王學(xué)軍 佟雷 王東源 崔少東 余志峰 楊建

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘  要：山區管道建設環(huán)境復雜、運行環(huán)境多變，導致管道安全風(fēng)險遠大于平原管道。通過(guò)分析典型事故案例，提出坡體失穩是目前較為突出的風(fēng)險，嚴控坡體失穩風(fēng)險可以有效提升山區管道本質(zhì)安全。開(kāi)展了坡體段管道建設運行的國內外對標分析，指出目前均缺少成熟的防控標準體系。提出了提升山區坡體段管道勘察、設計及監測水平和能力的措施和方向，如加大勘察范圍和深度、綜合運用InSAR新技術(shù)等，提升坡體失穩風(fēng)險識別能力；設計階段從管材、焊接、敷設等方面提升管道應對不穩定斜坡風(fēng)險的變形能力；運行階段通過(guò)增加坡體監測手段來(lái)提升對坡體段管道安全風(fēng)險的管控能力。

關(guān)鍵詞：山區管道；本質(zhì)安全；設計標準；突出風(fēng)險

我國是一個(gè)多山的國家， 山區面積占全國陸地面積的三分之二，長(cháng)輸油氣管道在山區建設環(huán)境復雜，主要體現在山區地形地貌多變、地質(zhì)條件復雜、小流域氣候顯著(zhù)、管道通行空間受限等方面[1-2]。近年來(lái)較為嚴重的管道事故多發(fā)生在山區，表明山區管道安全風(fēng)險尚未得到有效控制。從國內外山區管道典型事故分析入手，指出坡體失穩是目前影響山區管道本質(zhì)安全的突出風(fēng)險之一，并從勘察、設計和運行監測等方面對加強風(fēng)險防控提出了措施建議。

1  山區管道面臨的突出風(fēng)險

近年來(lái)國內外發(fā)生了數起嚴重的山區管道斷管事故，對于深入了解和認識山區管道風(fēng)險特征具有重要借鑒意義。

（1）馬來(lái)西亞某天然氣管道2013年建成，管道外徑為914 mm（36英寸），鋼管等級為X70，長(cháng)度512 km，管道沿線(xiàn)通過(guò)山區坡地、茂密森林、沼澤濕地等。2014年6月發(fā)生管道環(huán)焊縫斷裂事故。為了全面調查事故、開(kāi)展技術(shù)研究和現場(chǎng)修復，管道停運近2年，期間完成了管道全線(xiàn)地質(zhì)災害調查，重新檢查所有施工期間拍攝的X射線(xiàn)底片，并對斷裂失效環(huán)焊縫進(jìn)行了試驗分析，在完成幾百個(gè)焊口修復后，于2016年恢復通氣。2018年1月該管道再次發(fā)生環(huán)焊縫破裂事故。該案例表明，在坡體失穩或者蠕滑條件下，管道承受巨大的復雜載荷，焊接質(zhì)量是保證管道承載能力的關(guān)鍵。

（2）國內晴隆縣某天然氣管道管徑1016 mm,設計壓力10 MPa，鋼管等級為X80，2013年建成投產(chǎn)。2017年7月2日發(fā)生泄漏引發(fā)燃燒爆炸，事故分析認為，由于持續降雨與公路旁棄土共同作用引發(fā)邊坡側滑，擠斷邊坡中敷設的天然氣管道，邊坡滑動(dòng)情況如圖 1所示。2018年6月10日，事故管道附近再次發(fā)生斷管事故，經(jīng)調查，環(huán)焊縫脆性斷裂是導致事故發(fā)生的直接原因，坡腳土體飽和蠕滑，發(fā)生顯著(zhù)偏移，管道受到附加荷載，加上施工殘余應力及運行波動(dòng)壓力是事故的間接原因。

（3）國內南丹縣某成品油管道時(shí)隔兩年在同一區域發(fā)生兩次破裂漏油事故，事故地點(diǎn)位于山區某長(cháng)距離緩坡地帶，在新建高速公路路基棄渣和軟弱下臥層地質(zhì)共同作用下，管道沿線(xiàn)坡體向下緩慢蠕滑造成事故發(fā)生。公路路基邊坡如圖 2所示。

（4）國內沁水縣某輸氣管道管徑610 mm，設計壓力6.3 MPa，2009年建成投產(chǎn)，2011年9月30日發(fā)生斷裂事故，泄漏點(diǎn)距焊口40 mm左右。分析認為事故直接原因是管道受擠壓嚴重變形，鋼管本體被撕裂泄漏。間接原因是泄漏點(diǎn)附近為新修的中木亭連接公路及邊坡，公路近20 m路基為回填土，坡體滑塌引發(fā)坡底附近土體凸起及管道破裂。

