么惠全 馮偉 張照旭 魏東
1.中國石油西氣東輸管道分公司 2.北京科力華安地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)有限公司
“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警體系
么惠全1馮偉1張照旭1魏東2
1.中國石油西氣東輸管道分公司 2.北京科力華安地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)有限公司
為了對“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行有效的監(jiān)測和預(yù)警,減少管道安全運(yùn)營成本,利用歷史數(shù)據(jù)和“事故危害系數(shù)”的概念,直觀地論證了管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測的必要性,探討了管道地質(zhì)災(zāi)害的漸變特征和管道失效的力學(xué)判據(jù),闡明了管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測及預(yù)警在理論與技術(shù)上的可行性?;凇俺袨?zāi)體重于致災(zāi)體、前期監(jiān)測重于災(zāi)后監(jiān)測、長期監(jiān)測重于短期檢測、經(jīng)濟(jì)合理重于技術(shù)領(lǐng)先”的原則,建立了長輸管道沿線地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警體系——管道地質(zhì)災(zāi)害前期監(jiān)測網(wǎng)。該監(jiān)測網(wǎng)在“西氣東輸”一線干線及支線的管道地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)上布設(shè)了近百個隱患監(jiān)測點,及時發(fā)布了3起預(yù)警并2次觸發(fā)應(yīng)急預(yù)案,監(jiān)測成果直接支持了7處隱患點的治理工作。實際應(yīng)用效果表明,該監(jiān)測網(wǎng)具有災(zāi)害預(yù)報預(yù)警、支持災(zāi)害治理方案、校準(zhǔn)災(zāi)害治理過程的功能,甚至還可用于評價災(zāi)害治理效果、合理調(diào)配災(zāi)害防治資源,能使管道完整性管理工作真正落到實處,有效降低管道運(yùn)營方的經(jīng)營成本。
“西氣東輸”一線 管道地質(zhì)災(zāi)害 事故危害系數(shù) 完整性管理 監(jiān)測預(yù)警 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測
長輸油氣管道沿途的地質(zhì)災(zāi)害種類多、成因復(fù)雜、范圍廣,所導(dǎo)致的管道事故又極易誘發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害,其直接和間接損失往往比其他類別的事故更大[1-2]。美國交通部數(shù)據(jù)顯示,1991—2010年雖然美國由于地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致管道破壞的統(tǒng)計頻率僅為5.7%,但是由其帶來的經(jīng)濟(jì)損失卻高達(dá)13.6億美元,占全部經(jīng)濟(jì)損失的26.76%;如果將“事故危害系數(shù)”(Accident Hazard Index,簡稱AHI)定義為“該類事故損失金額占全部損失的比例”除以“該類事故占全部事故的比例”,并以此對比平均每發(fā)生1次事故所帶來經(jīng)濟(jì)損失的大小,可得到1991—2010年美國天然氣管道事故危害系數(shù)統(tǒng)計表(表1)。
表1 1991—2010年美國天然氣管道事故危害系數(shù)統(tǒng)計表
若不考慮管道架空受狂風(fēng)的影響,表1中各類地質(zhì)災(zāi)害的事故危害系數(shù)高達(dá)4.69,遠(yuǎn)高于其他事故的危害系數(shù),這也是管道完整性管理體系將管道環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價列入管道整體風(fēng)險性評價任務(wù)的主要原因[3]。實際上,如果考慮由于地面移動等地質(zhì)災(zāi)害所誘發(fā)的材料缺陷和腐蝕等事故放大效應(yīng),地質(zhì)災(zāi)害的事故危害系數(shù)還將增大。
中國是世界上地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家之一。隨著長輸油氣管道里程的逐年增長、沿線各種人類工程的擾動和自然環(huán)境突發(fā)事件的越發(fā)頻繁,管道地質(zhì)災(zāi)害已無可避免地呈多發(fā)態(tài)勢,管道運(yùn)行安全與管道地質(zhì)災(zāi)害之間的矛盾日益凸顯。因此,建立對長輸油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的監(jiān)測預(yù)警體系,已經(jīng)勢在必行。
盡管對管道地質(zhì)災(zāi)害的研究尚無完整的理論體系,但國內(nèi)外在地質(zhì)災(zāi)害成因與防治、管道的力學(xué)特征等方面已有大量的研究成果可供借鑒。以此為基礎(chǔ),再綜合眾多實際經(jīng)驗,就可對管道地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警提供一定的指導(dǎo)作用。
1.1 管道地質(zhì)災(zāi)害的定義
