中俄原油管道凍土災害問題及防控對策研究

發布時間:2021-02-26 10:38:49  |  來源:中國網·中國發展門戶網  |  作者:李國玉 等  |  責任編輯:殷曉霞
關鍵詞:中俄原油管道,凍土工程問題,融沉,控制融化

中國網/中國發展門戶網訊 中俄原油管道是我國四大能源戰略通道之一,中國境內分兩期建設;一線和二線先后于?2011?年?1?月和?2018?年?1?月正式運營,每年進口俄羅斯原油?3?000?萬噸,承擔我國?58%?的陸上原油進口重任。截至?2021?年?1?月?1?日,中俄原油管道累計輸送原油近?2?億噸,其對保障國家能源安全、優化油品供輸格局、深化中俄戰略合作和促進經濟社會發展等方面都作出了重要貢獻。中俄原油管道總長?1?030?km,起自俄羅斯東西伯利亞—太平洋輸油管道的斯科沃羅季諾輸油站,從我國漠河興安鎮入境,自北向南沿大興安嶺東坡延伸,穿越嫩江平原,止于大慶林源輸油站。管道外徑?813?mm,壁厚?11.9?mm(多年凍土區,管道壁厚為?12.5—17.5?mm),設計壓力為?8?MPa(局部?10?MPa),管道材質選用?L450(X65)級鋼材。管道敷設方式采用傳統溝埋敷設方式,在多年凍土區埋深為?1.6—2.0?m,采用常溫密閉輸送工藝輸送俄羅斯低凝原油。管道在中國境內段全長?953?km,穿越漠河—加格達奇約?441?km?的不連續多年凍土區和加格達奇—大慶約?512?km?的深季節凍土區(凍深>1.5?m)。其中,在多年凍土區段,高溫高含冰量凍土區為?119?km,凍土沼澤濕地區為?50?km。

在中俄原油管道修建之初,多年凍土退化、嚴寒低溫環境和脆弱生態成為管道建設的三大挑戰問題。文章基于中俄原油管道多年研究經驗的積累,提出創新性凍土調控原則和系統性解決方案,保障了中俄原油管道多年無間斷安全運營、生態恢復良好和無污染事件發生,同時為國內外類似工程的修建、運營及維護提供參考。

中俄原油管道沿線多年凍土問題

中俄原油管道建設和運營過程中面臨的最嚴重問題和威脅為多年凍土和凍土工程病害問題,即:凍土融化引發管基失穩和凍土環境退化問題。另外,管道還受到凍脹丘、冰椎和凍融滑坡等不良凍土現象的影響。

氣候變暖引起管道沿線多年凍土退化速率加快??,F有監測資料表明,氣候變暖背景下,我國大、小興安嶺多年凍土廣泛退化,和?20?世紀?70?年代相比,多年凍土面積退化了?35%—37%,而凍土退化和融沉直接影響管道的安全穩定運營。

中俄原油管道建設和運營過程中所面臨的凍土問題有其本身的特殊性和復雜性,主要表現在以下?4?個方面。

管道沿線多年凍土和生態地質環境問題突出。管道沿線多年凍土區位于歐亞大陸多年凍土區南界附近,其屬于生態系統保護型多年凍土——興安型多年凍土。興安型多年凍土溫度高(從南向北,凍土溫度為?-1.8℃—-0.7℃)、含冰量大(多年凍土上限附近,多年凍土最大體積含冰量達?80%—90%)且分布不連續(從南向北,多年凍土分布面積從?0—20%?到?60%—70%間變化);凍土熱穩定性差,對凍土賦存環境(如茂密植被、有機土蓋層等)擾動(如工程活動、墾殖、火災等)非常敏感,這使得多年凍土保護變得更為困難。此外,管道穿越北方原始森林和濕地等,多年凍土退化問題可能會引發一系列凍土生態地質環境問題。例如,會引發森林和濕地的生態服役功能退化、水土流失、環境污染和生態系統異化與退化等。因此,需重點關注管道施工和運行熱擾動帶來的環境管護問題。

大開挖施工加速多年凍土退化。美國Alyeska?原油管道大約有一半長度的管道采用熱管樁支撐進行地上“架空敷設”,施工對凍土的熱擾動小?。加拿大?Norman Wells?原油管道采用埋地敷設,其管徑?。ㄍ鈴?323.9?mm)、油溫低,原油自入口輸送?50?km?以后管道油溫基本受周圍土體溫度控制而相對穩定。在中俄原油管道境外段(俄羅斯斯科沃羅季諾—中國漠河連崟段)沿線的高含冰量多年凍土區,管基主要采用凍脹非敏感性土(如砂礫石)換填凍脹敏感性細粒土??紤]到防火等嚴酷的沿線自然環境和社會環境,我國境內段采用埋地方式鋪設;管道經過大片森林(覆蓋率?70%)、濕地和許多村鎮,大開挖施工(深度?2.5—6?m,寬度?2—3?m)暴露多年凍土且管溝積水引起地下冰融化。因此,如何合理進行管溝開挖和管道敷設,對沿線多年凍土和北方林區與沼澤的生態環境保護是一大挑戰。

