì)安全冗余量,采用高低溫韌性和大變形能力的管材。此外還應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)、驗(yàn)證和推廣管道融沉防治新技術(shù),研制適用于極寒地區(qū)的管道維搶修的挖掘機(jī)械、破冰設(shè)備和履帶型機(jī)車。