冻土地区油气管道工程的建设

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一、冻土地区油气管道沿线岩石（土）的冻胀、融沉问题及其应对策略

1、冻土地区油气管道沿线岩石（土）的冻胀、融沉问题

在一些季节性冻土区及不连续多年冻土区，油气管道在低于围岩土温度情况下，将从围岩土中吸取热量，进而导致管道周围未冻岩土发生冻结，并且在水分补给的情况下致使冻结锋面的水发生迁移或者出现成冰，随着时间的不断加长，管道周边将出现越来越多冻土，进而出现“冻土环”。而现存的主要问题包括以下两点：

（1）仪器测量难度极大首先，使用非常精准仪器来对温度、压力、膨胀进行测量，虽然可在一定程度上测量冻胀压力，但是对油气管道在各个不同段的受压情况则很难进行预测，而水分向冻结锋进行迁移所产生的压力就更难进行预测，另外要想准确的把握冻土的渗透率其难度很大，因为实验所使用的水分是融化冻土及自身冻结，并且在岩土冻结或融化过程中，仅仅能够测定一些少量水分的运动，通过大量的实际经验总结发现，一般管道周围岩土的冻结将持续30年左右，面对这一情况，必须是理论和实际经验相结合才可为管道的建设提供一定的依据。另外由于各种地质情况的复杂性，要想对各冻土区段冻土融化过程中的压缩系数、变形系数及抗剪强度等进行预测将变得不可能，另外融化沉降、融化（强度）弱化、融化（排水）压实、反复冻融导致的过度密实化等，这些因素都会导致水物理参数、残余强度、抗剪强度等参数发生变化，因此仪器的测量的难度就变的更大了。

（2）气候及环境变化幅度大因为气候及环境的变化是动态的，其变化过程不仅有渐变，而且包括突变，因此对其进行有效的控制难度很大，这就导致冻土地区管线施工的难度进一步增加，面对这一技术难题，很多的工程都设计了一些环境管理策略，对管道线路在运行期间可能出现的一些环境及气候因素进行了综合考虑。一般情况下，长输管道工程的使用寿命可达到50年左右，而大型的油气管道工程，如西气东输其预期使用寿命可达到100年，但是在温度不高的冻土地区，年平均气温及一些地表的积雪均会对管线的使用年限造成极为严重的影响，因为富冰的一些冻土其导热系数的导热性远远超过未冻土，假设某个夏天气候突然变暖，温度急剧上升，活动层就会大幅度发生改变，这将对管线造成极为严重的影响。

2、冻土地区油气管道沿线岩石（土）冻胀及融沉应对策略

冻土承载能力的弱化会导致管道出现下沉现象，而冻结的土颗粒因为力学强度导致冻土粘合度出现变化，如果温度持续上升，则冻土的承载能力就会持续降低，如果冻土完全融化，那么水和土就会出现胶结，进而导致土层的强度大大下降，对管道的稳定性造成严重的影响。另外当季节性融化引起冰层融化时，土层的冻胀力和冻胀量也会出现增加，以下为解决这些问题的一些策略：（1）对施工管道沿线的管道线路做好细致的地质勘测，对冻土的分布进行细致的观察及研究，找出其中易遭受融沉及冻胀破坏的管段进行重点管理。（2）定期进行清管，及时将凹陷及变形管段进行更换，尽量减少管道摩阻，减小输送能耗。另外清理管线可使得管线内壁腐蚀速度有效降低，增加管线的使用年限，并可有效减少因为管线变形而导致的事故。（3）加强重点管线管理、监测，对一些不稳定型冻土管段、边坡管段及穿越部管段等进行动态实时监控，保证管道运行安全。

二、冻土区的管道建设方式

1、传统埋地式

通常来讲，传统埋地式对应的条件是基岩及排水条件良好的砾石和融土，或者根据详细的勘测及研究分析证明融化所引起的沉降或失稳在工程可允许范围之内，这里要充分考虑管道稳定及环境破坏程度，通常来说，埋设的深度一般取决于各段管道所对应的负载、弯曲及地形地质实际情况。另外埋地管道在垂直及水平方向上可能出现应力，因此为了确保安全性，应该在一些特殊管道设置锚固，另外融沉及地震也会导致附加应力出现变化，这就需要按照有关的规定（如温度变化、内部压力、地震、融沉及其他）来进行设计了。

2、地上放置式

冻土的融化可能导致埋地式管道出现过多的变形，或者基础难以稳定，面对这种情况，管道需要放置在地表，放置在地表的管道，要求放置管道支架，支架一般需要在6m以上高度，管道要求曲折延伸，可允许释放因为热胀冷缩而出现的应力，地上式管道要进行隔热设计，以避免管道内的油气的温度过低，最终符合设计温度。

3、特殊埋设式

特殊埋设主要考虑的因素有冻土层是否稳定、经济及安全，例如在富冰冻土、强烈地震带、高陡边坡，管道对周边岩土的热力侵蚀，其中包括隔热、对流及其他一些机械制冷，在管道设计时必须要考虑其稳定性，计算好对应应力及使用一定的安全措施。

三、结语

在进行多年冻土地区油气管道工程的建设过程中，相关工作人员必须要对冻胀及融沉问题做到足够重视，当前因为冻土地区管道问题导致的经济损失及后果非常严重，如果不加快研究其基本规律及发展趋势，拿出对应的工程处理方法及管理规范，那么油气管道的安全、经济运行及环境保护将受到极大威胁，因此相关工作人员必须充分结合现场实际经验、试验模拟及模型计算，掌握其动态变化，才可真正的使得油气输送管道的安全运行得到保障。

作者：毕百奇 单位：甘肃中石油昆仑燃气有限公司