管道運營后高油溫加速多年凍土融化。管道相當于一個內熱源,全年正溫運營,持續向管周凍土層放熱(2018?年監測油溫為?12.6℃—24.6℃)。相比地上凍土工程,埋地管道高油溫熱擾動更直接且更劇烈。因此,管底多年凍土融化深度更大(2018?年管底融化深度近?10?m),這加大了管道融沉災害和凍土環境系統破壞風險。

管道沿線水文地質、工程地質和環境地質問題突出。管道沿線冬季嚴寒(漠河最低氣溫達-52.3℃)、降雪量大(漠河多年平均降雪量為?35cm),夏季氣溫較高(漠河最高氣溫可達?35.2℃)、降雨量大(漠河多年平均降雨量為?500?mm)。管道沿線區域地下水位高,地表水和地下水豐富;沼澤廣布、森林茂密,多年凍土與融區頻繁過渡,且沿線凍融敏感性土(淺層細粒土和泥炭土)分布廣泛,導致管道的(差異性)凍脹和融沉風險普遍較大。

中俄原油管道凍土地基防控原則

中俄原油管道沿線典型地層從上到下依次為泥炭土(厚度?0.8—0.9?m)、細粒土(厚度?0.9—1.9?m)、礫砂土(厚度?1.8—4.7?m)和強(弱)風化基巖。管道下部大多為礫砂層和基巖層,礫砂和基巖的融沉系數小,工程地質條件較好。同時,由于鋼管的延展性較好,管道所能承受的差異性融沉變形較大。根據相關研究,管道在一定條件下最大差異性融沉變形可達?565?mm。因此,為了大幅減小管道建設和運營成本,區別于青藏鐵路、青藏公路和美國?Alyeska?原油管道等凍土工程采用的“冷卻降溫”的凍土地溫調控原則,中俄原油管道提出了“控制融化”的凍土地溫調控原則,即控制管周凍土發生適量融化,使管道變形在容許變形范圍內,以確保管道安全穩定運行。

基于“控制融化”的凍土地溫調控原則,創新研發了多種凍土融化防控新措施;利用現場示范工程、室內物理模型試驗和數值仿真試驗驗證其工程效果并優化其設計參數,并結合傳統的凍土處理技術,形成一整套中俄原油管道凍土融沉災害防控對策。同時,在中俄原油管道沿線建立了完整的水-熱-變形長期監測系統,提供實時監測數據以保障中俄原油管道安全、穩定運營。

中俄原油管道凍土災害防控對策

目前,中俄原油管道面臨最嚴重的災害風險為凍土融沉災害(圖?2),本文重點闡述了凍土融沉災害防控和凍土環境保護。綜合考慮管道沿線氣候條件、凍土工程地質條件、生態環境、水文系統,以及經濟效益和工程實效等因素,科學、合理地控制管道權利范圍內的凍土環境和油溫,研發新的冷卻和散熱裝置,增加管基承載力,以及提高管材強度和柔韌性,形成一整套管道凍土災害防控對策,以保障管道安全穩定運營。具體措施包含以下?4?個方面。

增加管道壁厚

增加管道壁厚,可以直接提高管道的強度和柔韌性,以及抗變形和抗破壞的能力。在非多年凍土區,中俄原油管道壁厚為?11.9 mm;而在多年凍土區,根據不同含冰量和融沉敏感性,管道壁厚增加到?12.5—17.5 mm,從而顯著提高了管道抗凍脹和融沉差異性變形能力。該措施已在整個多年凍土區普遍應用。

控制油溫

高油溫是凍土融化的直接原因。通過調控入口油溫,使得油溫盡可能與管道周圍土體溫度一致,可直接減少管道熱量向凍土層傳遞,以減小多年凍土的融化。例如,加拿大?Norman Wells?原油管道入口油溫冷卻至?-1℃?進行輸送,顯著減小了管-土的熱交換,在一定程度上控制了管道融沉災害。2018?年夏季,中俄原油管道境內段漠河首站(興安鎮)附近油溫最高達?24.6℃,因此有必要采取管道入口原油冷卻或管道穿越低溫河流等措施降低入口油溫,以減少凍土融化。

