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摘 要:近年来,随着经济的发展,管道工程的兴建在我国也如雨后春笋般出现。管道工程在施工过程中会受到地质以及气候等多方面因素影响,其中冻土地区的管道施工难度最大,本文将就针对冻土地区管道工程施工中的技术难题进行简单的分析。
关键词:冻土地区管道工程管道施工技术难题
中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(c)-0139-02
引言
冻土指的是含水的松散岩石或土壤, 在0℃或0℃以下的环境温度下,转变成结晶状态或胶结了松散的固体颗粒。冻土中含有水的比例很小,土体的比例却很大,因此受到外界温度的变化影响较小,冻土与普通的土质最大的区别在于其力学特征方面,冻土的长期存在会对管道产生一定的影响,如果处理不好则会产生更为严重的后果。
1 我国冻土的分布以及对管道施工的影响
1.1 我国冻土的分布
我国冻土地区主要分布在高纬度和高海拔的地段,而多年冻土则主要分布在青藏高原和帕米尔高原等山脉地区,在东北部的大兴安岭地区和长白山地区也分布着大量的冻土。在新疆地区冬季冻土的厚度可以达到2～53m,大兴安岭地区冬季冻土的厚度可以达到2～94m,多年冻土地区在我国全国总面积的23.5%,因此,对我国的冬季工程施工带来了巨大的影响。
1.2 冻土对管道的影响
冻土与普通的土质在力学性能上有着明显的差异,尤其是多年形成的冻土,对工程建设的影响也更加明显。地基中的水分在冻结和融化的过程中会使土的力学特征随之产生变化,产生胶结力和冻胀力,使水和土通过这些力的作用凝结在一起,当气温较低时,水会凝固成为冰,同时体积会迅速的膨胀,使土体产生位移,膨胀的土体在外力的作用下会产生冻胀力,而当冻土中的水融化时,土体又会产生收缩,使冻土体积产生热熔沉陷,如果不能及时对这些现象进行合理的处理,则会对管线工程产生严重的影响。
2 冻土地区管线的敷设方式
2.1 传统的埋地式
采用埋地式的敷设方式要以合理的基岩结构以及优越的排水条件作为基础,或者是通过仔细的勘察和研究当冻土融化对管线产生的影响在允许的范围内时,可以采用传统的埋地方法。采用地下埋设管线的深度则取决于管线的弯曲程度以及当地的岩土条件,同时要考虑到管线自身的复合能力,一般深度在0.45～1.0m之间为宜。埋地的管线在水平方向和垂直方向上都会产生一定的弯曲力,因此为了确保安全,有些地段需要锚固。
2.2 地上放置式
冻土的融化会使管道产生变形,无法维持其稳定性,因此,有些地区的管线需要在地表以上进行放置。放在地表的管道,需要使用管道支架或者管台上,由于管道运行中受环境影响需要延伸,因此应当确保其热胀冷缩所产生的应力在其能够承受的范围内。另外,采用地表放置式的管线应当采取一定的隔热措施,确保其符合设计温度。在设计时需要同时考虑到内部压力以及静态下的结构负载,甚至还需要考虑到野生动物对管线会造成的破坏等。
2.3 特殊埋设式
特殊埋设式主要考虑冻土稳定、经济和安全。例如,富冰冻土、高陡边坡和强烈地震带。有许多限制管道对围岩土的热力侵蚀,包括隔热、“热汇”、热管、强制对流和其它机械制冷。管道设计还需考虑水的浮力作用、冻土边坡稳定及管道侧向稳定问题,计算相应应力和采取安全措施。处理方法包括深埋,以绕开富冰冻土和使用砾石铺垫支撑管道侧面。
3 冻土区油气管道建设的工程技术难题
大多数的冻土地区在设计以及施工的过程中需要考虑的因素都是多方面的,其中应当考虑到未来一段时间内的气候变化,以及环境对管线产生的影响等等。这些因素考虑多以未来气候逐渐变暖的情况下,但是不排除气候突然变暖的可能性。由于氣候的变化和环境的变化是一个开放和动态的系数,其变化过程中既有渐变,也有突变,因此无法对其进行有效的控制,这就造成了冻土地区管线施工的一个重要难题。针对这一技术难题,大多数的工程都设计了相关的环境管理政策,对管线的使用寿命期间可能会发生变化的气候和环境因素进行综合的考虑。通常情况下,线性工程的预期使用寿命在25～50年左右,大型的工程如南水北调等线性工程,预期使用寿命为100年作用。在温度不高的冻土区,年平均气温以及地表的积雪覆盖会对管线的使用寿命产生重要的影响。由于富冰冻土的导热系数远大于未冻土,如果某个夏天突然变暖,温度上升5～60℃,活动层大幅度变化,就会对管线产生十分严重的影响。
