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          管道研究

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          油氣管道風蝕沙埋危害及其防治

          來源:《管道保護》2022年第3期 作者:武萬 寇健 王軍亮 時間:2022-5-27 閱讀:

          武萬 寇健 王軍亮

          西部管道新疆輸油氣分公司


           

          摘要:長輸油氣管道在沙漠、戈壁地段敷設時,受地形地貌、土體性質、氣候、植被等影響,易遭受風蝕沙埋災害威脅。主要分析了西部管道風蝕沙埋災害分布和危害,總結歸納了目前典型、有效的防治措施,為降低對管道、伴行道路的影響,保障油氣管道安全運行提供指導。

          關鍵詞:油氣管道;風蝕沙埋;危害;防治措施

           

          我國西北地區受土壤風蝕及土地沙漠化影響的面積占國土總面積的二分之一以上[1],在干旱、多風,晝夜溫差懸殊,光輻射強烈氣候條件下,巖土體遭受寒凍和機械等物理風化的作用非常強烈,不斷產生大量的砂和粉砂物質,形成了沙地(丘),使途經敷設的油氣管道容易遭受風蝕沙埋災害的威脅。

          風蝕地貌主要是由風和風沙流的吹蝕和磨蝕作用塑造的地表形態,包括風蝕坑(洼地)和戈壁。風積地貌則是平緩沙地、沙丘及由沙丘組成的沙漠或沙地。風力作用下土壤顆粒主要有懸移、躍移和蠕移三種運動類型,不同運動方式風蝕強度有一定的差異,其中以“懸移”方式的土壤損失最為明顯,對油氣管道危害最大。風蝕積沙包括風蝕、堆積和搬運三種狀態。其中,風蝕是搬運的開始,堆積是搬運的結束,搬運則是風蝕和積沙的轉化,可應用這一風蝕積沙規律開展災害治理[2]。本文通過收集資料,總結歸納了西部管道沿線風蝕沙埋災害的表現形式和相應的治理措施,為今后開展相關工作提供借鑒。

          1  風蝕沙埋災害分布及危害

          1.1  災害分布

          西部管道風蝕沙埋災害主要分布在西一線、輪吐線博斯騰湖南緣東部、西一線庫木塔格沙壟、澀寧蘭一線和澀寧蘭復線澀北首站及其以東約80 km的范圍內,呈流動的沙地(丘)與半固定沙地(丘)相間斷續小片狀分布的特點(圖 1)。



          圖 1 西部管道風蝕沙埋災害示例


          1.2  風蝕危害

          風蝕地段,沙地(丘)在大風作用下來回不定地移動,會降低管道埋深或使管道外露、懸空(圖 2),同時使管道外圍溫度、濕度更接近于土壤表層或大氣環境,因含氧量、植物根系分布量增加,對煤焦油瓷漆防腐層破壞概率增高,溫度劇變造成防腐層易脫落,兩種因素加速了管道防腐層老化。冬季管道環境溫度降低,更易形成天然氣水合物,在露管管段下游或有降壓、截流部位會造成冰堵,嚴重影響油氣管道的安全運行和下游用戶的正常用氣[3]。除此之外,風蝕容易造成陰保測試樁及各種標識物宣傳牌的傾斜、倒伏及伴行道路路基寬度減小、路肩路面坍塌等,影響行車安全。



          圖 2 西一線庫木塔格沙壟段露管現場及應急處置


          1.3  沙埋危害

          風積地段,由于風沙流受阻積沙或沙丘前移,加大管道埋深,掩埋并中斷管道伴行道路(圖 3),在溫度及沙土重力作用下增大管道上覆層應力,可能使管道產生不均勻沉降。西一線管道KP788-KP793段穿越庫木塔格沙壟處五個典型截面的管道應變監測數據驗證了這一結論。



