“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災害風險監(jiān)測預警體系

摘 要

摘要：為了對“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災害風險進行有效的監(jiān)測和預警，減少管道安全運營成本，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
摘要：為了對“西氣東輸”一線管道地質(zhì)災害風險進行有效的監(jiān)測和預警，減少管道安全運營成本，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)災害風險監(jiān)測的必要性，探討了管道地質(zhì)災害的漸變特征和管道失效的力學判據(jù)，闡明了管道地質(zhì)災害風險監(jiān)測及預警在理論與技術(shù)上的可行性。基于“承災體重于致災體、前期監(jiān)測重于災后監(jiān)測、長期監(jiān)測重于短期檢測、經(jīng)濟合理重于技術(shù)領先”的原則，建立了長輸管道沿線地質(zhì)災害風險監(jiān)測預警體系——管道地質(zhì)災害前期監(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)災害高風險區(qū)上布設了近百個隱患監(jiān)測點，及時發(fā)布了3起預警并2次觸發(fā)應急預案，監(jiān)測成果直接支持了7處隱患點的治理工作。實際應用效果表明，該監(jiān)測網(wǎng)具有災害預報預警、支持災害治理方案、校準災害治理過程的功能，甚至還可用于評價災害治理效果、合理調(diào)配災害防治資源，能使管道完整性管理工作真正落到實處，有效降低管道運營方的經(jīng)營成本。
    關(guān)鍵詞：“西氣東輸”一線  管道地質(zhì)災害 事故危害系數(shù) 完整性管理 監(jiān)測預警 應力應變監(jiān)測
 
長輸油氣管道沿途的地質(zhì)災害種類多、成因復雜、范圍廣，所導致的管道事故又極易誘發(fā)嚴重的次生災害，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)災害導致管道破壞的統(tǒng)計頻率僅為5.7%，但是由其帶來的經(jīng)濟損失卻高達l3.6億美元，占全部經(jīng)濟損失的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)計表(表1)。

    若不考慮管道架空受狂風的影響，表l中各類地質(zhì)災害的事故危害系數(shù)高達4.69，遠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)災害風險評價列入管道整體風險性評價任務的主要原因【3】。實際上，如果考慮由于地面移動等地質(zhì)災害所誘發(fā)的材料缺陷和腐蝕等事故放大效應，地質(zhì)災害的事故危害系數(shù)還將增大。
    中國是世界上地質(zhì)災害較為嚴重的國家之一。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)災害已無可避免地呈多發(fā)態(tài)勢，管道運行安全與管道地質(zhì)災害之間的矛盾日益凸顯。因此，建立對長輸油氣管道地質(zhì)災害風險的監(jiān)測預警體系，已經(jīng)勢在必行。
1 管道地質(zhì)災害監(jiān)測預警的理論基礎
    盡管對管道地質(zhì)災害的研究尚無完整的理論體系，但國內(nèi)外在地質(zhì)災害成因與防治、管道的力學特征等方面已有大量的研究成果可供借鑒。以此為基礎，再綜合眾多實際經(jīng)驗，就可對管道地質(zhì)災害的監(jiān)測預警提供一定的指導作用。
1.1 管道地質(zhì)災害的定義
    管道地質(zhì)災害并非一般的地質(zhì)災害。以滑坡、崩塌、泥石流等導致災害發(fā)生的不良地質(zhì)環(huán)境為“致災體”，以遭受致災體破壞的長輸油氣管道為“承災體”，管道運營方從風險管理和工程控制的角度，將“管道地質(zhì)災害”定義為：“以各類地質(zhì)災害為致災體、以管道本體及其附屬設施為承災體的一種成災過程”。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：①將管道是否受到威脅作為管道地質(zhì)災害的判斷標準，若地質(zhì)災害的發(fā)生并不影響管道安全，就不應列為管道地質(zhì)災害；②強調(diào)了管道地質(zhì)災害的特殊性，與一般地質(zhì)災害相比，管道地質(zhì)災害具有災害放大效果，更易導致嚴重的次生災害；③將管道地質(zhì)災害表述為一種成災過程，使管道地質(zhì)災害風險監(jiān)測與預警具備了介人的時間和空間。
1.2管道地質(zhì)災害的漸變特征
    災害監(jiān)測的關(guān)鍵是及時發(fā)現(xiàn)災變前兆，進而做出預報預警。地質(zhì)災害的“致災性”難以逆轉(zhuǎn)，但管道地質(zhì)災害是典型的、致災體與承災體之間明顯相關(guān)的“因果型災害鏈”，只要適時掌握其應變釋放的過程性指征和指標，就有可能及時預警，“防患于未然”。圖1以管道滑坡災害鏈為例，勾勒了管道滑坡從應變積累到應變釋放的交互作用和演進過程[4]，這一過程也給災前預警和災害治理提供了理論依據(jù)。