換填管基土

中俄原油管道沿線地表淺層廣泛分布有凍脹敏感性土和融化不穩定多年凍土,如細顆粒含量較高的黏粉質砂土和泥炭土。當此類凍土含冰量較高時,凍土融化或回凍會發生較大的變形,對管道造成安全風險。中俄原油管道采用非凍脹敏感性土換填,提高了管基土融化后的承載力,減小了管基土融沉變形且降低了管道融沉災害風險。該措施已在整個多年凍土區普遍應用。

調控凍土溫度

恢復地表植被。管道敷設完成后,對管堤和管道權利范圍內施工擾動的地表進行植被恢復(復種),能夠改變地-氣界面水熱交換條件,減小地表吸熱,降低地表溫度。例如,監測發現沼澤草甸地區比稀疏草皮地區平均地表溫度低?2.4℃。隨著地表溫度的降低,凍土融化和管道差異性融沉變形顯著減少。同時,植被恢復能夠全面改善受管道施工影響的生態環境。

熱管。一種封閉的氣-液兩相對流循環換熱裝置。在冷季,可以將自然界中“冷量”傳輸到凍土層中,降低凍土溫度;在暖季,當熱管冷凝段與蒸發段達不到啟動溫差時,熱管停止工作,僅有少量的熱量通過熱傳導傳入到地下,在一整年內,凍土熱收支為負,從而達到降溫保護凍土融化的目的。熱管具有施工方便、降溫效果好等優點,在管道建設和后期維護中被廣泛采用。2019?年冷季,某一現場監測數據表明,熱管措施斷面在?4?m?和?3?m?深度處地溫分別比無措施斷面低?1℃?左右和?2.5℃?左右。目前,熱管在中俄原油管道沿線富冰、飽冰和含土冰層區域共推廣應用了?12?000?多根。

縱向通風管。一種平行埋設于油管兩側的通風換熱系統(圖?3)。當油管周圍土體溫度高于通風管內空氣溫度時,通風管發生自然對流換熱,將油管散發的熱量釋放到大氣環境中,同時將冷空氣帶入到地下,降低油管周圍土體溫度。當油管周圍土體溫度低于通風管內空氣溫度時,通風管類似熱管停止工作。當冷季風速較大時,通風管也可以通過強迫對流將大氣環境中“冷量”帶入到地下,減緩凍土融化。另外,油管底部保溫層可以減少油管熱量向底部凍土層傳遞,減緩凍土融化。數值仿真試驗表明,縱向通風管運營?20?年后,凍土融化深度可減小約?4?m。該結構適用在一些富冰、飽冰和含土冰層區及凍土生態保護區域。

橫向U型通風管。其降溫原理和縱向通風管相似,適合于某一點或小范圍的管道降溫,結構如圖?4?所示。在中俄原油管道某一凍土濕地區域采用了外徑為?21.9?cm?的?U?型通風管,監測發現?U?型通風管在冷季具有較好的冷卻效果——冷季通風管附近地表以下?4?m?地溫比無通風管附近地溫低?0.5℃?左右。該措施適用于管道沿線富冰、飽冰和含土冰層區域。

橫向?W?型通風管。一種利用對流換熱及風機抽吸聯合作用換熱的裝置,主要由左右進風管、中部排風管和無動力風機組成,呈?W?型(圖?5)。在冷季無風時,油管溫度高于中部排風管內空氣溫度,排風管內空氣在油管加熱作用下上浮,發生自然對流換熱,驅動無動力風機旋轉,抽吸通風管內空氣流動,加速對流換熱;在冷季有風時,自然風場帶動無動力風機旋轉,抽吸排風管內空氣,加速管內空氣流動,從而將油管散發的熱量快速釋放到大氣環境中,同時也將大氣環境中“冷量”傳入到管道周圍土體中,減緩凍土融化。在暖季,風速較小且氣溫較高,W?型通風管類似于橫向?U?型通風管停止工作。室內大型模型試驗結果發現,6?個凍融循環后,無措施管底和?W?型通風管管底?25?cm?處溫度分別為?2.4℃?和?0.4℃?左右,W?型通風管具有一定冷卻作用。該措施適用于管道沿線飽冰和含土冰層區域。

管道保溫。一種經濟合理和效果明顯的措施,可直接、顯著減少管道與凍土層間熱量交換,減緩凍土融化。在中俄原油管道沿線多年凍土區段,管道周圍幾乎都鋪設了?8?cm?厚的保溫材料(硬質聚氨酯泡沫塑料),該措施顯著減小了凍土的融化范圍和速率。數值仿真試驗研究發現,鋪設?8?cm?厚保溫材料的管道周圍凍土在?50?年后融化深度是無保溫層管道的一半,這說明保溫層起到了明顯的隔熱效果。在飽冰及含土冰層等區段,保溫層與其他措施相結合組成復合措施,如保溫?+?換填、保溫?+?增加壁厚、保溫?+?熱管、保溫?+U?型橫向通風管、保溫?+?換填?+?增加壁厚等,凍土融化防控效果更好。