          圖 3 風蝕沙埋災害致伴行道路通車不暢


          2  沙埋地災監測

          2017年以來,西部管道新疆輸油氣分公司對西一線管道KP788—KP793段穿越庫木塔格沙壟處開展管道應變監測。選取五個典型截面,其中X1、X2截面布設于1#沙丘兩端覆沙較薄段, X3、X5截面位于2#沙丘兩端覆沙較薄段,X4截面位于2#沙丘中部覆沙最厚段,截面間距約60 m(圖 4)。



          圖 4 KP788—KP793管道應變監測截面布局示意圖


          歷史監測周期內,僅有X4監測截面出現過2次黃色預警、1次藍色預警;其余監測截面均長期處于無預警級別,詳見表 1。


          表 1 西一線KP788—KP793管段X4監測單元預警情況



          最新監測周期內,KP788-KP793管段應力監測值均未達到設定的監測預警級別,管道應力處于可接受范圍。由于管體溫度上升,附加壓應力增大;管體溫度下降,附加拉應力增大。X4截面處管道受季節性強風的風蝕沙埋影響較為明顯,需持續關注該監測單元管道應力變化情況。

          3  防治措施

          治沙措施按類別分有工程措施、生物措施、綜合措施等,目的都是為了固沙、阻沙、導沙。國內多年沙害綜合治理表明,工程防沙措施由于其施工速度快、效果好而在油氣管道線路工程治沙中得到了廣泛應用[4]。

          3.1  工程防沙

          工程防沙指通過在流沙上設置沙障或其他防沙工程結構,人為控制地表的積蝕變化和改變風沙流的搬運堆積條件,保護油氣管道、伴行道路免遭風沙的危害。工程防沙不受水分條件限制,適用范圍廣、見效快,可作為植物防沙的先導工程。工程防沙能夠因地制宜采用當地材料,降低工程造價,在沙害治理中應用最為普遍。但工程防沙相對于植物防沙,存在防護年限短,需要經常維護、更新的缺點。

          (1)固沙措施。①沙面覆蓋。一般選用當地天然材料如碎石、黏土等平鋪于沙面,利用材料的抗風蝕能力保護地表免遭風蝕。近年來,噴灑化學材料固定流沙也已得到應用。②格狀沙障。利用麥草、蘆葦、塊石、鹽土、黏土等材料在流沙上設置成方格沙障,增加地面的粗糙度,降低地表風速,抑制風沙流的產生,F階段應用的有草方格沙障、纖維筒沙障、黏土覆蓋、塑料沙障、瀝青沙障以及植物沙障(防風固沙林帶)等,其中應用廣泛、效果最好的有草方格沙障和植物沙障(圖 5)。



          圖 5 輪吐線博斯騰湖南緣東部草方格沙障防護


          研究表明,沙障高度是決定防護效果的主要因素,沙障被嚴重沙埋會導致防風固沙功能喪失,而輕度沙埋則有助于沙障形成穩定的結構體,在一定程度上提高防護效果[5]。

          (2)阻沙措施。通過設置高立式阻沙柵欄攔截風沙流的運動,改變局部范圍氣流的方向和速度,使沙粒在柵欄附近堆積,以避免線路遭到沙埋。阻沙柵欄的阻沙效果與其結構有很大關系。緊密結構的柵欄,迎風側積沙范圍一般為柵欄高度的2~3倍,背風側約為4~5倍,空隙度為0.2的透風結構柵欄,柵欄前積沙不多,柵欄后積沙長度為柵欄高度的7~8倍,空隙度為0.5時,柵欄后積沙約為柵欄高的12~14倍。實際應用時,通常采用空隙度為0.25~0.45的透風結構柵欄。阻沙帶主要設置在固沙帶的外緣,應離開線路一定距離,否則堆積在線路兩側易形成新的沙源。阻沙帶主要采用各種形式的阻沙柵欄和阻沙溝堤,阻沙柵欄的材料可因地制宜采用樹枝、蘆葦、竹片等。

