“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警體系

摘 要

摘要：為了對“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的監(jiān)測和預(yù)警，減少管道安全運(yùn)營成本，利用歷史數(shù)據(jù)和“事故危害系數(shù)”的概念，直觀地論證了管道地質(zhì)災(zāi)
摘要：為了對“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的監(jiān)測和預(yù)警，減少管道安全運(yùn)營成本，利用歷史數(shù)據(jù)和“事故危害系數(shù)”的概念，直觀地論證了管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測的必要性，探討了管道地質(zhì)災(zāi)害的漸變特征和管道失效的力學(xué)判據(jù)，闡明了管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測及預(yù)警在理論與技術(shù)上的可行性。基于“承災(zāi)體重于致災(zāi)體、前期監(jiān)測重于災(zāi)后監(jiān)測、長期監(jiān)測重于短期檢測、經(jīng)濟(jì)合理重于技術(shù)領(lǐng)先”的原則，建立了長輸管道沿線地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警體系——管道地質(zhì)災(zāi)害前期監(jiān)測網(wǎng)。該監(jiān)測網(wǎng)在“西氣東輸”一線干線及支線的管道地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)上布設(shè)了近百個隱患監(jiān)測點(diǎn)，及時(shí)發(fā)布了3起預(yù)警并2次觸發(fā)應(yīng)急預(yù)案，監(jiān)測成果直接支持了7處隱患點(diǎn)的治理工作。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該監(jiān)測網(wǎng)具有災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警、支持災(zāi)害治理方案、校準(zhǔn)災(zāi)害治理過程的功能，甚至還可用于評價(jià)災(zāi)害治理效果、合理調(diào)配災(zāi)害防治資源，能使管道完整性管理工作真正落到實(shí)處，有效降低管道運(yùn)營方的經(jīng)營成本。
    關(guān)鍵詞：“西氣東輸”一線  管道地質(zhì)災(zāi)害 事故危害系數(shù) 完整性管理 監(jiān)測預(yù)警 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測
 
長輸油氣管道沿途的地質(zhì)災(zāi)害種類多、成因復(fù)雜、范圍廣，所導(dǎo)致的管道事故又極易誘發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害，其直接和間接損失往往比其他類別的事故更大【1-2】。美國交通部數(shù)據(jù)顯示，1991-2010年雖然美國由于地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致管道破壞的統(tǒng)計(jì)頻率僅為5.7%，但是由其帶來的經(jīng)濟(jì)損失卻高達(dá)l3.6億美元，占全部經(jīng)濟(jì)損失的26.76%；如果將“事故危害系數(shù)”(Accident Hazard Index，簡稱AHI)定義為“該類事故損失金額占全部損失的比例”除以“該類事故占全部事故的比例”，并以此對比平均每發(fā)生l次事故所帶來經(jīng)濟(jì)損失的大小，可得到l991-2010年美國天然氣管道事故危害系數(shù)統(tǒng)計(jì)表(表1)。

    若不考慮管道架空受狂風(fēng)的影響，表l中各類地質(zhì)災(zāi)害的事故危害系數(shù)高達(dá)4.69，遠(yuǎn)高于其他事故的危害系數(shù)，這也是管道完整性管理體系將管道環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)列入管道整體風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)任務(wù)的主要原因【3】。實(shí)際上，如果考慮由于地面移動等地質(zhì)災(zāi)害所誘發(fā)的材料缺陷和腐蝕等事故放大效應(yīng)，地質(zhì)災(zāi)害的事故危害系數(shù)還將增大。
