趙振飛

摘 要：以陜京管道西沙屯站為例，結合地下天然氣管道調壓前后介質參數，通過開挖驗證管道凍脹情況，分析管道壓力、流量、介質溫度、環境溫度、土壤含水等對管道凍脹的影響。提出了處置管道凍脹的構筑管溝填沙法、工藝流程優化法、裝置改造降低壓差法。經現場試驗，取得了很好的效果，解決了地下天然氣管道凍脹上翹問題，消除了安全風險。

關鍵詞：管道；凍脹；檢測；解決措施

陜京管道以高壓天然氣為主，在向下游用戶輸送時，隨供氣壓力、流量不斷變化，調壓前后壓力相差較大，因焦耳—湯姆遜效應，易使分輸天然氣溫度降至冰點以下，管道周邊土壤凍結，引發 “凍脹”現象：閥門閥體離開閥座、地面開裂、管道發生變形、局部應力集中等[1]，影響天然氣管道的安全運行。為了解決天然氣分輸站凍脹問題，總結防凍脹措施及其特點，以陜京管道西沙屯站為例，分析天然氣分輸管道壓力、溫度、流量、介質溫度、環境溫度、土壤含水等因素，提出解決方法。

1 原因分析

1.1 管道凍脹表現形式

陜京管道西沙屯站是陜京三線和陜京四線工程末站，于2013年11月建成投產，負責將天然氣分輸給北京市。站場設計管道DN1 000，設計壓力10 MPa；設計規模為150萬 m3/h，日輸量為3 600萬 m3； 6條電動調壓支路，支路管徑DN400，單支路調壓閥輸氣能力約37萬 m3/h。 2018年冬供期間，西沙屯站出現出站管道上翹現象，設備脫離原基礎最高為40 mm，最小2 mm，地面出現上鼓、裂紋。站場天然氣進站壓力為7.0～7.6 MPa，進站溫度7.0～7.8 ℃，經調壓閥降壓后壓力3.6～3.8 MPa，調壓后溫度﹣12～﹣8 ℃，平均壓降3.6 MPa，平均溫度下降17.4 ℃。管線因膨脹量向上舉力致使地下管線及匯管升起，出現地面裂紋，匯管上的管線隨之升高，雖然在彈性范圍之內，仍威脅輸氣管網的安全運行。

1.2 影響管道凍脹因素

（1）介質調壓節流效應。為滿足下游用戶需求，將高壓天然氣經調壓降壓為中低壓天然氣，調壓節流過程造成天然氣溫度急劇下降，有時達到零下，同時通過熱傳導作用攝取地下管道周邊土壤中熱量，致使調壓閥和閥后外露管線出現結霜，地下管道及匯管四周土壤深度凍結。西沙屯末站進站和出站壓力值分別為8.0 MPa 、 3.8 MPa，根據數據分析，壓力每下降1 MPa，溫度約下降5 ℃[2]。計算調壓前后溫度至少下降21 ℃。冬季天然氣的進站溫度一般7 ℃左右，出站溫度可達到﹣14 ℃，極易造成冰凍 和地下管線凍脹。

（2）管道周邊土壤凍脹。實驗資料表明: 最容易凍脹變形的細粒土是因為在自然容重下具有蓄水功能(壤中水)，土中的水分不易自由排出，地下管道周邊過飽和的細粒土在負溫作用下，使土中的液態水變成固態的冰晶體，導致體積膨脹，造成土體向自由面的變形隆起[3]。處在這種凍土區域的地下管線因自重不夠，受到因土體變形隆起產生的凍脹力，使地下管道抬高上翹脫離基礎，造成管線凍脹上翹。

（3）管道輸氣量增大。統計近兩年西沙屯站的輸氣數據，冬季大氣量（11月15日～次年3月15日）運行期間平均日輸氣量1 509萬 m3，約為其他時期的14倍（其他時期平均日輸氣量106萬 m3）。以冬季平均日總輸氣量1 500萬m3、一天24 h連續分輸計算，每小時輸氣量約62萬 m3，相當于兩臺調壓支路滿負荷運行，天然氣節流效應影響范圍逐漸增加，低溫凍脹土壤得不到緩解，加之冬季環境溫度較低等因素，共同導致地下管線的凍脹上翹。