管道地質(zhì)災(zāi)害并非一般的地質(zhì)災(zāi)害。以滑坡、崩塌、泥石流等導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的不良地質(zhì)環(huán)境為“致災(zāi)體”,以遭受致災(zāi)體破壞的長輸油氣管道為“承災(zāi)體”,管道運(yùn)營方從風(fēng)險管理和工程控制的角度,將“管道地質(zhì)災(zāi)害”定義為:“以各類地質(zhì)災(zāi)害為致災(zāi)體、以管道本體及其附屬設(shè)施為承災(zāi)體的一種成災(zāi)過程”。與以往將其表述為一種地質(zhì)作用或者地質(zhì)現(xiàn)象的定義不同,該定義具有以下3個特點:①將管道是否受到威脅作為管道地質(zhì)災(zāi)害的判斷標(biāo)準(zhǔn),若地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生并不影響管道安全,就不應(yīng)列為管道地質(zhì)災(zāi)害;②強(qiáng)調(diào)了管道地質(zhì)災(zāi)害的特殊性,與一般地質(zhì)災(zāi)害相比,管道地質(zhì)災(zāi)害具有災(zāi)害放大效果,更易導(dǎo)致嚴(yán)重的次生災(zāi)害;③將管道地質(zhì)災(zāi)害表述為一種成災(zāi)過程,使管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測與預(yù)警具備了介入的時間和空間。
1.2 管道地質(zhì)災(zāi)害的漸變特征
災(zāi)害監(jiān)測的關(guān)鍵是及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)變前兆,進(jìn)而做出預(yù)報預(yù)警。地質(zhì)災(zāi)害的“致災(zāi)性”難以逆轉(zhuǎn),但管道地質(zhì)災(zāi)害是典型的、致災(zāi)體與承災(zāi)體之間明顯相關(guān)的“因果型災(zāi)害鏈”,只要適時掌握其應(yīng)變釋放的過程性指征和指標(biāo),就有可能及時預(yù)警,“防患于未然”。圖1以管道滑坡災(zāi)害鏈為例,勾勒了管道滑坡從應(yīng)變積累到應(yīng)變釋放的交互作用和演進(jìn)過程[4],這一過程也給災(zāi)前預(yù)警和災(zāi)害治理提供了理論依據(jù)。
圖1 管道滑坡災(zāi)害鏈?zhǔn)疽鈭D
圖1同時表明:無論地質(zhì)災(zāi)害的成因如何復(fù)雜多變,對管道造成的危害總是直接體現(xiàn)為管道的變形和失效。由于管道在力學(xué)上的失效判據(jù)相對較為清晰,那么只要通過應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測獲取管體的相關(guān)數(shù)據(jù),就可以準(zhǔn)確地定量描述災(zāi)害條件下管道的力學(xué)表現(xiàn),據(jù)此判定管道的臨災(zāi)力學(xué)狀態(tài),進(jìn)而支持管道地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警。
1.3 管體失效的力學(xué)判據(jù)
關(guān)于管道失效的力學(xué)判據(jù),國內(nèi)外所采用的標(biāo)準(zhǔn)基本一致,主要包括以下2種。
1.3.1 基于應(yīng)力的判據(jù)
當(dāng)管道的變形處于彈性區(qū)間,宜使用基于應(yīng)力的判據(jù)來校核管道的安全狀態(tài)。滑坡、沉陷(含采空、巖溶)、凍土等地質(zhì)災(zāi)害條件下,受約束管道的強(qiáng)度應(yīng)同時滿足以下2個條件:
1)|SL|=|Sp+ST+SX+SB|≤0.8σS[5],其中SL為受約束管道或管件由永久荷載、可變荷載所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和;Sp為管道由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力;ST為管道由溫差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力;SX為除內(nèi)壓和溫差之外的其他軸向荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力;SB為管道由于重力和其他外部荷載產(chǎn)生的名義彎曲應(yīng)力;σS為管道標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度。
2)當(dāng)SL為負(fù)值時,管道組合當(dāng)量應(yīng)力(SE)應(yīng)滿足:SE=SH-SL≤0.9σS[6],其中SH為內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力。
1.3.2 基于應(yīng)變的判據(jù)
當(dāng)管道的變形已進(jìn)入彈塑性區(qū)間,宜使用基于應(yīng)變的判據(jù)來校核管道的安全狀態(tài)。管道的應(yīng)變能力可歸納為對拉伸應(yīng)變、壓縮應(yīng)變的限制,用因子化的載荷—阻力設(shè)計(load resistance factorized design)公式表達(dá)[7]:
1)軸向合成拉伸應(yīng)變εt≤[εt]v;其中[εt]v為軸向許用拉伸應(yīng)變,而[εt]v=φetεtcritφεt為拉伸應(yīng)變承載系數(shù),取0.7;εtcrit為鋼管及組焊管道的極限拉伸應(yīng)變,按實測值或保守取值0.75%[8]。