    中國是世界上地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家之一。隨著長輸油氣管道里程的逐年增長、沿線各種人類工程的擾動和自然環(huán)境突發(fā)事件的越發(fā)頻繁，管道地質(zhì)災(zāi)害已無可避免地呈多發(fā)態(tài)勢，管道運(yùn)行安全與管道地質(zhì)災(zāi)害之間的矛盾日益凸顯。因此，建立對長輸油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測預(yù)警體系，已經(jīng)勢在必行。
1 管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的理論基礎(chǔ)
    盡管對管道地質(zhì)災(zāi)害的研究尚無完整的理論體系，但國內(nèi)外在地質(zhì)災(zāi)害成因與防治、管道的力學(xué)特征等方面已有大量的研究成果可供借鑒。以此為基礎(chǔ)，再綜合眾多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，就可對管道地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警提供一定的指導(dǎo)作用。
1.1 管道地質(zhì)災(zāi)害的定義
    管道地質(zhì)災(zāi)害并非一般的地質(zhì)災(zāi)害。以滑坡、崩塌、泥石流等導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生的不良地質(zhì)環(huán)境為“致災(zāi)體”，以遭受致災(zāi)體破壞的長輸油氣管道為“承災(zāi)體”，管道運(yùn)營方從風(fēng)險(xiǎn)管理和工程控制的角度，將“管道地質(zhì)災(zāi)害”定義為：“以各類地質(zhì)災(zāi)害為致災(zāi)體、以管道本體及其附屬設(shè)施為承災(zāi)體的一種成災(zāi)過程”。與以往將其表述為一種地質(zhì)作用或者地質(zhì)現(xiàn)象的定義不同，該定義具有以下3個特點(diǎn)：①將管道是否受到威脅作為管道地質(zhì)災(zāi)害的判斷標(biāo)準(zhǔn)，若地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生并不影響管道安全，就不應(yīng)列為管道地質(zhì)災(zāi)害；②強(qiáng)調(diào)了管道地質(zhì)災(zāi)害的特殊性，與一般地質(zhì)災(zāi)害相比，管道地質(zhì)災(zāi)害具有災(zāi)害放大效果，更易導(dǎo)致嚴(yán)重的次生災(zāi)害；③將管道地質(zhì)災(zāi)害表述為一種成災(zāi)過程，使管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測與預(yù)警具備了介人的時(shí)間和空間。
1.2管道地質(zhì)災(zāi)害的漸變特征
    災(zāi)害監(jiān)測的關(guān)鍵是及時(shí)發(fā)現(xiàn)災(zāi)變前兆，進(jìn)而做出預(yù)報(bào)預(yù)警。地質(zhì)災(zāi)害的“致災(zāi)性”難以逆轉(zhuǎn)，但管道地質(zhì)災(zāi)害是典型的、致災(zāi)體與承災(zāi)體之間明顯相關(guān)的“因果型災(zāi)害鏈”，只要適時(shí)掌握其應(yīng)變釋放的過程性指征和指標(biāo)，就有可能及時(shí)預(yù)警，“防患于未然”。圖1以管道滑坡災(zāi)害鏈為例，勾勒了管道滑坡從應(yīng)變積累到應(yīng)變釋放的交互作用和演進(jìn)過程[4]，這一過程也給災(zāi)前預(yù)警和災(zāi)害治理提供了理論依據(jù)。

圖1同時(shí)表明：無論地質(zhì)災(zāi)害的成因如何復(fù)雜多變，對管道造成的危害總是直接體現(xiàn)為管道的變形和失效。由于管道在力學(xué)上的失效判據(jù)相對較為清晰，那么只要通過應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測獲取管體的相關(guān)數(shù)據(jù)，就可以準(zhǔn)確地定量描述災(zāi)害條件下管道的力學(xué)表現(xiàn)，據(jù)此判定管道的臨災(zāi)力學(xué)狀態(tài)，進(jìn)而支持管道地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警。


   
1.3管體失效的力學(xué)判據(jù)
    關(guān)于管道失效的力學(xué)判據(jù)，國內(nèi)外所采用的標(biāo)準(zhǔn)基本一致，主要包括以下2種。
1.3.1 基于應(yīng)力的判據(jù)
當(dāng)管道的變形處于彈性區(qū)間，宜使用基于應(yīng)力的判據(jù)來校核管道的安全狀態(tài)。滑坡、沉陷(含采空、巖溶)、凍土等地質(zhì)災(zāi)害條件下，受約束管道的強(qiáng)度應(yīng)同時(shí)滿足以下2個條件：   