圖1同時表明：無論地質(zhì)災害的成因如何復雜多變，對管道造成的危害總是直接體現(xiàn)為管道的變形和失效。由于管道在力學上的失效判據(jù)相對較為清晰，那么只要通過應力應變監(jiān)測獲取管體的相關(guān)數(shù)據(jù)，就可以準確地定量描述災害條件下管道的力學表現(xiàn)，據(jù)此判定管道的臨災力學狀態(tài)，進而支持管道地質(zhì)災害的預報預警。


   
1.3管體失效的力學判據(jù)
    關(guān)于管道失效的力學判據(jù)，國內(nèi)外所采用的標準基本一致，主要包括以下2種。
1.3.1 基于應力的判據(jù)
當管道的變形處于彈性區(qū)間，宜使用基于應力的判據(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)災害條件下，受約束管道的強度應同時滿足以下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)生的軸向應力之和；SP為管道由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應力；ST為管道由溫差產(chǎn)生的軸向應力；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)生的名義彎曲應力； 為管道標準屈服強度。
    2)當SL為負值時，管道組合當量應力(SE)應滿足： ，其中SH為內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應力。
1.3.2 基于應變的判據(jù)
    當管道的變形已進入彈塑性區(qū)間，宜使用基于應變的判據(jù)來校核管道的安全狀態(tài)。管道的應變能力可歸納為對拉伸應變、壓縮應變的限制，用因子化的載荷一阻力設計(load resistance factorized design)公式表達E[7]
    1)軸向合成拉伸應變 為軸向許用拉伸應變，而 為拉伸應變承載系數(shù)，取0.7； 為鋼管及組焊管道的極限拉伸應變，按實測值或保守取值0.75%[8]。
    2)軸向合成壓縮應變 ，其中 為軸向許用壓縮應變， 為薄壁管道開始起皺的壓縮應變值，為管道標準屈服強度對應的應變。
2 “西氣東輸"一線管道沿線地質(zhì)災害前期監(jiān)測網(wǎng)
    自2003年投產(chǎn)運行以來，“西氣東輸”一線管道屢受地質(zhì)災害困擾，因災損失逐年上升。為了切實掌握管道受災狀況，變被動搶險為主動防御，提高災害防治的針對性以降低災害防御成本，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年開始建設管道沿線地質(zhì)災害前期監(jiān)測網(wǎng)(下稱監(jiān)測網(wǎng))。
2.1 監(jiān)測網(wǎng)建設的基本原則
2.1.1 承災體重于致災體
    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)災害的成因和機理如何復雜，管道的受損程度才是對安全運行的直接威脅。因此，對管道地質(zhì)災害風險的監(jiān)測應以承災體監(jiān)測為主，以致災體監(jiān)測為輔。
2.1.2 前期監(jiān)測重于災后監(jiān)測
    多數(shù)地質(zhì)災害都有從應變積累到應變釋放的漸變過程，這就給災害的提前預警提供了可能。只要實現(xiàn)災前預警，就能以相對較小的代價換取較長時期的管道安全，相關(guān)的災害治理成本也總是低于災后的治理成本。
2.1.3 長期監(jiān)測重于短期檢測
    短期檢測的技術(shù)手段多為臨時性措施，無法在長達數(shù)十年的管道壽命中發(fā)揮連續(xù)的預警作用。同時，針對某一具體管道地質(zhì)災害的短期檢測僅能對檢測時點的管道安全作出判斷，而難以判斷災害迫近的速度，更無法根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)做出趨勢預報。監(jiān)測網(wǎng)的建設屬于長期監(jiān)測措施，也相當于為短期檢測建立了長效機制。
2.1.4 經(jīng)濟合理重于技術(shù)領先
    任何災害防御措施都必須考慮效能問題，監(jiān)測網(wǎng)不應過分追求監(jiān)測技術(shù)的先進性而忽視運營方對減災成本的控制，而應盡可能延長監(jiān)測設施的使用壽命以攤薄運營方的年度折舊和費用支出，同時，還應通過對隱患監(jiān)測點的篩選和分級分類，以科學、辯證的思維將監(jiān)測手段布設于災害頻發(fā)點和高危點。
2.2監(jiān)測網(wǎng)建設的技術(shù)路線
