工艺管道沉降的分析与防护.doc

工艺管道沉降的分析与防护
四川石油天然气建设工程有限责任公司川中分公司 李锐
摘要
在油气田地面工程建设中，如净化厂、集输站场与单井站场施工过程，工艺管道安装是必不可少的重要部分，并且大多数管道将进行埋地敷设。在施工过程中，以及完工后的使用中，埋地段工艺管道往往由于管道回填、基础处理等多种因素会造成管道的沉降。本文就工艺管道的沉降进行分析，并提出相关防护措施。
关键词：埋地工艺管道；沉降；防护措施
Abstract
In Oil-Gasfield Surface Engineering construction,such as the purification plant, gathering&transportation station and the single well yard construction
process,the installation of system pipeline is the essential important part, and most of system pipeline would be buried under-grand.During the construction process,after as well as finishes in the use,for the buried section of system pipeline,a variety of factors,such as improper backfill&handling of foundation,cause the pipeline settlement.This article analyzes the settlement of system pipeline,and protective measures put forward.
Key word：buried pipeline;settlement;protective measures

1. 概述
在油气田地面工程建设的厂站施工过程，工艺管道安装是必不可少的重要部分,其中大部分工艺管道采用埋地敷设。因此，在施工中必须先根据施工图纸进行放线、管沟开挖，对焊接完成的工艺管道进行检测、防腐、保温之后进行回填。埋地工艺管道回填过程很多不确定性因素导致在回填过程中或回填完成后，回填土会有不均匀沉降现象。回填土沉降导致工艺管道弯曲形变，一旦超过容许变形值，最终可能导致管道输送介质泄漏或爆炸事故。因此对工艺管道的沉降问题的防护在油气田地面建设中是很重要的。本文就工艺管道沉降问题进行分析，并提出一定的防护措施。
2. 对沉降的分析
2.1管道受力分析
2.1.1管道自身所受重力：包括埋地管道自身重力、埋地管道连接的管道及阀门等重力传递至埋地管道上的载荷和管道输送介质所受重力（将管道与输送介质作为整体进行分析）；
2.1.2管道基础对管道本体向上的支撑力；
2.1.3管道输送介质时介质波动对管道产生的动载荷；
2.1.4管道上覆土对管道本体产生的附加载荷，其大小随埋深的增加而增加；通常站场内工艺管道埋设方式采用沟埋式，即开挖管沟后进行管道敷设，然后进行分层夯实回填。假设沟内任一深度的平面上，回填土的竖向压力均匀分布，且管顶承担全部填土压力，则管顶竖向土压力为
（式2.1.4a）
（式2.1.4b）
式中，We为单位长度管顶土压力；Kg为管顶竖向土压力集中系数； K为水平土压力系数；f为沟壁摩擦系数；ρs为土壤密度；D为管道外径；H为管顶回填土高度。
2.1.5地面载荷传递至管道的附加力，其大小通常随埋深的增加而减小；油气田地面工程站场内工艺管道通常埋深较浅，因此计算方法可使用扩散角法。
假设地面载荷通过作用面，与载荷面边沿成一定角度向下层土壤形成扩散压力，扩散角法主要包括美国波斯顿规范和德国柯勒规范。
波斯顿规范认为在扩散空间的任一水平面上，地面载荷对管顶的附加垂直载荷为均布压力。扩散角α根据经验取值（美国30°，日本45°），则条件载荷作用于深H平面的附加力为
（式2.1.5a）
柯勒规范认为在载荷面下的压力强度均匀分布，载荷面以外在扩散角（β=55°）范围内，压力强度线性递减为零。条件载荷作用于深H平面的附加力为
（式2.1.5b）

