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钢制锅炉金属软接头:近年油气管道地质灾害重大案例分析
浏览: 发布日期:2018-04-08

近年油气管道地质灾害重大案例分析

邓清禄1 荆宏远2 王学平

1.中国地质大学(武汉)

2. 中国石油天然气股份有限公司管道分公司

 
 
 
 
 
 

摘要:近年来中国发生了多起较为严重的地质灾害导致管道失效事件。本文选择黔西南州晴隆“7.2”天然气管道断裂燃爆等五例管道地质灾害事件,简要介绍其地质灾害.征、形成条件及诱发因素,分析引起管道破坏的原因,总结认识与教训,以期对今后管道地质灾害管理有所启示。主要认识包括:工程活动是诱发地质灾害的主要因素,处于滑坡运动路径上管道也注意加以防护,前期与早期管道地质灾害识别既重要也有可行性,应向社会公众宣传风险可接受程度的概念。

关键词:管道,地质灾害,案例

 

 

 

1  引言

 

近10余年来,中国长输油气管道拥有量有了大幅增长。截止至2015年,中国在役油气管道里程达到11.7×104km,覆盖全国32个省区市[1]。随着管道里程的快速增长,管道完整性管理也有很大提升。2000年左右,中国引入了油气管道完整性管理概念[2],经十几年的探索与实践,201510月,颁布了.标准《油气输送管道完整性管理规范》(GB 32167-2015)。地质灾害与.三方损.、管体腐蚀、制造缺陷等相并列的管道风险,在该标准中作出了管理规定。此外,.能源局还专门颁布了石油天然气行业标准《油气管道地质灾害风险管理技术规范》(SYT 6828-2011),标志着中国管道地质灾害纳入到了科学的管理轨道。

然而,管道地质灾害的防控涉及诸多因素,包括自然因素、技术因素、社会因素等,难度大,风险高。美国有推行严格和先进的管道完整性管理体系,但仍然有较多管道事故发生。Girgin[3]对美国液体管道事故进行了统计,19862012年共27年间重大突发事件就3802起,其中自然灾害诱发的重大管道事故234起(6.2%),自然灾害中地质灾害及水文灾害的比例分别为26%14%。国外管道失效统计数据表明,虽然在数量上地质灾害导致油气管道失效事件机率并不高,但造成的财产损失却非常巨大[4]。近10年来我国油气管网共发生管道泄漏事故370余起,其中重.大事故4起,共造成人员.亡75人,直接经济损失超过100×108元,重大环境污染10[1],其中有相当一部分事故是由地质灾害引起或诱发的。由此看,管道完整性管理,也包括管道地质灾害管理,任重而道远。

文选择近年我国发生的几起管道地质灾害事件典型案例,包括贵州黔西南州晴隆中缅天然气管道断裂燃爆(2017.7.2)、湖北恩施川气东送管道爆炸2016.7.20)、深圳光明新区滑坡引发天然气管道断裂泄漏(2015.12.20)、江西萍乡西二线湘潭联络线管道泄漏爆炸2013.5.26)、山西沁水中木亭连接线滑坡引发煤层气管道破裂泄漏2011.9.30)。这些案例既有发生在山区的,也有发生在丘陵的;既有人工活动为主因的,也有自然因素为主因的。在逐一介绍管道地质灾害.征的基础上,重点分析其主控和诱发因素,总结管理经验,以期对今后管道建设选线及在役管道地质灾害管理工作有所裨益。

 

2  地质灾害致管道失效典型案例

 

2.1 贵州黔西南州晴隆“7.2”天然气管道断裂燃爆

201772950分左右,中缅天然气管道贵州省黔西南州晴隆县沙子镇段管道发生断裂燃爆事故,造成8人.亡,35人受.。

中缅天然气管道2010年动工,201310月建成投产,管径1016mm,设计压力10MPa晴隆县沙子镇为侵蚀切割山区地貌,中低山~中山为主,。在断裂爆燃段,管道在自然斜坡坡脚敷设,坡体为二叠系近水平薄至中厚层状细砂岩,覆盖层较薄,管道敷设在强风化的基岩沟槽内。管道建成后,当地在管道上方斜坡中部切坡修建公路,公路下方边坡堆积杂填土,坡度约35°(图1

 

图1 贵州晴隆县沙子镇管道断裂燃爆点平面图

 

根据《国务院安委会办公室关于贵州省黔西南州晴隆县“7.2”中石油输气管道燃烧爆炸事故的通报》(安委办〔201720):初步分析是当地持续降雨引发公路边坡下陷侧滑,挤断沿边坡埋地敷设的输气管道,导致天然气泄漏引发燃烧爆炸。

滑坡为道路外侧填方边坡沿基岩面发生滑动形成(图23。滑坡后缘宽度约30m,前缘宽约40m,滑坡后缘到管道距离约25m,厚度约4~8m滑坡体积约6500m3

 

图2 滑坡后缘错动陡坎

图3 滑坡剖面示意图

 

降雨是导致滑坡的重要诱发因素。事发前20为持续阵雨为主的天气,长时间持续的降雨使土层趋于饱和,土体重度增加、强度降低,为滑坡准备了力学条件。公路外侧的填方堆载则为滑坡提供了不稳定土体。经计算,在不考虑管道下方土体的阻滑作用时,根据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》附录A.0.2,计算得滑坡在管道位置的剩余推力.大可达450kN/m;按横穿状态下均质滑坡对管道的推力计算方法[5],作用于管道的推力.大可达228KN/m;按完全弹性材料计算管道的内力、应力时[6],在该推力下滑坡中部管壁.大拉应为1738MPa,远远超出了管道材料的弹性范围,实际上管体不可能存在如此大的应力,在没有产生如此大推力时已经断裂。可见,该滑坡足以导致管道断裂。若存在管体缺陷,.别是环焊缝缺陷对轴向应力较为敏感,容易在较大轴向应力作用下发展导致管道断裂失效。滑坡等地质灾害常导致管体产生较大的轴向应力,因此在滑坡和管体缺陷下共同作用下管道更容易发生断裂。若该段管道存在对轴向应力敏感的管体缺陷,可能较小的滑坡活动即可能导致管道断裂。

2.2 湖北恩施7.20”川气东送管道爆炸

2016720630分左右,川气东送管道恩施市崔家坝镇境内爆炸燃烧,造成2.3.。在该段,管道穿越马水河后总体纵坡向上敷设,坡度15-25°。基岩地层为三叠系中统巴东组紫红色泥岩、泥质砂岩(T2b2)和泥质灰岩组成(T2b3),地层产状115°30°,为逆斜向坡结构;低洼的凹沟部位为崩坡积覆盖层,多为含碎石粉质黏土。滑坡总体沿着一低缓的凹沟发育,滑坡发生前该部位基本上为旱作梯田(图45)。滑坡为覆盖层滑坡,下部可能包括了基岩强风化层。滑坡主滑方向南西向,边界形态总体呈不规则的喇叭形,后缘高程约685m,前缘高程约495m,宽50-200m,长900余米,厚度估计20-30m,体积约300×104m3,属于大型滑坡。

图4 恩施崔坝管道爆炸点平面示意图

图5 恩施崔坝管道爆炸点滑坡地质剖面图

 

管道在滑坡区的右后侧通过,在滑坡及强变形区的管道长度约150m,滑坡造成管道拉断。此处出现大规模滑坡的原因可归结为不利的地质条件和强降雨。滑坡区出露地层为三叠系中统巴东组,巴东组是鄂西南与渝东地区典型的易滑岩组,在三峡库区的东段,有大量的滑坡发育在巴东组中,是滑坡的高敏感性地层[7]。强降雨是该滑坡的主要诱发因素,20167188时至208时期间,恩施市崔坝雨量站6小时.大降雨206.0mm24小时.大降雨360.0mm,其中6小时暴雨重现期约100年一遇,24小时暴雨重现期超过100年一遇[8]。滑坡所在部位低缓凹沟,为大量雨水汇集和入渗提供了地貌条件。

2.3 深圳光明新区“12.20”滑坡引发天然气管道断裂泄漏

20151220日,位于深圳市光明新区的红坳渣土受纳场发生滑坡事故,造成西气东输二线管道广深支干线管道断裂泄漏。红坳受纳场所处位置原为采石场,经多年开采形成东、西、南三面环山封闭的凹坑,北面有狭窄出口,并存有积水约9×104m3凹坑四周出露花岗岩。2013年开始作为弃渣场堆填弃渣,20151220日滑坡前受纳场堆填总量约583×104m3,主要由建设工程渣土组成(图6

图6 红坳受纳场地理位置示意图(据国务院事故调查组,2016)

 

事故发生前红坳受纳场渣土堆填体由北至南、由低至高呈台阶状布置,共有9级台阶(图7)。0级台阶高程56.9m,堆填体实际.高高程 160.0m。西气东输二线管道广深支干线管道位于红坳受纳场以北,距离约70-200m,埋深2m-4m,管径914mm,设计压力10MPa。管道高程与滑坡前缘高差约60m,管道走向与滑动方向基本垂直。

根据《广东深圳光明新区渣土受纳场“12·20”.别重大滑坡事故调查报告》[9]“由于红坳受纳场没有建设有效的导排水系统,受纳场内积水未能导出排泄,致使堆填的渣土含水过饱和,形成底部软弱滑动带;严重超量超高堆填加载,下滑推力逐渐增大、稳定性降低,导致渣土失稳滑出”。体积庞大的高势能滑坡体形成了巨大的冲击力,形成高速远程滑坡。滑动距离约700m,模拟计算推测.大滑动速度23.8m/s[9]。滑坡在高速滑动过程中逐渐转化为碎屑流,在运动路径上冲刷剐蹭原地面浅层土体,当冲刷剐蹭深度达到或超过埋地管道深度时,碎屑流的摩擦或裹挟作用,导致管道断裂泄漏(图8)。由于断裂泄漏时管道仍埋在土体中,且周边大面积滑坡覆盖,远离火源,因而未发生爆炸起火。

 

图7 滑坡剖面图(据国务院事故调查组,2016,略修改)

图8 西二线广深支干线管道滑坡断裂段平面示意图

 

2.4 江西萍乡5.26”西二线湘潭联络线管道泄漏爆炸

2013526日上午720分,西二线湘潭联络线赤山镇丰泉管理处羊古塘段天然气管道发生断裂泄漏爆燃(图910),事件现场造成2人轻.。

图9  管道爆炸点开挖修复

 

 图10  管道断开(断口两端距离约1.5m)

 

管道近东西向敷设,管径660mm。所在场地为低丘地貌,相对高差一般在10-20m。基岩地层为白垩系红层,发育深厚的风化层,表层数米为红黏土,往下为含碎石红土。管道出现变形断裂,分析其原因,认为是多种因素共同作用的结果:

1弹性敷设,存在初始管道应力。管道设计时将管道布设在工业园区大道旁侧,但实际敷设施工中,可能为了绕过较深的山坳,管道拐到山坳外侧较平缓处通过,从而管道敷设呈弧形(图11)。后来开挖发现此拐弯段管道未设弯头,为弹性敷设,因此管道在敷设时即存在较大的初始应力。

 

 

图11 管道爆炸点平面示意图

 

2)管道段堆填加载。此段管道原始埋深1.46m但此区段进行工业园建设,一侧开挖、另一侧回填,回填厚度约9m加上原始管道埋深,管道上覆土层达到10余米(图12),给管道增加了较大的附加应力。

3)侧向推移。原始地面不是平的,存在一定的坡度(根据附近残留地貌.征推断为10-20°,管道失效时回填区地面总体呈宽缓斜坡(约10余度),但在回填过程中坡度会更大,因此回填土存在沿管沟基础软土滑移变形的条件(图12,并因土体滑移变形推动管道发生弯曲拉伸变形。开挖后管道变形现象可以证实这个推断:管道断裂后弧形段管道产生了明显的回弹,在管弧外侧与土体间观察到回弹后留下的空隙;管道断口两端脱开约1.5m

4)管沟基础软弱。在开挖现场观察,管底土层为红黏土,为软塑状态,从而管道在外力作用下有较大的变形空间。

综合分析认为,以上单一因素都不足以使管道断裂,多因素联合作用导致了管道的破坏。管体也可能存在对轴向应力敏感的本体缺陷,在轴向拉直作用下,从薄弱点扩展失效。

2.5 山西沁水9.30”中木亭连接线滑坡引发煤层气管道破裂泄漏

2011930日山西沁水压气站煤层气管道进站段坡脚管道发生泄漏,由于发现及时并处置妥当,未引起爆燃事故。

西一线与煤层气管道近东西向纵坡敷设,斜坡长度170m坡度18-37°。地层上部为覆盖层,厚度13-25m,包括上部的人工填土和下部的坡积物,基岩为二叠系下统砂岩、页岩,基岩产状平缓310°∠11°)

图12 管道爆炸点剖面示意图

 

滑坡是造成管道破裂泄漏的直接原因,间接的原因是较大规模的填方。此段斜坡经历过多阶段的填方,包括修建老陵沁公路阶段的填方、管道建设前期的填方及修建中木亭互通连接线时的填方。修建中木亭互通连接线填方规模较大,局部(.别是斜坡后部)使管道呈深埋状态。中木亭互通连接线在管道运营一年后于2010年通车,2011即出现管道破裂泄漏事故。总体看,滑坡为填方滑坡,可分为H1H2两个滑坡体[10],也可看出前后两个阶段的滑动变形(13、图14)H1滑体位于填方坡体前缘,坡体较陡(30°),由于雨季降雨入渗以及公路涵洞排水的入渗(涵洞出水口正好处于H1滑体的后缘),增加了土体容重,软化了填方土体,引发前缘土体的滑移。H1滑体滑移结果是减少了坡脚部位荷载,从而诱发或加剧了原本不稳定的填土斜坡的变形破坏,出现H2滑坡。滑坡破坏模式为复合式,兼具推移式和牵引式.征。

管道方向与滑坡滑动方向总体一致,此种滑坡与管道作用模式下,管道出现上部受拉、下部受压的受力模型[11][4]。管道破裂点没有出现在滑坡区(填方区),而是出现在距离滑坡前缘约65m,一种可能是滑坡前段管道较为平直,管道埋深较大,管沟土密实,管沟土对管道有较好的约束,直至到滑坡前缘约65m,由于地形转变等因素,出现应力集中,引起管道在此处屈服破坏;另一种认为滑坡前缘到达了管道破裂部位[11]。作者倾向于前者,因为填方前缘到管道破裂点间地形为平缓凹沟,下部为碎石土,不利于在此段发育滑坡。

 

图13 沁水中木亭连接线滑坡平面图

图14 沁水中木亭连接线滑坡剖面图(据茹治敏,2012,修改)

3  经验教训分析

通过以上管道地质灾害5个案例介绍和分析,可以总结如下一些认识:

1)人为(工程活动)因素是主要因素5案例中4与堆填方有关(晴隆、深圳、萍乡、沁水),所以管道日常管理中需密切关注和防范管道附近较大规模的工程活动。一般情况下单纯的增大埋深对管道安全的影响不是致命的,增加埋深在管道上增加了围压,虽然.底部与两侧受力不同,但主要是环向的应力。堆载导致管道安全问题主要是由于堆载区或两侧可能存在显著差异沉降,.别是存在软弱地基的情况,或由于堆载引起滑坡。

2)注意滑坡体外、滑坡运动路径上管道安全防护。深圳光明新区滑坡剪出口距离管道.小距离达到70m,由于高速运动的碎屑流向下部的侵彻和剐蹭作用,导致管道损毁。此前我们更多关注的是滑体中的管道安全,深圳光明新区滑坡损管的案例,为存在类似情况的管道安全防护敲了警钟。