    監(jiān)測網(wǎng)建設的技術(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)災害隱患具有種類多、范圍廣、數(shù)量大的特點。因此，將高后果區(qū)視為管道與地質(zhì)災害之間的主要矛盾，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)災害的前期征兆為首要目標，以現(xiàn)有的線路巡護能力和外部專業(yè)技術(shù)服務為依托，整合針對承災體的應力應變監(jiān)測技術(shù)和針對致災體的地表位移監(jiān)測技術(shù)，采用了較為經(jīng)濟且可靠性高的“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)、管道應力應變監(jiān)測技術(shù)，要根據(jù)地質(zhì)災害風險的性質(zhì)與程度進行組合、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。為進一步節(jié)省費用，采用易于掌握的便攜式設備讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并就近將其發(fā)送給相關(guān)的巡護人員，盡可能讓相鄰、相近監(jiān)測點共用同一設備。
    采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)使用專為監(jiān)測網(wǎng)開發(fā)的軟件進行分析處理，并由專業(yè)分析人員定期出具監(jiān)測報告。預警所采用的閥值主要考慮2個因素：①絕對值的比較，例如應變監(jiān)測中當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害發(fā)育的趨勢和速度。
3 監(jiān)測網(wǎng)的實際監(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)災害高風險區(qū)上布設了近百個隱患監(jiān)測點，及時發(fā)布了3起預警并2次觸發(fā)應急預案，監(jiān)測成果直接支持了7處隱患點的治理工作，取得了明顯的監(jiān)測效果[9]。
3．1 災害預報預警
    將管道運行的即時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)、預設閥值進行比較分析后，監(jiān)測網(wǎng)發(fā)布出預警信息，解決了“有災不治”和災害治理遲緩的問題。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力已達467．2 MPa，超過了436．5 MPa的設計容許應力，收到監(jiān)測網(wǎng)發(fā)出的預警后，組織開挖探坑，發(fā)現(xiàn)管道實際受損情況很嚴重：管道最大垂向位移已達1．885 m，且多處管道防腐補口帶和補傷片已經(jīng)卷邊、折皺、撕裂。西氣東輸管道分公司立即啟動應急搶險預案，帶壓抬升后該管段至今仍處于安全狀態(tài)。
3．2支持災害治理方案
    監(jiān)測網(wǎng)可用于判斷管道地質(zhì)災害所造成管體應力集中的主要部位、主要誘因和對管體的影響，進而支持災害治理方案設計和方案比選，避免“小災大治”或“大災小治”。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，山體嚴重變形，最大剪切裂
縫的高差達1．3 m，應急搶險后監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：盡管坡體滑塌嚴重，但位于滑坡體中部的管道新增軸向拉伸應力不足設計容許應力的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)百萬元的災害治理經(jīng)費。    。
3．3校準災害治理過程
    治理過程中對管體以及管體周邊致災體的人為擾動，必然引發(fā)管體自身應力應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致災害的進一步惡化，從而解決運營方所擔心的“災害治理失當”問題。在位
于山西省境內(nèi)某管段高風險的帶壓抬管過程中，監(jiān)測網(wǎng)啟動了即時的管道應力應變動態(tài)監(jiān)測，以包括應變方向在內(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)運行實踐不僅為“西氣東輸”一線管道的運行安全作出了貢獻，其理念和思路對國內(nèi)管道運營方的管道地質(zhì)災害防御工作也具有一定的借鑒作用。
    1)在管線力學和災害地質(zhì)學相關(guān)理論指導下，關(guān)注管道地質(zhì)災害的主要矛盾和矛盾的主要方面，管道地質(zhì)災害的全線組網(wǎng)監(jiān)測在技術(shù)上是可實現(xiàn)的，并且由于其能大幅降低綜合治理成本、獲取減災效益，在經(jīng)濟上也是可接受的。
    2)盡管管道與地質(zhì)災害的耦合關(guān)系兇各種要素的復雜多變而難以把握，但只要重點關(guān)注管體自身的安全狀態(tài)，掌握管體應力應變的數(shù)據(jù)和趨勢，再輔以必要的致災體監(jiān)測手段，就能夠發(fā)現(xiàn)管道地質(zhì)災害的前期征兆，把握災害治理時機，使災害防御“事半功倍”。
    3)監(jiān)測網(wǎng)具有災害預報預警、支持災害治理方案、校準災害治理過程的功能，甚至還可用于評價災害治理效果、合理調(diào)配災害防治資源，使管道完整性管理工作真正落到實處，最終降低管道運營方的經(jīng)營成本，提高其經(jīng)濟效益。
參 考 文 獻
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