天然氣管道穿越水源保護(hù)區(qū)的保護(hù)方案研究

四川省天然氣管道投資有限公司 何連俊

水源保護(hù)區(qū)的環(huán)境承載力十分脆弱。在該類區(qū)域內(nèi)開(kāi)展工程建設(shè)，如果環(huán)保措施不到位，很容易給環(huán)境造成不可修復(fù)的影響[1]。按照現(xiàn)行的油氣管道設(shè)計(jì)規(guī)范，油氣管道不宜在該類區(qū)域內(nèi)敷設(shè)管道。如管道確需穿越水源保護(hù)區(qū)，需要采取多種措施來(lái)滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求。本文以華東某天然氣管道穿越二級(jí)水源保護(hù)地為例，從設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)等方面對(duì)管道穿越環(huán)境敏感區(qū)的保護(hù)措施進(jìn)行分析和探討，可供今后類似建設(shè)項(xiàng)目參考。

1 工程概況和穿越方式選擇

該工程案例中，華東某燃?xì)夤緮M建設(shè)一條長(zhǎng)60 km、設(shè)計(jì)壓力5.0 MPa、DN400的天然氣管道。根據(jù)天然氣管道的選線規(guī)劃，需穿越一條寬400 m、河床深18 m的大型河流。該河流為當(dāng)?shù)氐亩?jí)飲用水水源保護(hù)區(qū)。對(duì)于天然氣管道穿越該河流的現(xiàn)狀，環(huán)保部門提出“優(yōu)化管道穿越設(shè)計(jì)、施工方案，落實(shí)最嚴(yán)環(huán)保措施，避免對(duì)地下水造成影響”的要求。為達(dá)到環(huán)保部門的嚴(yán)格要求，該工程建設(shè)時(shí)采取了“設(shè)計(jì)時(shí)堅(jiān)持本質(zhì)安全、施工中強(qiáng)化環(huán)保措施、落實(shí)運(yùn)營(yíng)管理制度”的保護(hù)措施。

穿越河流的方式包括圍堰直埋、頂管、盾構(gòu)以及水平定向鉆等。其中：圍堰直埋施工工藝簡(jiǎn)單，但在水源保護(hù)地內(nèi)建設(shè)，對(duì)水域的不利環(huán)境影響最大，本工程案例中不可行；如采取頂管方式穿越，穿越長(zhǎng)度約600 m，穿越深度約30 m，穿越的安全可靠性較差；盾構(gòu)方式穿越一般適用于大管徑、多管線穿越，本工程若對(duì)1根DN400的管道采取盾構(gòu)穿越，投資大、經(jīng)濟(jì)性較差；水平定向鉆技術(shù)自20世紀(jì)80年代引入我國(guó)后，技術(shù)日臻成熟，成本大幅下降，具有工藝成熟、工期短、出入土點(diǎn)遠(yuǎn)離河道而不破壞河流原貌、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[2]，在很多大型河流穿越中得到廣泛應(yīng)用。

另外，適合定向鉆穿越的地質(zhì)條件是粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)沙、軟質(zhì)巖石層等。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，本項(xiàng)目穿越位置地下30 m內(nèi)土層依次為填土、黃色粉質(zhì)黏土、灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾薄層黏質(zhì)粉土等，適合定向鉆穿越的地質(zhì)條件。

經(jīng)上述比選，本工程最終確定采用水平定向鉆方式穿越水源保護(hù)地。

2 管體設(shè)計(jì)

管道本體的合理化設(shè)計(jì)是管道安全可靠的重要保障。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)做到管道的本質(zhì)安全。對(duì)于大型河流管道穿越，更應(yīng)從管材、壁厚等方面提高要求，保證管道的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗震性能滿足要求。

2.1 管材及壁厚選擇

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，管材選用管道韌性較好的L360M直縫埋弧焊鋼管。按照GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》）中5.1.2條管道壁厚計(jì)算公式，得到管道計(jì)算壁厚為5.64 mm?？紤]到本項(xiàng)目管道穿越位置環(huán)保要求較高，經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目一般地段管道壁厚取7.90 mm，穿越段管道壁厚取9.50 mm。

2.2 強(qiáng)度及剛度校核

根據(jù)《設(shè)計(jì)規(guī)范》，輸氣管道應(yīng)計(jì)算由設(shè)計(jì)內(nèi)壓力、外部載荷和溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)使其小于管道的安全承受能力。經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目管道強(qiáng)度滿足要求。管道的剛度應(yīng)滿足鋼管運(yùn)輸、管道施工和運(yùn)行時(shí)的要求，鋼管的外徑與壁厚的比值不應(yīng)大于100。對(duì)于相同直徑的鋼管，壁厚越厚D/δ就越小，鋼管的強(qiáng)度越好。本工程管道的D/δ遠(yuǎn)小于100，滿足強(qiáng)度要求。