2)軸向合成壓縮應(yīng)變εc≤[εc]v,其中[εc]v=min(0.3δ/D,εs),[εc]v為軸向許用壓縮應(yīng)變,0.3δ/D為薄壁管道開始起皺的壓縮應(yīng)變值,εs為管道標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變。
自2003年投產(chǎn)運(yùn)行以來,“西氣東輸”一線管道屢受地質(zhì)災(zāi)害困擾,因災(zāi)損失逐年上升。為了切實掌握管道受災(zāi)狀況,變被動搶險為主動防御,提高災(zāi)害防治的針對性以降低災(zāi)害防御成本,中國石油西氣東輸管道分公司(下稱西氣東輸管道分公司)自2007年開始建設(shè)管道沿線地質(zhì)災(zāi)害前期監(jiān)測網(wǎng)(下稱監(jiān)測網(wǎng))。
2.1 監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的基本原則
2.1.1 承災(zāi)體重于致災(zāi)體
無論是滑坡、沉降、崩塌還是地質(zhì)斷裂帶,受其威脅的都是管道本體。無論地質(zhì)災(zāi)害的成因和機(jī)理如何復(fù)雜,管道的受損程度才是對安全運(yùn)行的直接威脅。因此,對管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的監(jiān)測應(yīng)以承災(zāi)體監(jiān)測為主,以致災(zāi)體監(jiān)測為輔。
2.1.2 前期監(jiān)測重于災(zāi)后監(jiān)測
多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害都有從應(yīng)變積累到應(yīng)變釋放的漸變過程,這就給災(zāi)害的提前預(yù)警提供了可能。只要實現(xiàn)災(zāi)前預(yù)警,就能以相對較小的代價換取較長時期的管道安全,相關(guān)的災(zāi)害治理成本也總是低于災(zāi)后的治理成本。
2.1.3 長期監(jiān)測重于短期檢測
短期檢測的技術(shù)手段多為臨時性措施,無法在長達(dá)數(shù)十年的管道壽命中發(fā)揮連續(xù)的預(yù)警作用。同時,針對某一具體管道地質(zhì)災(zāi)害的短期檢測僅能對檢測時點的管道安全作出判斷,而難以判斷災(zāi)害迫近的速度,更無法根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)做出趨勢預(yù)報。監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)屬于長期監(jiān)測措施,也相當(dāng)于為短期檢測建立了長效機(jī)制。
2.1.4 經(jīng)濟(jì)合理重于技術(shù)領(lǐng)先
任何災(zāi)害防御措施都必須考慮效能問題,監(jiān)測網(wǎng)不應(yīng)過分追求監(jiān)測技術(shù)的先進(jìn)性而忽視運(yùn)營方對減災(zāi)成本的控制,而應(yīng)盡可能延長監(jiān)測設(shè)施的使用壽命以攤薄運(yùn)營方的年度折舊和費(fèi)用支出,同時,還應(yīng)通過對隱患監(jiān)測點的篩選和分級分類,以科學(xué)、辯證的思維將監(jiān)測手段布設(shè)于災(zāi)害頻發(fā)點和高危點。
2.2 監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)路線
監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)路線示意圖如圖2所示。
圖2 監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)路線示意圖
總長近11 000 km的“西氣東輸”一線天然氣管道是典型的長距離管道工程,沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患具有種類多、范圍廣、數(shù)量大的特點。因此,將高后果區(qū)視為管道與地質(zhì)災(zāi)害之間的主要矛盾,將高后果區(qū)中的高危管段視為矛盾的主要方面,監(jiān)測網(wǎng)在技術(shù)上以發(fā)現(xiàn)管道地質(zhì)災(zāi)害的前期征兆為首要目標(biāo),以現(xiàn)有的線路巡護(hù)能力和外部專業(yè)技術(shù)服務(wù)為依托,整合針對承災(zāi)體的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)和針對致災(zāi)體的地表位移監(jiān)測技術(shù),采用了較為經(jīng)濟(jì)且可靠性高的“便攜式巡回監(jiān)測法”。
監(jiān)測網(wǎng)所采用的便攜式激光測距滑坡簡易觀測技術(shù)、全站儀大地位移測量技術(shù)、管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù),要根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的性質(zhì)與程度進(jìn)行組合、匹配,首先確保對高危管段的有效布控,然后再兼顧那些相對次要的隱患點。為進(jìn)一步節(jié)省費(fèi)用,采用易于掌握的便攜式設(shè)備讀取監(jiān)測數(shù)據(jù),并就近將其發(fā)送給相關(guān)的巡護(hù)人員,盡可能讓相鄰、相近監(jiān)測點共用同一設(shè)備。
采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)使用專為監(jiān)測網(wǎng)開發(fā)的軟件進(jìn)行分析處理,并由專業(yè)分析人員定期出具監(jiān)測報告。預(yù)警所采用的閥值主要考慮2個因素:①絕對值的比較,例如應(yīng)變監(jiān)測中當(dāng)前值與許用值的比較;②相對值的比較,即從變化速率上判斷災(zāi)害發(fā)育的趨勢和速度。