2 解決措施

2.1 構筑管溝填沙法

先將地下易發生凍脹上翹的天然氣管線完全開挖，使其自然釋放下降；待管線、設備及匯管恢復水平后，埋地管線周邊砌筑管溝，管溝底部打30 cm三七灰土，灰土上方砌筑20 cm混凝土墊層，并在管道底部澆筑水泥基礎墩安裝不銹鋼可調支撐，管溝內回填細砂、頂部安裝水泥蓋板。此法可將地下管道周邊水分隔離，同時因細砂與土壤的凍脹系數不同，對管道影響基本可以忽略，從而起到消除管道凍脹風險的目的。

2.2 工藝流程優化法

（1）間歇性輸氣法。在用支路出現凍脹現象時，通過工藝流程切換、備用支路輸氣或暫停供氣等方式，消除地下天然氣管道凍脹影響。此法不足之處在于，凍脹主要以調壓管線出口地下管線為主，該處管線與出站管道相連，如發生管道凍脹，啟用備用支路仍要經過出站管線，易加劇凍脹管道影響，如暫停供氣對下游用戶影響較大。因此，該輸氣方向有備用支路，或下游用戶有多氣源，才能采取該方法。

（2）介質加熱法。通過加熱介質或管道外部，提高天然氣管道溫度，在調壓節流時，不至于下降至0 ℃以下，避免形成凍脹條件。介質加熱可采用水套爐加熱方式。管道外部加熱可通過管道加裝電伴熱及聚氨酯保溫泡沫，此措施因安裝檢修不便，適用于地上天然氣管道。

2.3 裝置改造降低壓差法

如果用戶設備硬件及需求滿足提高分輸壓力工況，可通過溝通、協商提高調壓出口壓力，減小壓降，以降低調壓節流影響，防止地下管道凍脹。如果下游用戶及站內設備需要改造才能降低壓差，則需進行裝置改造。

3 凍脹管線應力檢測

測量設備：管線應力超聲無損測試設備。

測量地點：西沙屯站調壓區及出站區。

測點分布：根據上翹管線的初步受力分析，選擇3個危險點（A、 B、 C）作為測點，如圖 1所示。

檢測流程：①打磨處理被測區域，粗糙度小于1 μm。②在被測區域涂抹耦合劑，耦合超聲收發換能探頭，等待5～10 min直至達到穩定耦合狀態。③設置管線在線應力超聲測量裝置參數，選擇被測管線材料，設置測量模式，打開“溫度補償”功能，選擇測量頻率。

現場測試如圖 2所示。檢測結果如表 1所示。

測點A和B位于凍脹管線的地面外出段，分別受﹣244.3 MPa和﹣208.6 MPa的壓應力，與理論分析結果一致。由于管線溫度很低，形成以管線為核心的一個近似冰凍圓柱體，管線隨冰凍體的增加出現上浮。冰凍體包圍的管線不僅承受擠壓力，同時也被拉長。管線伸長的同時上浮，地面外出段管線在地表管線和閥座的阻擋下，承受壓力。測點C由于離凍脹管線較遠，仍受拉應力。

管線材質為L360鋼，屈服強度為360 MPa。研究表明壓應力引發疲勞裂紋或斷裂，其門檻值比拉應力高3～4倍[4]。所以測點A、 B、 C均處在安全狀態。

4 結論

應力測試結果表明西沙屯站地下凍脹管線處在安全狀態下。但地下管道冰凍體體積在地下溫度不變或降低的情況下，隨時間延長，體積不斷增大，管線上翹還會繼續加重，必須采取消除或控制措施。處置管道凍脹的構筑管溝填沙法、工藝流程優化法、裝置改造降低壓差法，經陜京管道琉璃河站、石景山站、西沙屯站現場實際應用取得了很好的效果，解決了地下天然氣管道凍脹上翹問題，為已建和新建的天然氣管道提供了參考。

參考文獻：

[1] 張海燕,齊秀芝,齊寶民, 等.土壤凍脹機理及其防治措施的論述[J].黑龍江水利科技,2001,29(1):66-68.

[2] 榮海倫,黃新,孟凡星.天然氣分輸站管道基礎防凍脹數值模擬研究[J].石油工程建設,2017,43(5):47-50.

[3] 宋宏慶,孫野秋,王志國, 等.西氣東輸分輸場站冰堵和凍脹問題分析與防治[J].中國石油和化工標準與質量,2012,32(5):80,23.

[4] 劉天化, 褚武揚, 肖紀美, 等. 壓應力條件下缺口產生疲勞裂紋的研究[J]. 金屬學報, 1984(5):84-88.

作者：趙振飛， 1988年生，助理工程師，畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業，現主要從事天然氣長輸管道的運營管理工作。

2019年第4期（總第47期）