2.3 徑向穩(wěn)定性校核

近年來(lái)國(guó)內(nèi)定向鉆穿越過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)幾次管道徑向失穩(wěn)變形事故，根據(jù)GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《穿越工程規(guī)范》），采用定向鉆穿越管段，需要對(duì)空管在泥漿壓力作用下的徑向屈曲失穩(wěn)按如下公式進(jìn)行校核：

式中：ps——泥漿壓力，MPa，取1.5倍泥漿靜壓力或回拖施工時(shí)的實(shí)際動(dòng)壓力；

Fd——穿越管段設(shè)計(jì)系數(shù)；

pyp——穿越管段能承受的極限外壓力，MPa；

σs——鋼管最低屈服強(qiáng)度，MPa；

pcr——鋼管彈性變形臨界壓力，MPa；

δ——管道公稱壁厚，m；

f0——鋼管橢圓度，%；

E——鋼材彈性模量，取2.1×105MPa；

Γ—泥漿重度，kN/m3；

h—穿越最大深度，m；

μ——泊松比，取0.3。

本工程管道定向鉆穿越的深度為河床下10 m。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 定向鉆段管道徑向屈曲失穩(wěn)校核

ps≤Fd·pyp，由此可見(jiàn)本工程定向鉆穿越段管道徑向屈曲穩(wěn)定性滿足要求。

2.4 抗震校核

本工程中管道穿越所在位置地震抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g。根據(jù)規(guī)范要求，需要對(duì)穿越段管道進(jìn)行抗拉伸和抗壓縮校核。本工程中管道的抗震校核如下：

直埋式穿越管道應(yīng)采用應(yīng)變準(zhǔn)則校核，其應(yīng)變應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行組合。

（1） 彈性敷設(shè)管道的軸向應(yīng)變計(jì)算。對(duì)彈性敷設(shè)管道，應(yīng)計(jì)入彈性彎曲應(yīng)變，并應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：εe——彈性敷設(shè)時(shí)管道的軸向應(yīng)變；

r——彈性敷設(shè)的曲率半徑，一般取 1500 D=609.6 m。

經(jīng)計(jì)算，彈性敷設(shè)時(shí)管道的軸向應(yīng)變?chǔ)舉=±0.00033。

（2） 地震動(dòng)作用下最大軸向應(yīng)變計(jì)算。在地震動(dòng)作用下埋地直管道最大軸向應(yīng)變可按下式計(jì)算：

式中：εmax——地震動(dòng)作用下最大軸向應(yīng)變；

a——地震動(dòng)峰值加速度，根據(jù) GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》取0.10 g；

Tg——地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期，根據(jù) DGJ 08-9—2013上海市工程建設(shè)規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》取0.9 s；

Vse——場(chǎng)地土層等效剪切波速，取140 m/s。

經(jīng)計(jì)算，地震動(dòng)作用下最大軸向應(yīng)變?chǔ)舖ax=±0.000 05。

2.5 管道最大軸向拉、壓應(yīng)變校核

地震作用下管道軸向的組合應(yīng)變應(yīng)包括地震動(dòng)引起的管道最大軸向應(yīng)變和內(nèi)壓、溫差等操作荷載引起的軸向應(yīng)變，并按下式校核：

式中：εmax——地震動(dòng)引起管道的最大軸向拉、壓應(yīng)變；

εa——由于內(nèi)壓和溫度變化產(chǎn)生的管道軸向應(yīng)變，此處操作條件為彈性敷設(shè)，故用εe代替 εa；

[εc]v——埋地抗震設(shè)計(jì)軸向容許壓縮應(yīng)變；

[εt]v——埋地抗震設(shè)計(jì)軸向容許拉伸應(yīng)變。

埋地管道軸向容許應(yīng)變，應(yīng)按下列規(guī)定確定：L450及以下鋼級(jí)校核容許壓縮應(yīng)變[εc]v=0.35δ/D=0.008 2；L450 及以下鋼級(jí)校核容許拉伸應(yīng)變[εt]v=1.0%=0.01。

當(dāng) εmax+εa≤0 時(shí)，最大壓縮應(yīng)變：∣εmax+εa∣=∣0.000 05+0.000 33∣=0.000 38＜0.008 2=[εc]v；

當(dāng) εmax+εa＞0 時(shí)，最大拉伸應(yīng)變：∣εmax+εa∣=∣0.000 05+0.000 33∣=0.000 38＜0.01 =[εt]v。

經(jīng)計(jì)算校核，本工程直埋式穿越管道的軸向壓縮、拉伸應(yīng)變，均滿足要求。

3 穿越方案設(shè)計(jì)

3.1 出入土點(diǎn)

根據(jù)《穿越工程規(guī)范》，“水平定向鉆穿越入土角宜為 6°～20°，出土角宜為 4°～12°，水平定向鉆入土點(diǎn)、出土點(diǎn)距大堤坡腳的距離不宜小于50 m”?？紤]到對(duì)穿越位置水源保護(hù)地的環(huán)保要求，適當(dāng)增大管道入土點(diǎn)、出土點(diǎn)與江堤的距離。本工程管道穿越入土點(diǎn)位于河流南岸，距離江堤155 m，入土角為12°；出土點(diǎn)位于河流北岸，距離江堤78 m，出土角為10°；曲率半徑取1500 D，即609.6 m。