图2.1.5 扩散角法地面附加载荷示意图
2.2管道沉降因素分析
埋地工艺管道系统处于一个载荷平衡状态。一旦基础对管道支撑力不足够时，平衡状态被破坏，则沉降就会发生。
从受力分析可以看出，只要管道基础具有足够承载力和稳定性，管道就不会发生沉降。
管道安装过程中，管道自身重力、机具设备等在地面上产生的地面载荷，以及回填时产生的载荷对受力平衡状态起主要破坏作用；
管道运行中，首次运行时管道充满液态介质时自身重量变化、管道输送介质时管道中的介质波动产生的动载荷，以及地表水下渗产生的渗流破坏作用对载荷平衡状态起主要破坏作用。
管道自身重量和输送介质从项目设计阶段就已经决定，不会改变，因此在施工过程中，我们只需对管道基础、回填土处理，以及控制地面载荷对管道的影响，避免管道沉降发生。
2.2.1管道基础
当地基上部的管道自重以及附加载荷大于地基承载力时，便产生压缩变形，引起地基下沉，导致埋地管道沉降。由于野外地形的限制，油气田地面站场场地平整时，通常会形成较深填方区，然而埋地管道管沟一般未开挖到持力层，并且管道施工周期较长，期间会由于天气导致管沟沟底积水等因素致使管沟沟底土质受到扰动，管沟基层变软而承载力下降。同时埋地管道管沟回填过程中，回填土可能夯实程度不够等多种因素，地表水下渗到管沟沟底，引起渗流破坏作用使管沟地基稳定性下降、强度变小，承载力下降引起管道下沉。
2.2.2回填土
埋地管道管沟回填土发生不均匀沉降引起基础变形、开裂，则导致管道受力发生变化，破坏受力平衡状态。当出现不均匀沉降或过度沉降变形，受力超过容许值时，埋地管道将会受到破坏。回填土沉降变形与回填土夯实程度、回填土材料、回填土含水量等因素有关系。回填夯实程度越密，承载力就越大，沉降变形就越小；易达到高密实度的回填材料，承载力大，不易发生沉降变形；埋地管道四周的土壤在渗流破坏作用下，导致土体稳定性下降从而发生沉降变形。
2.2.3地面载荷
埋地管道管沟进行回填时，回填时对管道会产生较大载荷。若用机械回填与夯实，回填土对管道产生的载荷方向更具有不确实性，并且载荷也更大，因此对管道破坏最大。
在油气田地面站场建设中的场地面积往往受到局限性，站场工艺设备、建（构）筑物施工中所需的机具设备、材料搬运，以及其他临时堆放物将会形成地面载荷，地面载荷通过土体传递到回填后的埋地管道，破坏埋地管道的受力平衡，则会发生沉降变形。
3. 对分析的结果提出防护措施
3.1对于管道自身问题的防护
3.1.1对埋地管道连接的管线进行有效支撑
对地面管道进行设置管墩或吊架，对管道进行支撑，减小传递至埋地管道的载荷，降低沉降变形。
3.1.2对埋地管道连接的阀门进行有效支撑
在管道连接的阀门下面设置阀门支座，有效承受阀门重力。
3.2对于管道周边环境问题的防护
3.2.1合理选择回填土材料
根据当地气侯条件，以及含水量、载荷等环境条件，选择土质均匀，粗颗粒占一定比例，级配连续的优质土。淤泥和淤泥质土不能用作填料，但是软土地区，该类土经过处理后，其含水量符合压实要求后，可用于回填中的次要部位。填土前，应将基底表面上的垃圾或树根等杂物、洞穴都处理完，清理干净；并检验各种土料的含水率是否在控制范围内，如含水率偏高可采用翻松、凉晒等措施；如含水率偏低，可采用预先浇水润湿等措施。
3.2.2基础强夯
在管道下沟前，将基底的积水、杂物等清理干净后，再对管沟基础进行分层强夯，每层铺土的厚度应根据土质、密实度要求和机具性能确定。夯压时，夯迹应互相搭接，防止漏压、漏夯。进行分层强夯可增加土体密实度，减小地表水下渗量，降低渗流破坏的可能。强夯法对软土基础的加固有较好的效果，并且简单易行、适用性广，在施工中，遇到软土层厚、湿陷性变形大，且管道自重大，对管道安全性要求高的情况下，可采用强夯法来处理地基。
3.2.3浇注垫层
在管道下沟前，对管沟沟底浇注混凝土垫层，加固基础，保护基础原来土体状态，减小对基础土体的扰动，有效增强土体稳定性。
3.2.4打桩加固
对处于场地大面积填方区管沟，在管道下沟前，对管沟进行打桩加固。按施工方法可分为预制桩和灌注桩。预制桩是在工厂或施工现场制成的各种形式的桩，然后用锤击、静压、振动或水冲沉入等方法打桩入土。一般有混凝土预制桩与钢桩。灌注桩则就地成孔，然后在钻孔中放置钢筋笼、灌注混凝土成桩。灌注桩根据成孔的方法，又可分为钻孔、挖孔、冲孔及沉管成孔等方法。工程中一般根据土层情况、周边环境情况及上部荷载等确定桩型与施工方法。
3.2.5连续砼覆盖保护
在管道下沟后，将管道同基础一起进行连续混凝土覆盖保护，此法还能在安装时保护管道的防腐涂层，降低对回填土的等级要求。连续混凝土的搅拌、涂敷可在施工现场进行，连续砼覆盖保护方法设备简单、施工方便、经济易行、效果显著。
3.2.6尽量采用人工回填，并减少地面载荷
在埋地工艺管沟回填时，尽量采用人工回填，并进行层层夯实；如运用机械回填时，应设置专人进行监视，加强对埋地管道的保护。厂站施工过程中，由于场地受限，管沟回填后，机具设备、材料搬运需跨越管沟，从而产生地面载荷，传递到埋地管道引起沉降。因此，在施工前期应进行相应场地规划，尽量避免机具设备在场内的跨沟搬运。如无法避免时，管沟回填后，应对回填的管沟进行一定的保护，机具设备、材料的搬运尽量绕行、在管沟上搭设钢便桥或钢板等措施进行保护。
3.2.7在油气田地面工程厂站工艺装置区内设置良好的排水系统，保持地表排水流畅，防止地表积水下渗，从而引起地下土壤渗流破坏，从而导致回填土破坏、埋地工艺管道沉降。
3.2.8在厂站工艺管道施工中，施工项目管理人员应该加强现场管理，对现场专业施工人员进行详细的技术和安全交底，严格按照设计与规范要求进行施工，每道工序进行步步确认，从根本提高施工质量。
4. 总结
油气田地面工程中工艺管道输送的介质多为液态油品、可燃气体、有毒气体等，由于存在很多不确定性因素导致埋地管道沉降发生，一旦管道失效，导致输送介质泄漏，不仅影响正常运行，导致严重经济损失，而且可能对人身安全、社会和环境超成恶劣影响。在油气田地面工程建设的厂站施工过程，施工过程中存在很多不确定性因素导致埋地管道沉降发生。因此应根据具体现场情况对各种因素进行分析后，选择合理的施工方法，提高施工质量，防止发生沉降现象，确保埋地工艺管道安全。
5. 参考文献
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[4] 陈春茂，刘听移. 不良地质条件下的管道基础处理与施工. 广州大学学报（自然科学
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【作者简介】：李锐，工程师，2008年毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，现就职于四川石油天然气建设工程有限责任公司，一直从事现场技术管理工作。senyulee@