4 冻土退化对管线工程的影响及解决措施
4.1 冻土退化对管道稳定性的影响
冻土承载能力的下降使管道发生融化和下沉现象,冻结的土颗粒会由于力学强度而使得冻土的粘合度受到影响。如果气温持续升高,则冻土的承载能力会持续的减弱,当冻土完全融化时,由于水和土胶结而形成的强度将最终完全消失,对管道的稳定性产生严重的影响。另外,当季节性融化导致冰层融化时,其冻胀力和冻胀量则会增加。
4.2 解决冻土退化影响管道安全运行的措施
(1)对施工管道沿线冻土带进行详细的地质调查,对其冻土的分布区域进行详细的观察和分析,确定易遭受冻土、冻胀或融沉影响的重点管段。
(2)定期清管,及时更换凹陷变形管段,可以减少管道摩阻、降低输油能耗。另外,清理管线能够使管线内壁被腐蚀的速度大大降低,延长管线的使用寿命,并且能够有效的减少由于管线的变形而发生的安全事故。
(3)加强重点管段的监测工作。对处于不稳定型冻土的管段、边坡管段、穿跨越部位等重点位置进行实时监控,以保证管道的运行安全。
5 结语
冻土地区的管线施工是我国管道工程中经常遇到的问题,在工程的设计和施工阶段,要对气候的变化以及环境的变化对冻土的影响进行充分的考虑,确保其稳定性不受影响,促进我国管道工程的迅速发展。
参考文献
[1] 赵松滨,包清林,林春文.永冻土地区管道设计原则[J].油气田地面工程,2004(1).
[2] 王洪彬,李军,李燕.浅谈冻土地段对管道敷设的影响及防治措施[J].天然气与石油,2006(2).
[3] 袁中立,冯士明,汤彬.冻土地带管道敷设方法及保温技术[J].石油工程建设,2004(6).
[4] 陈情来,余志光,张永双.多年冻土地区油气管道工程建设[J].油气储运,2007(1).
[5] 郝加前,高东方.多年冻土区长输管道工程冻害防治技术[J].国外油田工程,2008(12).
关键词:冻土地区管道工程管道施工技术难题
中图分类号:TU7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(c)-0139-02
引言
冻土指的是含水的松散岩石或土壤, 在0℃或0℃以下的环境温度下,转变成结晶状态或胶结了松散的固体颗粒。冻土中含有水的比例很小,土体的比例却很大,因此受到外界温度的变化影响较小,冻土与普通的土质最大的区别在于其力学特征方面,冻土的长期存在会对管道产生一定的影响,如果处理不好则会产生更为严重的后果。
1 我国冻土的分布以及对管道施工的影响
1.1 我国冻土的分布
我国冻土地区主要分布在高纬度和高海拔的地段,而多年冻土则主要分布在青藏高原和帕米尔高原等山脉地区,在东北部的大兴安岭地区和长白山地区也分布着大量的冻土。在新疆地区冬季冻土的厚度可以达到2～53m,大兴安岭地区冬季冻土的厚度可以达到2～94m,多年冻土地区在我国全国总面积的23.5%,因此,对我国的冬季工程施工带来了巨大的影响。
1.2 冻土对管道的影响
冻土与普通的土质在力学性能上有着明显的差异,尤其是多年形成的冻土,对工程建设的影响也更加明显。地基中的水分在冻结和融化的过程中会使土的力学特征随之产生变化,产生胶结力和冻胀力,使水和土通过这些力的作用凝结在一起,当气温较低时,水会凝固成为冰,同时体积会迅速的膨胀,使土体产生位移,膨胀的土体在外力的作用下会产生冻胀力,而当冻土中的水融化时,土体又会产生收缩,使冻土体积产生热熔沉陷,如果不能及时对这些现象进行合理的处理,则会对管线工程产生严重的影响。
2 冻土地区管线的敷设方式
2.1 传统的埋地式