迄今為止,監(jiān)測網(wǎng)在“西氣東輸”一線干線及支線的管道地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)上布設(shè)了近百個隱患監(jiān)測點,及時發(fā)布了3起預(yù)警并2次觸發(fā)應(yīng)急預(yù)案,監(jiān)測成果直接支持了7處隱患點的治理工作,取得了明顯的監(jiān)測效果[9]。
3.1 災(zāi)害預(yù)報預(yù)警
將管道運(yùn)行的即時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)、預(yù)設(shè)閥值進(jìn)行比較分析后,監(jiān)測網(wǎng)發(fā)布出預(yù)警信息,解決了“有災(zāi)不治”和災(zāi)害治理遲緩的問題。位于山西省境內(nèi)的某管段曾2次開挖以釋放應(yīng)力,但受煤礦采空所致坡體崩滑的影響,2009年8月5日某監(jiān)測截面的管道軸向拉伸應(yīng)力已達(dá)467.2 MPa,超過了436.5 MPa的設(shè)計容許應(yīng)力,收到監(jiān)測網(wǎng)發(fā)出的預(yù)警后,組織開挖探坑,發(fā)現(xiàn)管道實際受損情況很嚴(yán)重:管道最大垂向位移已達(dá)1.885 m,且多處管道防腐補(bǔ)口帶和補(bǔ)傷片已經(jīng)卷邊、折皺、撕裂。西氣東輸管道分公司立即啟動應(yīng)急搶險預(yù)案,帶壓抬升后該管段至今仍處于安全狀態(tài)。
3.2 支持災(zāi)害治理方案
監(jiān)測網(wǎng)可用于判斷管道地質(zhì)災(zāi)害所造成管體應(yīng)力集中的主要部位、主要誘因和對管體的影響,進(jìn)而支持災(zāi)害治理方案設(shè)計和方案比選,避免“小災(zāi)大治”或“大災(zāi)小治”。位于陜西省境內(nèi)某管段途經(jīng)的不穩(wěn)定坡體于2007年10月發(fā)生滑坡,山體嚴(yán)重變形,最大剪切裂縫的高差達(dá)1.3 m,應(yīng)急搶險后監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:盡管坡體滑塌嚴(yán)重,但位于滑坡體中部的管道新增軸向拉伸應(yīng)力不足設(shè)計容許應(yīng)力的10%,且在滑坡后處于穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)此,業(yè)主方棄用大型抗滑樁方案,轉(zhuǎn)而采用一般水保措施,節(jié)約了數(shù)百萬元的災(zāi)害治理經(jīng)費(fèi)。
3.3 校準(zhǔn)災(zāi)害治理過程
治理過程中對管體以及管體周邊致災(zāi)體的人為擾動,必然引發(fā)管體自身應(yīng)力應(yīng)變在該管段的再次平衡。監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以反映哪些治理措施產(chǎn)生了期望的變化,而哪些治理措施可能導(dǎo)致災(zāi)害的進(jìn)一步惡化,從而解決運(yùn)營方所擔(dān)心的“災(zāi)害治理失當(dāng)”問題。在位于山西省境內(nèi)某管段高風(fēng)險的帶壓抬管過程中,監(jiān)測網(wǎng)啟動了即時的管道應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測,以包括應(yīng)變方向在內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)來調(diào)整抬管的步驟、位置以及抬升量,取得了較為理想的治理效果。
近5年的監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行實踐不僅為“西氣東輸”一線管道的運(yùn)行安全作出了貢獻(xiàn),其理念和思路對國內(nèi)管道運(yùn)營方的管道地質(zhì)災(zāi)害防御工作也具有一定的借鑒作用。
1)在管線力學(xué)和災(zāi)害地質(zhì)學(xué)相關(guān)理論指導(dǎo)下,關(guān)注管道地質(zhì)災(zāi)害的主要矛盾和矛盾的主要方面,管道地質(zhì)災(zāi)害的全線組網(wǎng)監(jiān)測在技術(shù)上是可實現(xiàn)的,并且由于其能大幅降低綜合治理成本、獲取減災(zāi)效益,在經(jīng)濟(jì)上也是可接受的。
2)盡管管道與地質(zhì)災(zāi)害的耦合關(guān)系因各種要素的復(fù)雜多變而難以把握,但只要重點關(guān)注管體自身的安全狀態(tài),掌握管體應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)和趨勢,再輔以必要的致災(zāi)體監(jiān)測手段,就能夠發(fā)現(xiàn)管道地質(zhì)災(zāi)害的前期征兆,把握災(zāi)害治理時機(jī),使災(zāi)害防御“事半功倍”。
3)監(jiān)測網(wǎng)具有災(zāi)害預(yù)報預(yù)警、支持災(zāi)害治理方案、校準(zhǔn)災(zāi)害治理過程的功能,甚至還可用于評價災(zāi)害治理效果、合理調(diào)配災(zāi)害防治資源,使管道完整性管理工作真正落到實處,最終降低管道運(yùn)營方的經(jīng)營成本,提高其經(jīng)濟(jì)效益。