上述案例表明坡體失穩是目前山區管道面臨的較為突出風(fēng)險之一。坡體失穩一般需要具備三種條件：一是存在地形起伏（陡坡或長(cháng)距離緩坡）；二是存在特定地質(zhì)（碳質(zhì)泥巖、回填素土、破碎巖體、薄弱構造等）；三是存在環(huán)境條件變化（例如第三方建設活動(dòng)、填土、暴雨、洪水等）。山區地形、地質(zhì)、氣候條件再加上受限空間的人為活動(dòng)，為坡體失穩提供了所有條件。

2  國內外標準規范的相關(guān)規定

目前我國油氣管道工程設計、施工、運行等相關(guān)標準體系較為完整，對山區管道均規定了相關(guān)的技術(shù)條款。如GB 50253―2014《輸油管道工程設計規范》和GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規范》對滑坡等地質(zhì)災害首先要求避讓?zhuān)瑢τ诒茏尣婚_(kāi)的，提出需要采取相應防護措施，但規范中并沒(méi)有規定具體防護措施，對于采取的防護措施是否充分也未給出具體指南。GB/T 50568―2019《油氣田及管道巖土工程勘察規范》對滑坡等不良地質(zhì)勘察提出了明確要求，以往管道項目勘察主要執行此規范，而規范中重點(diǎn)關(guān)注滑坡，未包括不穩定斜坡。CDP-G-OGP-PL-096《油氣管道工程地質(zhì)災害防治技術(shù)規定》對通過(guò)地質(zhì)災害地段的通行原則進(jìn)行了規定，包括定性措施要求等，規范在失穩工況分析中考慮了地震和暴雨工況，未明確第三方加載工況。CDP-G-OGP-PL-073《油氣管道工程線(xiàn)路技術(shù)規定》對山區選線(xiàn)進(jìn)行了原則性規定，如選擇地形相對完整地段通過(guò)，避讓地災地段，建議沿山脊敷設，采用山體隧道敷設等，對于必須穿越不穩定斜坡地段風(fēng)險應對，規范未做規定。SY/T 6828―2017《管道地質(zhì)災害風(fēng)險管理技術(shù)規范》推薦了地質(zhì)災害風(fēng)險半定量和定量評價(jià)方法，為評估不同方案相對風(fēng)險高低提供了方法，但對如何降低坡體段管道通行風(fēng)險，如何評估最大軸向應變，未給出具體針對性建議。

歐美國家同樣有完整的標準規范體系。加拿大CSA Z662《油氣管道系統》在應力設計中重點(diǎn)關(guān)注了內壓、溫差、重力等荷載，對于其他載荷，例如地震、滑坡、斷層、地災、融沉、凍脹等，要求由設計者確定是否需要考慮以及如何考慮。美國最新版的ASME B31.8《氣體輸送和分配管道系統》標準規定，當管道必須通過(guò)地質(zhì)災害點(diǎn)時(shí)，包括不穩定斜坡，或者其他可能引起嚴重位移荷載或非常規載荷情況，管道應采取合理預防措施，包括增加壁厚、結構護岸、防沖刷、錨固等。俄羅斯規范GOST R 55989《Trunk gas pipelines Design standard》規定在山區和地形急劇起伏地區，應當避開(kāi)不穩定的陡坡地區，將管道敷設于水淹地帶以外的河谷地區，或沿分水嶺敷設。橫坡段應避讓滑坡區域敷設。當滑動(dòng)層厚度較小時(shí)，管道應埋設在潛在滑移面以下等。

綜上所述，國內外標準規范是成熟經(jīng)驗的總結，重點(diǎn)是對工程建設提出基本要求，對于常規環(huán)境條件有較詳細及足夠的指導，而對于特殊環(huán)境條件大多只有指導性意見(jiàn)。山區坡體段管道尚未形成公認成熟的標準體系。

3   勘察識別方面提升

工程勘察是對管道沿線(xiàn)地形、地質(zhì)、水文條件的勘察，包括沿線(xiàn)地質(zhì)災害地段的識別與評估。對于山區管道，識別沿線(xiàn)所有可能的坡體失穩風(fēng)險點(diǎn)，是后續管道設計采取針對性措施的基礎，是合理應對山區管道突出風(fēng)險的前提。