通風冷墊系統。一種利用通風管散熱和冷媒相變潛熱儲能相結合的裝置(圖?6),既能控制融沉又能避免凍脹,主要由左右對流換熱通道、制冷箱體和蓄能體等?3?個部分組成。該結構在冷季換熱機理和通風管相似,只是在冷季降溫時,當蓄能體在溫度低于相變溫度時蓄能體發生相變并放熱,阻止箱內溫度進一步降低,從而調控管道周圍凍土溫度過低引發凍脹現象。在暖季,通風管停止工作,僅少量熱量通過熱傳導進入地下制冷箱和凍土層,使其溫度緩慢升高,如果有較多的熱量進入該系統,蓄能體溫度在高于或接近其相變溫度時,蓄能體首先發生相變并吸熱,減緩箱體底部凍土融化。數值仿真試驗研究發現,通風冷墊系統具有較好的凍土融化調控效果,目前正在現場進行實體工程效果驗證。該措施適用于管道沿線富冰、飽冰和含土冰層區段凍融防控。

(8)塊碎石管堤。一種地上管道敷設結構(圖?7)。該結構可避免管溝開挖和凍土擾動,同時可以避免森林火災對管道的影響。管道鋪設在塊碎石層上部凍脹融沉非敏感性粗顆粒土層中,避免了季節性的凍脹和融沉。塊碎石層可以散發油管熱量,也可以降低管堤下部土體溫度。室內大型模型試驗研究發現,6?個凍融循環后,塊碎石管堤底部凍土最大融深僅為傳統埋地式管道的?17%,說明該措施控制管底凍土融化效果較好。該措施適用于管道沿線富冰、飽冰和含土冰層包括凍土濕地等區段。

展望

文章基于多年研究經驗積累提出的中俄原油管道凍土地溫調控原則和凍土災害成套防控對策,保障了管道多年不間斷安全運營、生態恢復良好和無污染事件發生。但是,中俄原油管道凍土災害防控和凍土環境保護仍需不斷完善和發展,未來還需重點關注以下?4?個方面內容。

完善管道沿線凍土災害長期監測系統。補充重點凍土災害區域監測設備和監測要素,完善和升級破壞或失效的監測系統,確保管道沿線監測系統正常運行和數據連續完整獲取。增加管道應力應變測量,完善凍土-管道水、熱、力變形全要素監測。

研發凍融次生災害防控新措施。在凍土融沉災害防控技術研發、優化和推廣應用的基礎上,加大對管道沿線次生、冷生災害(如凍脹丘、冰椎和河冰等)防控措施研發力度,形成覆蓋整個管道沿線的凍融災害防控體系。

關注油溫持續升高引起的工程和環境問題。俄羅斯的輸油溫度不斷升高,遠超過設計溫度,必須針對高油溫對管道安全和凍土環境的影響及防控對策進行進一步深入研究。

管道走廊多因素系統性研究。中俄原油管道位于大興安嶺工程走廊內,沿線分布有加漠公路和鐵路等其他工程。受到氣候變化和生態環境的影響和制約,凍土的熱狀態、工程走廊的熱力穩定性是多因素相互作用的結果,未來應重點關注“氣候變化-工程走廊-凍土-環境”系統研究。

 

(作者:李國玉,中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室 中國科學院大學工程科學學院

中國科學院西北生態環境資源研究院大興安嶺凍土工程與環境觀測研究站;曹亞鵬,中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室 中國科學院大學工程科學學院 中國科學院西北生態環境資源研究院大興安嶺凍土工程與環境觀測研究站;馬巍,中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室 中國科學院大學工程科學學院 中國科學院西北生態環境資源研究院大興安嶺凍土工程與環境觀測研究站;金曉穎,東北林業大學土木工程學院;陳朋超,國家管網集團北方管道有限責任公司;俞祁浩,中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室 中國科學院大學工程科學學院;張中瓊,中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室 中國科學院大學工程科學學院 中國科學院西北生態環境資源研究院大興安嶺凍土工程與環境觀測研究站;穆彥虎,中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室 中國科學院大學工程科學學院 中國科學院西北生態環境資源研究院大興安嶺凍土工程與環境觀測研究站;金會軍,中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室 中國科學院西北生態環境資源研究院大興安嶺凍土工程與環境觀測研究站 東北林業大學土木工程學院?!吨袊茖W院院刊》供稿)。

 

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