采用埋地式的敷设方式要以合理的基岩结构以及优越的排水条件作为基础,或者是通过仔细的勘察和研究当冻土融化对管线产生的影响在允许的范围内时,可以采用传统的埋地方法。采用地下埋设管线的深度则取决于管线的弯曲程度以及当地的岩土条件,同时要考虑到管线自身的复合能力,一般深度在0.45～1.0m之间为宜。埋地的管线在水平方向和垂直方向上都会产生一定的弯曲力,因此为了确保安全,有些地段需要锚固。
2.2 地上放置式
冻土的融化会使管道产生变形,无法维持其稳定性,因此,有些地区的管线需要在地表以上进行放置。放在地表的管道,需要使用管道支架或者管台上,由于管道运行中受环境影响需要延伸,因此应当确保其热胀冷缩所产生的应力在其能够承受的范围内。另外,采用地表放置式的管线应当采取一定的隔热措施,确保其符合设计温度。在设计时需要同时考虑到内部压力以及静态下的结构负载,甚至还需要考虑到野生动物对管线会造成的破坏等。
2.3 特殊埋设式
特殊埋设式主要考虑冻土稳定、经济和安全。例如,富冰冻土、高陡边坡和强烈地震带。有许多限制管道对围岩土的热力侵蚀,包括隔热、“热汇”、热管、强制对流和其它机械制冷。管道设计还需考虑水的浮力作用、冻土边坡稳定及管道侧向稳定问题,计算相应应力和采取安全措施。处理方法包括深埋,以绕开富冰冻土和使用砾石铺垫支撑管道侧面。
3 冻土区油气管道建设的工程技术难题
大多数的冻土地区在设计以及施工的过程中需要考虑的因素都是多方面的,其中应当考虑到未来一段时间内的气候变化,以及环境对管线产生的影响等等。这些因素考虑多以未来气候逐渐变暖的情况下,但是不排除气候突然变暖的可能性。由于氣候的变化和环境的变化是一个开放和动态的系数,其变化过程中既有渐变,也有突变,因此无法对其进行有效的控制,这就造成了冻土地区管线施工的一个重要难题。针对这一技术难题,大多数的工程都设计了相关的环境管理政策,对管线的使用寿命期间可能会发生变化的气候和环境因素进行综合的考虑。通常情况下,线性工程的预期使用寿命在25～50年左右,大型的工程如南水北调等线性工程,预期使用寿命为100年作用。在温度不高的冻土区,年平均气温以及地表的积雪覆盖会对管线的使用寿命产生重要的影响。由于富冰冻土的导热系数远大于未冻土,如果某个夏天突然变暖,温度上升5～60℃,活动层大幅度变化,就会对管线产生十分严重的影响。
4 冻土退化对管线工程的影响及解决措施
4.1 冻土退化对管道稳定性的影响
冻土承载能力的下降使管道发生融化和下沉现象,冻结的土颗粒会由于力学强度而使得冻土的粘合度受到影响。如果气温持续升高,则冻土的承载能力会持续的减弱,当冻土完全融化时,由于水和土胶结而形成的强度将最终完全消失,对管道的稳定性产生严重的影响。另外,当季节性融化导致冰层融化时,其冻胀力和冻胀量则会增加。
4.2 解决冻土退化影响管道安全运行的措施
(1)对施工管道沿线冻土带进行详细的地质调查,对其冻土的分布区域进行详细的观察和分析,确定易遭受冻土、冻胀或融沉影响的重点管段。
(2)定期清管,及时更换凹陷变形管段,可以减少管道摩阻、降低输油能耗。另外,清理管线能够使管线内壁被腐蚀的速度大大降低,延长管线的使用寿命,并且能够有效的减少由于管线的变形而发生的安全事故。
(3)加强重点管段的监测工作。对处于不稳定型冻土的管段、边坡管段、穿跨越部位等重点位置进行实时监控,以保证管道的运行安全。
5 结语
冻土地区的管线施工是我国管道工程中经常遇到的问题,在工程的设计和施工阶段,要对气候的变化以及环境的变化对冻土的影响进行充分的考虑,确保其稳定性不受影响,促进我国管道工程的迅速发展。
参考文献
[1] 赵松滨,包清林,林春文.永冻土地区管道设计原则[J].油气田地面工程,2004(1).
[2] 王洪彬,李军,李燕.浅谈冻土地段对管道敷设的影响及防治措施[J].天然气与石油,2006(2).
[3] 袁中立,冯士明,汤彬.冻土地带管道敷设方法及保温技术[J].石油工程建设,2004(6).
[4] 陈情来,余志光,张永双.多年冻土地区油气管道工程建设[J].油气储运,2007(1).
[5] 郝加前,高东方.多年冻土区长输管道工程冻害防治技术[J].国外油田工程,2008(12).