在發(fā)生坡體失穩的管道事故中，多數并非發(fā)生在既有滑坡附近，而是發(fā)生在不穩定斜坡地段。前者已經(jīng)發(fā)生過(guò)滑塌，現場(chǎng)地貌特征明顯，通過(guò)滑坡勘察，可以判斷滑動(dòng)的年代以及是否可能再次發(fā)生滑塌，進(jìn)而判定目前是否處于穩定狀態(tài)；后者是尚未發(fā)生過(guò)滑塌的斜坡地段，屬于潛在的滑坡地段，相對于滑坡現場(chǎng)地貌特征不明顯。山區管道沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)大量斜坡，其穩定性需要考慮地形、地質(zhì)、環(huán)境等條件，其中環(huán)境條件具有很強隨機性，給坡體失穩風(fēng)險段的識別及評估等勘察工作造成很大難度。

為了提高坡體失穩風(fēng)險段的檢出率，除按照規范對滑坡進(jìn)行勘察外，建議對沿線(xiàn)所有可能的不穩定斜坡進(jìn)行勘察，并判斷其穩定性，提高勘察廣度。同時(shí)在不穩定斜坡穩定性分析中，建議考慮增加存在第三方加載工況分析，加大勘察深度。盡管這可能導致勘察工作量大幅增加，但可以對沿線(xiàn)不穩定斜坡進(jìn)行全方位排查，提前識別出某些潛在的風(fēng)險點(diǎn)（包括坡體蠕動(dòng)）。

除了上述常規手段外，有條件時(shí)建議利用遙感、無(wú)人機和地面調查相結合的方式，即天、空、地一體化多層次綜合勘察技術(shù)。嘗試采用合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（InSAR）對管道沿線(xiàn)地表形變進(jìn)行監測，篩選形變區域，識別沿線(xiàn)災害隱患位置，再結合現場(chǎng)地面調查，基于綜合數據提升山區坡體隱患識別能力。

4  設計應對方面提升

對于勘察中識別和評估為較大風(fēng)險的地段，設計中會(huì )采取針對性安全措施，這在絕大多數工程中能夠起到有效防控作用。然而管道在復雜的運行環(huán)境中，某些影響因素仍可能致使風(fēng)險事故發(fā)生，這就要考慮在設計中提升管道適應該風(fēng)險狀況的能力。

坡體失穩發(fā)生時(shí)，對管道最主要的作用是附加土體位移載荷。該載荷的大小由坡體失穩的形態(tài)決定。目前設計規范規定考慮內壓、溫差、重力等載荷作用下，軸向和當量應力都不應超過(guò)屈服強度的0.9倍。當考慮附加土體位移荷載時(shí)，軸向應力往往都會(huì )超出這個(gè)準則。以某外徑559 mm、壁厚11.1 mm、X65管道為例，通過(guò)滑坡體長(cháng)度超過(guò)6 m，其軸向應力就會(huì )超過(guò)0.9倍的屈服強度（注：此處按直管考慮，未考慮存在彎管的情況）。

不穩定斜坡風(fēng)險形成的位移載荷具有自限性，類(lèi)似的載荷為穿越斷層的位移載荷，但與穿越斷層不同的是，坡體失穩發(fā)生的位置及形態(tài)更具不確定性。借鑒穿越活動(dòng)斷層段管道設計經(jīng)驗，通過(guò)一系列技術(shù)措施可提高管道承受附加土體位移載荷的能力。在山區管道沿線(xiàn)不穩定斜坡風(fēng)險較高地段，可改變管道設計準則，以應變?yōu)闇蕜t來(lái)增強相應風(fēng)險承載能力。以上述外徑559 mm管道為例，在考慮附加技術(shù)措施后管道允許應變能力可以達到1%，管道承載土體位移變形能力可得到較大改觀(guān)。通過(guò)滑坡體的安全長(cháng)度從6 m增至35 m，如圖 3所示，有效提高了管道在該類(lèi)風(fēng)險發(fā)生時(shí)的承載能力，可為后續應對或應急贏(yíng)得時(shí)間。

附加技術(shù)措施根本目的是提升管道軸向應變能力，因為管道承受土體位移載荷的能力主要依賴(lài)于管道的軸向應變能力，當管道軸向應變能力足夠時(shí)，在土體位移載荷下，管道可適應土體變形，而保證管道結構完整性（即不破裂）。美國ASME規范中有應變設計準則，但是沒(méi)有具體的指導標準。國標輸氣/輸油管道設計規范中，尚未明確推薦可采用基于應變設計方法。SY/T 7403―2018《油氣輸送管道應變設計規范》有應變設計的具體做法，在附加技術(shù)措施上主要包括增加鋼管縱向拉伸性能測試，保證管道縱向具備較理想延展能力；限制縱向強度的波動(dòng)范圍，保證環(huán)焊縫超強匹配，確保環(huán)焊縫不成為承載過(guò)程中的薄弱環(huán)節；控制熱涂敷對鋼管拉伸性能的影響，例如屈服強度與屈強比升高等。SY/T 7403―2018對坡體段的管道敷設沒(méi)有規定，具體需要考慮斜坡失穩形態(tài)的不確定性，進(jìn)行大量模擬分析，分析不同敷設和布置因素的影響，經(jīng)綜合分析后給出推薦的敷設方案，包括埋深、回填要求等。