1) 其中SL為受約束管道或管件由永久荷載、可變荷載所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和；SP為管道由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；ST為管道由溫差產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；SX為除內(nèi)壓和溫差之外的其他軸向荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力；SB為管道由于重力和其他外部荷載產(chǎn)生的名義彎曲應(yīng)力； 為管道標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度。
    2)當(dāng)SL為負(fù)值時(shí)，管道組合當(dāng)量應(yīng)力(SE)應(yīng)滿足： ，其中SH為內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力。
1.3.2 基于應(yīng)變的判據(jù)
    當(dāng)管道的變形已進(jìn)入彈塑性區(qū)間，宜使用基于應(yīng)變的判據(jù)來校核管道的安全狀態(tài)。管道的應(yīng)變能力可歸納為對拉伸應(yīng)變、壓縮應(yīng)變的限制，用因子化的載荷一阻力設(shè)計(jì)(load resistance factorized design)公式表達(dá)E[7]
    1)軸向合成拉伸應(yīng)變 為軸向許用拉伸應(yīng)變，而 為拉伸應(yīng)變承載系數(shù)，取0.7； 為鋼管及組焊管道的極限拉伸應(yīng)變，按實(shí)測值或保守取值0.75%[8]。
    2)軸向合成壓縮應(yīng)變 ，其中 為軸向許用壓縮應(yīng)變， 為薄壁管道開始起皺的壓縮應(yīng)變值，為管道標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變。
2 “西氣東輸"一線管道沿線地質(zhì)災(zāi)害前期監(jiān)測網(wǎng)
    自2003年投產(chǎn)運(yùn)行以來，“西氣東輸”一線管道屢受地質(zhì)災(zāi)害困擾，因?yàn)?zāi)損失逐年上升。為了切實(shí)掌握管道受災(zāi)狀況，變被動搶險(xiǎn)為主動防御，提高災(zāi)害防治的針對性以降低災(zāi)害防御成本，中國石油西氣東輸管道分公司(下稱西氣東輸管道分公司)自2007年開始建設(shè)管道沿線地質(zhì)災(zāi)害前期監(jiān)測網(wǎng)(下稱監(jiān)測網(wǎng))。
2.1 監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的基本原則
2.1.1 承災(zāi)體重于致災(zāi)體
    無論是滑坡、沉降、崩塌還是地質(zhì)斷裂帶，受其威脅的都是管道本體。無論地質(zhì)災(zāi)害的成因和機(jī)理如何復(fù)雜，管道的受損程度才是對安全運(yùn)行的直接威脅。因此，對管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測應(yīng)以承災(zāi)體監(jiān)測為主，以致災(zāi)體監(jiān)測為輔。
2.1.2 前期監(jiān)測重于災(zāi)后監(jiān)測
    多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害都有從應(yīng)變積累到應(yīng)變釋放的漸變過程，這就給災(zāi)害的提前預(yù)警提供了可能。只要實(shí)現(xiàn)災(zāi)前預(yù)警，就能以相對較小的代價(jià)換取較長時(shí)期的管道安全，相關(guān)的災(zāi)害治理成本也總是低于災(zāi)后的治理成本。
2.1.3 長期監(jiān)測重于短期檢測
    短期檢測的技術(shù)手段多為臨時(shí)性措施，無法在長達(dá)數(shù)十年的管道壽命中發(fā)揮連續(xù)的預(yù)警作用。同時(shí)，針對某一具體管道地質(zhì)災(zāi)害的短期檢測僅能對檢測時(shí)點(diǎn)的管道安全作出判斷，而難以判斷災(zāi)害迫近的速度，更無法根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)做出趨勢預(yù)報(bào)。監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)屬于長期監(jiān)測措施，也相當(dāng)于為短期檢測建立了長效機(jī)制。