3)早期识别重要性及可能性。地质灾害早期识别至关重要,只要提前识别地质灾害风险,就可以采取针对性的风险减缓措施。地质灾害早期识别是可能的,几处滑坡案例中,至少深圳、萍乡、沁水3处灾害点存在明显的前期变形迹象。深圳滑坡滑源区(填土场)在出事前一个多月111日)即发现出现大量细小裂缝情况,此后陆续发现变形有增加和扩大的现象,即使在事发当天,现场作业人员发现受纳场堆填体出现裂缝、鼓胀等较大变形情况,只是处理措施不当,造成了严重后果(国务院事故调查组,2016)。萍乡5.26管道泄漏爆炸前两个多月(311),事发段光缆曾出现断缆,事后分析此断缆事件也可能是此段由于堆载引起土体滑移的结果,只是此前期变形征兆未引起重视。山西沁水9.30”事故前,中木亭连接线路面有开裂下沉现象。另两处灾害点无前期变形信息的资料,但大多数大型滑坡,类似川气东送管道恩施市崔家坝段的滑坡,在失稳前应经历了一定变形过程。

4)加强建设前期阶段路由及敷设方式优选。地质灾害主控因素还是地质因素,在充分认识地质灾害主控因素的基础上,在选线阶段做到优化路由,规避地质灾害易发段。川气东送管道恩施市崔家坝段滑坡发生在中三叠统巴东组T2b)中,而该岩组是渝东鄂西地区.著名的易滑岩组,所以选线阶段宜尽量规避此层位。即使不能规避,也应在敷设方式上采取有利于管道安全的方式,如沿山脊线敷设或隧洞方式是较为安全的(邓清禄等,2016。根据统计,忠县-武汉管道山区有些地段,用于地质灾害防护的费用超过了采用隧洞方式敷设的费用,所以一些地区采用隧道的方式敷设管道是有竞争力的,尽管一次性投入大(邓清禄等,2016)。

5)应向社会公众宣传可接受性风险(或称风险容忍度)的概念。地质灾害防治工程及管道水毁防护工程都有设防标准,如滑坡防治工程,根据防治工程级别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级,相应按102050暴雨重现期考虑作为强度荷载标准进行设计(DZ/T 0219-2006;又如,管道水域穿越工程,根据工程等级大型、中型、小型,对应防护工程设计洪水频率为1%2%2%GB 50423-2013)。以上说明,防范是设定在一定程度范围内的,但近些年来,一些管道地质灾害事件是在异常气象条件下发生的,异常气象常超出了工程设计设防的上限,这种条件下出现事故可以理解为可接受性风险。风险不是越低越好,因为降低风险需要采取措施,措施的实施需要付出代价,所以通常将风险限制在一个可接受的程度[12]。但对这部分可接受的风险,应通过完善应急预案等措施,.大程度地降低风险损失。

4  结语

基于近年我国接连发生了一些重大的管道地质灾害事件,论文选择了5具典型的案例加以介绍和分析,获得了一些认识。

管道完整性管理管理仍需要不断的完善和提升。一些管道地质灾害与人类工程活动相关,而这些灾害是可以通过完善管道管理达到消除和降低风险的目的,管理过程应该贯彻到管道建设和运行的全过程。管理本身是一门科学,除了从管理制度、规范等指导性文件进一步完善外,需要注重管理的实施过程,包括管理过程的各个环节。中国管道管理者们实际也意识到这一点,中国石油和化学工业联合会管道完整性管理技术中心制定了《企业管道完整管理人员培训及考核标准》,确立了管道完整性管理能力三级(初级、中级和高级)培训认证体系,并2017年开始实施全面的油气输送管道完整性管理培训计划,旨在提升全行业管道完整性管理水平。

地质灾害识别、防控也是一门科学性和专业性较强的工作,需要更多地依靠专业部门的参与。这在中国石油天然气股份有限公司管道分公司等一些专业管道公司做得较好,规定对山区管道一般按3年一轮、平原区管道5年左右一轮,委托具备地质灾害防治行业资质的专业机构对管道地质灾害进行调查和风险评价,提出整治规划。地质灾害有一个逐步发展和演化的过程,需要动态的加以调查识别和管理。这形象地类比于人的健康体检,一般需要每年安排一次全面的体检,才能够有效地早期诊断出健康隐患。

 

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作者:邓清禄,中国地质大学(武汉)教授(二级)。主要研究方向为地质灾害分析与防治等。参与了三峡水利工程、输油气管道工程等.重点工程地质灾害研究与防治工作。发表论文70余篇,专著4部,获省部级科技奖励一等奖1项、二等奖2项。