3.2 穿越深度

為保證管頂不受水流沖擊和河道疏浚影響，管頂需滿足《穿越工程規(guī)范》“水域穿越管段管頂埋深不宜小于設(shè)計(jì)洪水沖刷線或疏浚深度線以下6 m”的要求。在實(shí)際工程建設(shè)時(shí)，水務(wù)部門很難提供河道的疏浚線，可通過(guò)計(jì)算洪水沖刷線來(lái)確定管頂標(biāo)高，洪水沖刷線水深可參考JTG C30—2015《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的公式進(jìn)行確定。本案例中穿越位置河道無(wú)具體的疏浚線標(biāo)高，結(jié)合水務(wù)和航道部門的意見(jiàn)，根據(jù)計(jì)算確定穿越段管頂位于河底規(guī)劃標(biāo)高下10 m。

3.3 防腐

本工程案例中天然氣管道全線采取加強(qiáng)級(jí)3PE外防腐和陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)措施?？紤]到管道水平定向鉆穿越處會(huì)受到拖拉摩擦，采用3PE以及在水源保護(hù)地段管道采用加強(qiáng)級(jí)雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層，都有可能發(fā)生外防腐破損。根據(jù)環(huán)保局的意見(jiàn)，在管道外防腐層之外，對(duì)穿越段管道外壁涂光固化套保護(hù)，進(jìn)一步提高管道防腐質(zhì)量和安全可靠性。

3.4 線路監(jiān)控

本工程案例中采用SCADA系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)站及管道進(jìn)行自動(dòng)控制。為保證管道的整體安全性，在調(diào)度中心配置有管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一旦管道發(fā)生破損（包括穿越段）而造成泄漏，通過(guò)泄漏監(jiān)測(cè)軟件能及時(shí)確定管道的泄漏量及泄漏點(diǎn)，并遠(yuǎn)程快速關(guān)閉管道破損處兩側(cè)的線路截?cái)嚅y，降低泄漏事故風(fēng)險(xiǎn)。

4 施工和運(yùn)營(yíng)措施

4.1 施工措施

在實(shí)際工程建設(shè)項(xiàng)目中，環(huán)保部門也十分關(guān)注管線施工過(guò)程中采取的環(huán)保措施。本工程案例中，對(duì)穿越的泥漿選用和配置作了特別要求：

（1） 優(yōu)化泥漿配比。提高泥漿的初始切力，利用其優(yōu)異的懸浮能力及“護(hù)壁”能力，減少砂層的崩塌速度，避免塌孔發(fā)生。提高泥漿的黏土含量，利用大量黏土顆粒進(jìn)入砂層間形成的膠結(jié)作用，達(dá)到穩(wěn)定井壁的作用[3]。

（2） 選用環(huán)保泥漿添加劑。泥漿添加劑包括降失水劑、提黏劑和防塌潤(rùn)滑劑等。推薦采用進(jìn)口的環(huán)保型食品添加劑，符合環(huán)保要求。

（3） 防漏泥漿措施。施工中采用“兩高一適當(dāng)”泥漿方案，避免因泥漿竄流掏空地層而造成坍塌。

（4） 泥漿回收處理。穿越兩岸各有一個(gè)返漿收集池，組裝場(chǎng)地的泥漿通過(guò)返漿池收集，經(jīng)沉淀之后處理；鉆機(jī)場(chǎng)地泥漿經(jīng)過(guò)泥漿回收池沉淀后，再經(jīng)過(guò)泥漿回收系統(tǒng)回收再使用。

4.2 運(yùn)營(yíng)措施

管道建成后的有效運(yùn)營(yíng)管理，也是降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重要環(huán)節(jié)。本工程案例采取的必要安全措施：

（1） 增加管道穿越處的視頻監(jiān)控。不僅監(jiān)測(cè)管道的運(yùn)行狀況，還防止管道遭受第三方破壞。

（2） 落實(shí)管道內(nèi)監(jiān)測(cè)制度。按規(guī)定定期對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)監(jiān)測(cè)和防腐質(zhì)量評(píng)估，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

5 結(jié)語(yǔ)

在水源保護(hù)地敷設(shè)油氣管道，環(huán)保部門會(huì)提出最嚴(yán)格的環(huán)保要求。本文以某天然氣穿越水源保護(hù)地工程為案例，探討和分析了相關(guān)的保護(hù)措施。實(shí)際工程中，只要從設(shè)計(jì)上提高管道的安全可靠性，在施工上注重施工質(zhì)量，采取盡可能多的環(huán)保措施，落實(shí)管道運(yùn)營(yíng)期的安全管理制度，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣管道服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，同時(shí)也能滿足嚴(yán)格的環(huán)保要求，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙贏。