第１９卷第４期石油规划设计２００８年７月１９靳正利・姜明军中国石油天然气股份有限公司规划总院中国石油天然气勘探开发公司靳正利等．高寒林区输道设计浅析．石油规划设计，２００８，１９（４）：１９—２２摘要在高寒林区进行大型榆道建设与在一般地区建设有很大不同。通过分析冻土地段管道线路工程的特殊性，阐述了在不同性质的冻土地地段进行建设时，如何在采用破坏性原则设计和保护冻土原则设计之间进行选择，并介绍了多种管道敷设方法。论述了在高寒林区进行站场建设、工艺优化、防火工程及环保工程的设计思路和处理原则。关键词寒冷区域原油长输管道建设线路工程输油站环境保护防火设计措施针对高寒林区管道的环境特点和一些需要重点寒冷季节也不产生冻胀危害的地段；二是较薄的地解决好的问题，现从线路敷设、冻土监测、输油工下冰层，且埋藏较浅，冰层范围小或难以保持其冻艺系统布局和优化、巡护和应急响应、林区防火、结状态的（或已处于消退中的），其下层为良好的少动植物生态环境保护等多个侧面提出几点设计对策冰冻土或基岩的地段；三是零星岛状多年冻土段，和思路，进行探讨。冻土范围小，埋藏较浅，此类多年冻土层一般已处１冻土地段管道的线路工程于退化状态，管道的建设过程势必加速其融化，其多年冻土状态难以继续稳定维持的地段。１．１季节性冻土地段的管道敷设按照冻土普查结果，该原道沿线多年冻土某高寒林区的原道工程经过的季节性冻土的融沉性分类大部分为弱融沉性，冻土范围小，埋地段，冻深一般在２．０—２．２ｍ。在此类地段敷设时，藏也较浅，融化后不会产生融沉及冻胀危害作用。可采用埋地方式。为避免受到季节性冻土的冻胀危因此，对于此类零星的埋藏浅的岛状多年冻土地段，害，管道应埋设在季节性冻土的下限以深，即管顶可按照破坏性原则进行管道工程设计，具体可采用埋深不浅于２．２ｍ，设计时可控制在２．４ｍ。局部开挖换填的埋地敷设方式。对于部分管沟地基１．２多年冻土地段的管道敷设承载力不足的地段，可换填一层黏性土或在管沟底多年冻土地段的管道敷设，可以根据实际的冻部铺垫卵砾石层，以提高管沟基面土的承载力。土发育状态情况，分别采取破坏多年冻土原则和保１．３宜采用保护冻土的原则设计的区域及敷设方式护多年冻土原则进行处理。在此区域，分布有连续的多年冻土和大片岛状适宜采用破坏多年冻土原则设计的冻土地段类多年冻土地段，冻土厚度一般＞４ｍ，对管道的稳定型主要有以下几种：一是地质条件良好，具体冻土安全可能有较大影响。主要是管道沿线所经过的沼形态为少冰冻土或多冰冻土，融化后不产生融沉，泽、湿地和黏性土含量较大并发育有多冰一富冰一饱・靳正利，男，１９６３年生，高级工程师，ＰＭＰ。１９８４年毕业于华东石油学院石油机械系油气储运专业。一直从事与油气储运业务相关的发展规划、技术咨询、设计审查和各种基本建设项目的前期研究工作，并在国内外多种能源、石油石化类报刊杂志和大型国际会议上发表论文多篇。现在中国石油天然气股份有限公司规划总院管道所工作。通信地址：北京海淀区志新西路３号９３８信箱，１０００８３万方数据２０靳正利等：高寒林区输道设计浅析２００８年７月冰冻土的多年冻土岛，冻土岛范围由几十米到上百米不等。其中在沼泽化、湿地地段，其多年冻土的融沉性分类为强融沉性，多有富冰冻土分布。此类大片岛状多年冻土厚度大，若采用破坏性原则进行设计，不仅管道的设计埋深大、工程量大，而且也容易产生冻胀和融沉灾害，对日后的管道安全造成危害。因此，对这类强融沉性大片的岛状多年冻土地段，宜采用保护冻土的原则进行管道工程设计。按保护多年冻土的原则进行设计，就是要通过采取有效措施使管道在建成后其底部的多年冻土层的人为上限能够被控制在一定的范围内，以保护管道底部的多年冻土不被继续融化，达到确保管道的长期安全与稳定的目的。针对原道所面临的高寒林区冻土地段的具体建设条件，在研究、考察、借鉴国内外相关技术成果的基础上，考虑到沿线的防洪和防火等特殊需要，管道在穿越一些强融沉性多年冻土地段时，可分别采用以下几种敷设方式。１．３．１地上管架＋隔热的方式对于管道轴向与洪水流向交叉明显（含垂直）、周围ｌＯＯｍ内无茂密林木生长、一次连续经过长度大于等于２０００ｍ、位于开阔平缓沟谷地带的管段，可采用较低的抗冻土桩式地上管架架空敷设；对于位于地形起伏较大的地段，则采用较高的抗冻土桩式管架架空敷设。管架结构采用每组４支抗冻土型钢管套桩，管道底面距地面１．２—１．５ｍ或２．５—３．０ｍ，管体外加设保温层，保温层外包覆金属薄板防护，管道采用滑动式支架安装，管架要考虑承受洪水、泥石流冲刷的能力。此外，要在每个管架的根基部位附近，根据实际的冻土特性，酌情设置必要数量的导热棒，确保桩基埋深处附近地层温度不发生明显改变。采用架空跨越方式，其结构对地貌环境的影响程度较小，抗洪水、泥石流冲刷破坏影响的能力较强，也便于动物的迁徙，但管道抗林区火灾影响的能力较差。因此，比较适用于离茂密林地较远的高寒林区冻土地段的穿越。１．３．２地上管墩＋隔热的方式对于管道轴向与洪水流向基本平行、周围ｌＯＯｍ内无茂密林木生长的多年冻土地段，可采用抗冻土桩式管墩地面敷设方式。管墩基础可采用每组４支抗冻土型钢管套桩，管道贴近地面安装，管体外加设保温层，管道采用滑动式支架安装，保温层外包覆金属薄板防护，并在每组管墩根基部位附近酌情万方数据设置必要数量的导热棒，以确保桩基埋深处附近冻土层温度不发生明显改变。采用管墩支撑敷设方式，其结构形式对地貌环境的影响程度相对较小，但抗洪水、泥石流冲刷破坏影响的能力相对较差，抗林区火灾影响的能力也较差。１．３．３地上管堤＋隔热＋管顶覆土方式对于管道轴向与洪水流向基本平行、周围ｌＯＯｍ内有茂密林木生长的多年冻土地段，可采用较低的碎石管堤敷设。管堤主体材料可采用碎石，堤体中下部加横向通风孑Ｌ，不设排洪涵道，管体外加设保温层，底面加隔热垫层，管顶覆土。对于管道轴向与洪水流向交叉明显（含垂直）、周围ｌＯＯｍ内有茂密林木生长、一次连续经过长度大于等于２０００ｍ、位于开阔平缓沟谷地带的管段，可采用较低的带排洪管的碎石管堤敷设。管堤主体材料采用碎石，加横向通风孔，底部加设较小口径的排洪涵道，管体外加设保温层，底面加隔热垫层，管顶覆土。对于排水不畅的厚层地下冰地段，为防止地表水渗入地基造成管堤融沉或因毛细水作用而造成冻胀危害，应注意在管堤底部填筑一定厚度的黏性土，在沼泽冻土地段则要填埋渗水土作为毛细隔断层。１．３．４埋地＋换填＋隔热方式对于管道轴向与洪水流向交叉明显（含垂直）、周围ｌＯＯｍ内有茂密林木生长、一次连续经过长度小于２０００ｍ且位于断面起伏较大的山间沟谷多年冻土地带的管段，为保证管道具有足够好的抗林火和抗山洪破坏能力，可采用加设保温层和隔热垫的换填砂石埋地敷设方式。采用此种敷设方式的管道，埋深应控制在季节性冻土范围内，管沟底部换填碎石和粗砂，管体外加设保温层，底面加隔热垫层，管道侧面换填碎石和粗砂，管顶压覆石笼，并采用其它抗冲刷措施。同时，在管底的多年冻土层埋设一定数量的导热桩。采用上述浅层埋地敷设方式穿越山洪冲刷破坏火灾影响的能力，也便于动物的迁徙，对当地地貌环境的影响程度也较小，但必须注意在埋设处及上下游应采取必要的防治措施，确保工程具有较好的抗洪水及泥石流冲刷破坏的能力。１．３．５山间沟谷冻土段浅层埋地敷设管段的融化盘校核对于前述浅层埋地敷设穿越山洪冲刷严重的山严重的山间沟谷冻土带，可明显提高管道的抗林区第１９卷第４期石油规划设计２１间沟谷冻土区的方案，除了要做好管线压盖防护结构之外，还需对管道在不同季节的融化范围进行校核计算。对于融化范围明显大于管道允许的重力弹性变形量的管段，要注意采取局部强化支护措施，或者采用允许更大弹性变形量的特殊管材（即采用所谓的基于大形变管道设计技术），以确保管道的安全。１．４强融沉冻土段管道状态的实时检测１．４．