5  運行監測方面提升

對于山區管道面臨的突出風(fēng)險，還需要考慮運行監測措施。通過(guò)監測可及時(shí)發(fā)現坡體位移，以便采取相應的應急措施，防止風(fēng)險事件發(fā)生，最終實(shí)現山區管道本質(zhì)安全提升。 

目前常用的監測預警技術(shù)中，多用于局部管段或地質(zhì)災害體的非連續重點(diǎn)監測，一般監測精度較高，部分監測為相關(guān)物理量監測，其中分布式光纖（COTDR）振動(dòng)監測可用于沿線(xiàn)大范圍連續監測，但重點(diǎn)是監測周邊震動(dòng)，不能用于沿線(xiàn)的土體位移監測。

布里淵傳感技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)的一種，它是隨著(zhù)光時(shí)域反射技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，不僅具有一般光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，而且可以在沿光纖路徑上同時(shí)得到被測量信息在時(shí)間和空間上的分布，如圖 4所示。該傳感技術(shù)最大的優(yōu)勢在于光纖既是傳感元件又是傳輸媒介。布里淵傳感技術(shù)與傳統監測技術(shù)相比有其特點(diǎn)，首先，可實(shí)現長(cháng)距離連續（實(shí)時(shí)/大范圍）監測，為及時(shí)發(fā)現管道沿線(xiàn)可能的土體位移風(fēng)險跡象提供可能；其次，盡管監測精度不及一些傳統監測技術(shù)，但可滿(mǎn)足山區管道面臨不穩定斜坡土體位移風(fēng)險監測，與全線(xiàn)高精度監測的成本相比，費用相對低廉；最后，該監測技術(shù)以應變光纖為傳感器，耐候性強，適合于運行期的長(cháng)期監測。建議在山區管道不穩定坡體地段采用這種監測技術(shù)。

InSAR技術(shù)在勘察階段可以用于管道沿線(xiàn)大范圍地表變形篩查，同時(shí)也可以在運行期間用于管道沿線(xiàn)相應風(fēng)險監測，該技術(shù)雖然屬于定期監測，不屬于實(shí)時(shí)監測，但其監測范圍可以擴展至管道周邊范圍，為管道周?chē)�坡體失穩跡象的監測提供手段，在山區管道沿線(xiàn)也可考慮采用這種監測技術(shù)。

6  結論與建議

（1）相對于平原地區的管道，山區管道復雜的環(huán)境條件，決定了其具有較高的風(fēng)險，其中坡體失穩是山區管道較為突出的風(fēng)險。目前國內外對于防控山區坡體失穩段管道的風(fēng)險尚未形成具體、公認、成熟的標準規范體系。

（2）山區坡體段管道風(fēng)險應通過(guò)設置多道防線(xiàn)進(jìn)行防控，勘察風(fēng)險識別、設計風(fēng)險應對、運行風(fēng)險監測為三道有效防線(xiàn)。此外，建設質(zhì)量控制也是一道重要的防線(xiàn)，限于篇幅不再展開(kāi)討論。

（3）除了坡體失穩風(fēng)險外，山區管道仍面臨諸多其他安全風(fēng)險，需要關(guān)注和應對，例如山區管道穿越溝谷面臨山洪沖刷風(fēng)險等，盡管這類(lèi)風(fēng)險相對于坡體失穩風(fēng)險來(lái)說(shuō)，影響程度較低，但不容忽視。

參考文獻：

[1] 羅志強，夏敏，敖波.山區天然氣管道地質(zhì)災害防治工作思考[J].石化技術(shù)，2020，27(1)：132-134.

[2] 王春華.試論長(cháng)輸管道山區特殊地形的施工要點(diǎn)[J].工程建設與設計，2018(5)：211-212，215.

作者簡(jiǎn)介：王學(xué)軍，中國石油天然氣管道工程有限公司（原管道設計院）總經(jīng)理、黨委副書(shū)記，教授級高級工程師，管道局技術(shù)專(zhuān)家，世界燃氣聯(lián)盟（IGU）輸氣委員會(huì )專(zhuān)家。1997年7月重慶建筑大學(xué)城市燃氣工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，2009年1月獲中國石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程碩士學(xué)位。長(cháng)期從事石油天然氣長(cháng)輸管道設計與管理工作。