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(1.PetroChina West-East Gas Pipeline Company,Shanghai 200122,China;2.Beijing Ke Li Hua An Geological Disaster Monitoring Technology Co.,Ltd.,Beijing 100036,China)
NATUR.GAS IND.VOLUME 32,ISSUE 1,pp.81-84,1/25/2012.(ISSN 1000-0976;In Chinese)
This paper aims to effectively monitor and predict the geological hazards of the Line One of the West-East Gas Pipeline so as to reduce the operation cost.First,by use of the historical data and the concept of"accident hazard coefficient",it visually demonstrates the necessity of the monitoring,the changing characteristics of geological hazards,the mechanical criteria for pipeline failures,and the feasibility of monitoring and early warning in terms of theory and technology.Therefore,a monitoring and early warning system for geological hazards along the long-distance pipeline,the so-called pre-disaster monitoring network,is established based on the following four principles:hazard-affected body is prior to hazard-formative body,pre-disaster monitoring is prior to post-disaster monitoring,long-term monitoring is prior to short-term monitoring,and cost-effectiveness is prior to technical superiority.In this network,there are approximately 100 monitoring points established at such areas with high potential of geological hazards along the arterial and branch lines of the Line One.As a result,this pre-disaster monitoring network has successfully completed the tasks of early warning three times,triggering contingency plans twice,and supporting hidden trouble solutions at seven locations.From the field application,it can not only release early warning,support the disaster treatment program,and adjust the disaster treatment process,but evaluate the treatment effect,reasonably allocate the disaster prevention resources,truly implement the pipeline integrity management,and effectively reduce the pipeline operation costs.
Line One of West-East Gas Pipeline,geological hazard of pipeline,accident hazard index,integrity management,monitoring and early warning,stress and strain monitoring
么惠全,1960年生,高級工程師,碩士;中國石油西氣東輸管道公司總經(jīng)理助理,主要從事管道完整性管理工作。地址:(200122)上海市浦東新區(qū)福山路458號同盛大廈19層。電話:(021)58849955。E-mail:yaohuiquan@petrochina.com.cn
么惠全等.“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警體系.天然氣工業(yè),2012,32(1):81-84.
10.3787/j.issn.1000-0976.2012.01.017
(修改回稿日期 2011-12-02 編輯 何 明)
DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2012.01.017
Yao Huiquan,senior engineer,born in 1960,holds an M.Sc.degree and is mainly engaged in the pipeline integrity management works.
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