2.1.4 經(jīng)濟(jì)合理重于技術(shù)領(lǐng)先
    任何災(zāi)害防御措施都必須考慮效能問題，監(jiān)測網(wǎng)不應(yīng)過分追求監(jiān)測技術(shù)的先進(jìn)性而忽視運(yùn)營方對減災(zāi)成本的控制，而應(yīng)盡可能延長監(jiān)測設(shè)施的使用壽命以攤薄運(yùn)營方的年度折舊和費(fèi)用支出，同時(shí)，還應(yīng)通過對隱患監(jiān)測點(diǎn)的篩選和分級分類，以科學(xué)、辯證的思維將監(jiān)測手段布設(shè)于災(zāi)害頻發(fā)點(diǎn)和高危點(diǎn)。
2.2監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)路線
    監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的技術(shù)路線示意圖如圖2所示。

    總長近11000km的“西氣東輸”一線天然氣管道是典型的長距離管道工程，沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患具有種類多、范圍廣、數(shù)量大的特點(diǎn)。因此，將高后果區(qū)視為管道與地質(zhì)災(zāi)害之間的主要矛盾，將高后果區(qū)中的高危管段視為矛盾的主要方面，監(jiān)測網(wǎng)在技術(shù)上以發(fā)現(xiàn)管道地質(zhì)災(zāi)害的前期征兆為首要目標(biāo)，以現(xiàn)有的線路巡護(hù)能力和外部專業(yè)技術(shù)服務(wù)為依托，整合針對承災(zāi)體的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)和針對致災(zāi)體的地表位移監(jiān)測技術(shù)，采用了較為經(jīng)濟(jì)且可靠性高的“便攜式巡回監(jiān)測法”。
    監(jiān)測網(wǎng)所采用的便攜式激光測距滑坡簡易觀測技術(shù)、全站儀大地位移測量技術(shù)、管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)，要根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的性質(zhì)與程度進(jìn)行組合、匹配，首先確保對高危管段的有效布控，然后再兼顧那些相對次要的隱患點(diǎn)。為進(jìn)一步節(jié)省費(fèi)用，采用易于掌握的便攜式設(shè)備讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并就近將其發(fā)送給相關(guān)的巡護(hù)人員，盡可能讓相鄰、相近監(jiān)測點(diǎn)共用同一設(shè)備。
    采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)使用專為監(jiān)測網(wǎng)開發(fā)的軟件進(jìn)行分析處理，并由專業(yè)分析人員定期出具監(jiān)測報(bào)告。預(yù)警所采用的閥值主要考慮2個因素：①絕對值的比較，例如應(yīng)變監(jiān)測中當(dāng)前值與許用值的比較；②相對值的比較，即從變化速率上判斷災(zāi)害發(fā)育的趨勢和速度。
3 監(jiān)測網(wǎng)的實(shí)際監(jiān)測效能
迄今為止，監(jiān)測網(wǎng)在“西氣東輸”一線干線及支線的管道地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)上布設(shè)了近百個隱患監(jiān)測點(diǎn)，及時(shí)發(fā)布了3起預(yù)警并2次觸發(fā)應(yīng)急預(yù)案，監(jiān)測成果直接支持了7處隱患點(diǎn)的治理工作，取得了明顯的監(jiān)測效果[9]。
3．1 災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警
    將管道運(yùn)行的即時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)、預(yù)設(shè)閥值進(jìn)行比較分析后，監(jiān)測網(wǎng)發(fā)布出預(yù)警信息，解決了“有災(zāi)不治”和災(zāi)害治理遲緩的問題。位于山西省境內(nèi)的某管段曾2次開挖以釋放應(yīng)力，但受煤礦采空所致坡體崩滑的影響，2009年8月5日某監(jiān)測截面的管道軸向拉伸應(yīng)力已達(dá)467．2 MPa，超過了436．5 MPa的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力，收到監(jiān)測網(wǎng)發(fā)出的預(yù)警后，組織開挖探坑，發(fā)現(xiàn)管道實(shí)際受損情況很嚴(yán)重：管道最大垂向位移已達(dá)1．885 m，且多處管道防腐補(bǔ)口帶和補(bǔ)傷片已經(jīng)卷邊、折皺、撕裂。西氣東輸管道分公司立即啟動應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案，帶壓抬升后該管段至今仍處于安全狀態(tài)。