１地温监测为了确切掌握管道所经过冻土地段的地基土层温度场变化情况及发展趋势，应考虑在重点的强融沉性多年冻土地段上设置一些土层观测孔，以便及时了解各段的土层地温变化动态。１．４．２冻胀和融沉检测对冻土层的冻胀和融沉效应的观测，常用的方法有大地测量法、局部应力（贴片电阻）法、水准抄平法和机器人三维视觉智能识别法等。机器人三维视觉识别法，利用现场有限范围内的实景照片，系统进行实时智能对比和位移识别，可对现场多个点位的位移或形变进行实时检测。该方法检测精度高，适合进行多向性复杂形变工况的监测。因此，工程宜选用三维视觉智能检测技术。２高寒林区的站场工程和工艺优化２．１站场建构筑物的设计高寒林区管道站场建构筑物的设计要充分考虑对冻土危害和林区火灾侵害的适应性。其中建构筑物上部结构的设计，应综合考虑荷载、跨度、层高、地基条件、抗震设防、施工及材料等因素，合理选择结构型式。建筑物地基基础，可根据上部结构型式及冻土地基特性，分别采用钢筋混凝土柱基或条基、毛石条基、低填通风管基础、架空通风基础等，其中架空通风基础可采用钻孔插入钢筋混凝土预制桩。设备基础、管沟、管墩等可采用素混凝土结构，管架基础可采用基础，消防水池可采用现浇钢筋混凝土结构。储罐地基基础，可根据使用要求和地基条件，采用钢筋混凝土环墙式基础或桩基承台式基础，地基处理可考虑采用水泥粉煤灰碎石桩＋砂碎石褥垫层结构。为防止地表热量下传危害冻土层持力状态，在基础梁或柱承台下填充松散保温材料。２．２沿线输油站场的布局和工艺系统优化为了最大限度减小热传导过程与冻土危害之间的矛盾，在条件允许的情况下，要尽量采用常温密万方数据闭输油工艺，以减小温差。文中所述原道的目标输送油品凝点在一１０℃以下，２０℃运动黏度在４．９３—９．８３ｍｍ２／ｓ之间，为低凝低黏原油。管道沿线各地最冷时段，地下１．６ｍ处的地温约为一２．９—一３．４℃。为此，该管道全线可采用常温密闭输油工艺。在进行工艺计算时，冬季工况的首站进站油温按一４℃计，考虑到原油进罐后在储存期间所发生的温降，并参照年平均气温，出站油温取一６。Ｃ，沿线（冬季）地温取一４℃；夏季工况的首站进站油温按１０ｃＣ考虑，油品进罐储存可能发生温升，若不进罐则保持来油温度，故夏季出站油温取１０℃，沿线（夏季）地温取１０℃。在进行原道输油工艺系统方案设计过程中，计算出了包含３个不同管径、３个压力等级和３种不同钢材的共计２７个备选方案的钢材耗量、泵站个数、年耗电总量等基本工程参数；进而测算出每个方案的费用现值，并据此初步筛选出一个“最优”方案。当具体审视这个方案时，发现虽然该方案已经基本符合了大站间距、高扬程、高效率、节省投资的设计原则要求，但是其中间泵站的站址点均远离社区或电源点，不仅依托条件差，而且在茂密林区。由于管道沿线地处高寒地区，冬季大雪封路情况很常见，因此社会依托条件对确保管道的安全运行和站场的管理乃至驻站人员的生存保障显得尤为重要。为此，有必要在综合考虑经济性、安全性和有效利用沿线社会依托条件等因素的基础上，对该方案的各个站场位置又进行了一些局部的优化调整，使各个输油站场更靠近附近的社区中心和地势开阔、林木稀少的地点。经过调整的方案与调整前的均匀布站方案相比，虽然耗钢量有所增加，但外输电线路工程投资明显减少，社会依托条件进一步改善，综合效益显著。此外，在进行方案的比选和优化过程中，还对采用不同材质的方案，进行了对高寒地区建设条件的适应性分析和优选工作。２．３在林区的防火工程２．３．１输油站场在林区的防火适应性设计在林区设置输油站，必须认真做好防火适应性设计：一是，确保站内不产生危及林区安全的任何形式的火源扩散；二是，当周边出现林区火情时，站场具有必要的冷却能力和防火能力，确保输油站场不致遭受林火的侵害。为实现站场内火源不向林区扩散，需采取如下措施：一是杜绝任何部位产生暴露于大气的明火，２２靳正利等：高寒林区输道设计浅析２００８年７月包括火苗、火花或火雨等可能危害林区安全的火种。