          (3)輸沙措施。通過減少地表粗糙度和加強局部位置的風速,將風沙流輸移過線路,達到線路不產生積沙的目的。目前主要有下導風柵板輸沙結構,它通過對氣流進行壓流而提高下導風出口處貼地表的風速,在公路上應用效果較好。

          (4)導沙措施。當主導風沙方向與管道走向呈小交角時,可在線路外緣設置導沙結構,將風沙流導離管道,目前試驗應用的主要有羽排導沙。羽排是由多塊平行的導風板構成的一組羽毛狀導沙工程結構物,它能改變局部氣流的運動風向,引導風沙流向線路的旁側運動,從而避免風沙流對線路的侵襲。導沙措施有一定的使用條件,如主導風向與線路交角小,風向較為單一或擺動不大,線路附近有可儲沙的溝谷、洼地或使用在曲線地段。羽排導沙因受風向和地形條件的限制應用較少。

          3.2  生物措施

          通過營造防沙林帶,增加地面的粗糙度,削弱地面風速,減輕風沙流的運動,改變沙地的理化性質、生態環境,利用植物獲得長久的防沙效益。沙漠地區氣候干旱、土壤貧瘠,不利于植物的生長,為提高固沙造林的質量必須解決好樹種選擇、林帶配置等技術問題。防風固沙的植物有許多,其中適宜流動半流動沙丘生長的植物有梭梭、花棒、沙拐棗、三芒草等,它們被譽為沙漠中的先鋒植物。具有加固沙丘作用的植物有沙棗、沙棘、檸條、胡楊、紅柳、沙柳、白刺、沙冬青、沙蒿、旱麥草、蟲實等,它們具有極強的抗早和避寒功能,是多年生短命植物;生于圈定沙丘上的地白蒿、紅砂、豬毛菜、旱麥草、鶴虱等,雖然不具有耐風蝕、沙埋的能力,但耐鹽堿、耐旱。

          3.3  綜合措施

          防沙措施各有其使用條件,實際應用中應根據沙害特點采取綜合措施,并應特別注意固沙和阻沙措施的結合,避免單一措施[6]。如西一線KP792+300 m處采取沙袋固沙及柵欄阻沙綜合措施防護(圖 6)。



          圖 6 沙袋固沙及柵欄阻沙綜合防護


          4  結論

          雖然油氣管道風蝕沙埋占管道地質災害的比例較低,但一旦受災將面臨管道裸露、懸空、防腐層破壞、露管下游降壓和截流部位冰堵風險,伴行道路亦有中斷、掩埋風險。生物措施雖能改變沙地的理化性質、生態環境,獲得長久的防沙效益,但需充分考慮項目區域內地表、地下水分布、發育情況。相對于生物措施,工程措施存在防護年限短,需要經常維護、更新的缺點。實際應用中應根據沙害特點采取綜合措施,并應特別注意固沙和阻沙措施結合,提高防沙治理效果。

           

          參考文獻:

          [1]史社裕,白增飛,李炳.風蝕沙埋對毛烏素沙地植被的影響及其防治[J].安徽農學通報,2011,17(15):168-170,193.

          [2]閆德仁,姚洪林,胡小龍.流動沙丘不同部位風蝕積沙特征研究[J].水土保持通報,2015,35(4):288-292.

          [3]田京.長呼天然氣管道風沙危害及其防治技術[J].中國科技信息,2005,2(19):126.

          [4]劉付喜.淺論蘇里格氣田沙露管段防風固沙作業[J].中國石油和化工標準與質量,2011,31(8):248-249.

          [5]袁立敏,黃海廣,閆德仁,胡小龍.不同沙埋程度下帶狀沙障的防風固沙效果研究[J].農業工程學報,2019,35(16):172-179.

          [6]錢征宇.中國沙漠鐵路的風沙危害及其防治技術[J].中國鐵路,2003,(10):24-26.


          作者簡介:武萬,1985年生,本科,高級工程師,現任新疆輸油氣分公司副經理,負責長輸管道線路安全管理工作。聯系方式:18709375299,wuwan@pipechina.com.cn。


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