3．2支持災(zāi)害治理方案
    監(jiān)測網(wǎng)可用于判斷管道地質(zhì)災(zāi)害所造成管體應(yīng)力集中的主要部位、主要誘因和對管體的影響，進(jìn)而支持災(zāi)害治理方案設(shè)計(jì)和方案比選，避免“小災(zāi)大治”或“大災(zāi)小治”。位于陜西省境內(nèi)某管段途經(jīng)的不穩(wěn)定坡體于2007年lo月發(fā)生滑坡，山體嚴(yán)重變形，最大剪切裂
縫的高差達(dá)1．3 m，應(yīng)急搶險(xiǎn)后監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：盡管坡體滑塌嚴(yán)重，但位于滑坡體中部的管道新增軸向拉伸應(yīng)力不足設(shè)計(jì)容許應(yīng)力的10％，且在滑坡后處于穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)此，業(yè)主方棄用大型抗滑樁方案，轉(zhuǎn)而采用一般水保措施，節(jié)約了數(shù)百萬元的災(zāi)害治理經(jīng)費(fèi)。    。
3．3校準(zhǔn)災(zāi)害治理過程
    治理過程中對管體以及管體周邊致災(zāi)體的人為擾動，必然引發(fā)管體自身應(yīng)力應(yīng)變在該管段的再次平衡。監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以反映哪些治理措施產(chǎn)生了期望的變化，而哪些治理措施可能導(dǎo)致災(zāi)害的進(jìn)一步惡化，從而解決運(yùn)營方所擔(dān)心的“災(zāi)害治理失當(dāng)”問題。在位
于山西省境內(nèi)某管段高風(fēng)險(xiǎn)的帶壓抬管過程中，監(jiān)測網(wǎng)啟動了即時(shí)的管道應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測，以包括應(yīng)變方向在內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)來調(diào)整抬管的步驟、位置以及抬升量，取得了較為理想的治理效果。
4 結(jié)論
    近5年的監(jiān)測網(wǎng)運(yùn)行實(shí)踐不僅為“西氣東輸”一線管道的運(yùn)行安全作出了貢獻(xiàn)，其理念和思路對國內(nèi)管道運(yùn)營方的管道地質(zhì)災(zāi)害防御工作也具有一定的借鑒作用。
    1)在管線力學(xué)和災(zāi)害地質(zhì)學(xué)相關(guān)理論指導(dǎo)下，關(guān)注管道地質(zhì)災(zāi)害的主要矛盾和矛盾的主要方面，管道地質(zhì)災(zāi)害的全線組網(wǎng)監(jiān)測在技術(shù)上是可實(shí)現(xiàn)的，并且由于其能大幅降低綜合治理成本、獲取減災(zāi)效益，在經(jīng)濟(jì)上也是可接受的。
    2)盡管管道與地質(zhì)災(zāi)害的耦合關(guān)系兇各種要素的復(fù)雜多變而難以把握，但只要重點(diǎn)關(guān)注管體自身的安全狀態(tài)，掌握管體應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)和趨勢，再輔以必要的致災(zāi)體監(jiān)測手段，就能夠發(fā)現(xiàn)管道地質(zhì)災(zāi)害的前期征兆，把握災(zāi)害治理時(shí)機(jī)，使災(zāi)害防御“事半功倍”。
    3)監(jiān)測網(wǎng)具有災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警、支持災(zāi)害治理方案、校準(zhǔn)災(zāi)害治理過程的功能，甚至還可用于評價(jià)災(zāi)害治理效果、合理調(diào)配災(zāi)害防治資源，使管道完整性管理工作真正落到實(shí)處，最終降低管道運(yùn)營方的經(jīng)營成本，提高其經(jīng)濟(jì)效益。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]賀劍君，馮偉，劉暢.基于管道應(yīng)變監(jiān)測的滑坡災(zāi)害預(yù)警與防治[J].天然氣工業(yè)，2011，31(1)：100-103.
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