这需要严格按照规范要求做好防雷击、静电接地、电气设备防爆、锅炉烟气消火雨等设计；二是采取隔离措施和预留隔离空间，如在站场四周设置一定宽度的防火隔离带（如宽５０ｍ），并在边界处设置喷淋冷却消防水炮、水幕和消防水龙头快速接头等应急灭火设施。为使站场不致遭受周边林火蔓延的侵害，除设置防火隔离带之外，还需事先把站场四周隔离带以外约２００ｍ范围的林木根部的所有杂草、落叶、枯枝、腐殖质等有机物彻底清除干净，以减轻周边林地对火源传播蔓延的敏感性，并在必要时通过启动站场四周的水炮和水幕等防火设施进行自救。其中最为直接和有效的自我保护手段就是站内消防水喷淋冷却系统。为此，对于林区输油站场的消防设计，要注意适当加大消防水储存量。２．３．２施工与抢修期间的防火措施在管道施工和抢修期间，不可避免地会发生内燃机具和高温明火机具与林区管道近距离接触的情况。如不采取严格的防范措施，后果必将是灾难性的。为确保现场焊装、抢修期间的安全，需注意采取以下几个方面的措施：一是严格做好现场所有人员和机具设备的防火、消火工作，杜绝一切不必要的火种进入现场，并做好静电和火花消除工作；二是制定严格周密的漏油事故现场保护和无害化处置行动预案，并加强内燃机具燃油的现场管控；三是对所有可能产生高温和明火的作业工位，注意采取必要的隔离或封闭措施，杜绝现场火源进入林地；四是主要施工作业完毕后，要按照预案程序将现场的可燃物或可能成为火种的物质清除。３其他辅助工程３．１防山洪冲毁破坏对于建设在低山丘陵型高寒林区的管道，除了要做好抗冻土灾害和林火灾害设计之外，还必须注意防止雨季山洪爆发和泥石流可能对浅层埋地敷设管段造成的严重破坏。其中需要特别引起注意的有两点：一是要认真收集当地的水温气象资料，不要低估潜在灾害的破坏力；二是有意识提高防治措施设计标准，把问题解决在工程阶段，必要时应聘请专业的水工工程设计单位进行专项防治工程设计。３．２动植物生态保护设计为保证动物自然迁徙通道不被阻断，对于连续长度较大的地面敷设管段，应注意在管道两侧每个万方数据适当距离加设一组缓坡土堤，用作管道两侧动物的迁徙便道。此外，当管道通过有珍稀树种或中药材生长地段时，要注意尽量避绕开这些珍稀植物资源地，切实减轻对沿线动植物生态环境的扰动、破坏。３．３节约用地，科学施工，保护环境高寒林区植被生长缓慢，自我更新能力差，生态环境脆弱，若处理失当，将在管道沿线引发严重的水土流失灾害。为此，力争通过严格的施工现场管理，实行物流单向控制，使林地实际砍伐宽度控制在１４—１７ｍ。管道敷设完毕后，应尽快完成岸滩、边坡的稳定处理，地表施工创面的复原或植被再植。剩余土石方应尽量在建设项目伴行路或管堤段中利用完毕。当确实需要开辟取土场或弃渣场时，要尽量利用林区内林木稀疏的区域或避开林区，并在施工完成后尽快进行取土场及弃渣场的植被再植工作。３．４沿线巡护和抢修作业通道保障措施在高寒林区地带，茂密林木的阻挡和冬季大雪封山，使人员和机具进出管道巡护和抢修现场变得困难和缓慢，甚至仅靠常规装备根本无法到达现场。这将是未来高寒林区管道运行管理中的一个问题。为此，可考虑借助林区护林直升机大队的服务能力，在每个林区站场旁边均设置一个直升机停机坪，关键时刻可获得直升机的快速响应和救援。同时，可配置适应极寒冷地带作业的履带式扫雪机和专用运送车，并配备必要数量的小型切割、清障机具。３．５管道系统设备的耐寒性设计需要考虑耐寒性设计的管道系统设备，主要包括各种户外安装的检测仪表、电动执行器、小型电源等。在方案设计中，要注意通过合理选型或在安装上采取技术措施确保设备能够在一５０℃环境温度下长期安全稳定运行。总之，在高寒林区进行大型输道工程建设与在一般地区进行建设有很大不同。必须时时处处从细节入手，严格保护林地资源和沿线生态环境的安全，绝不给沿线地区留下生态环境后患。收稿日期：２００８－０３—０６编辑：马三佳
