保障了管道多年不间断安全运营、生态恢复良好

　　保障了管道多年不间断安全运营、生态恢复良好和无污染事件发生？买原油网中邦网/中邦繁荣宗派网讯 中俄原油管道是我邦四大能源战术通道之一，中邦境内分两期筑造；一线 月正式运营，每年进口俄罗斯原油 3 000 万吨，担当我邦 58% 的陆上原油进口重担。截至 2021 年 1 月 1 日，中俄原油管道累计输送原油近 2 亿吨，其对保护邦度能源安然、优化油品供输格式、深化中俄战术互助和激动经济社会繁荣等方面都作出了紧急奉献。中俄原油管道总长 1 030 km，起自俄罗斯东西伯利亚—承平洋输油管道的斯科沃罗季诺输油站，从我邦漠河兴安镇入境，自北向南沿大兴安岭东坡延长，穿越嫩江平原，止于大庆林源输油站。管道外径 813 mm，壁厚 11.9 mm（众年冻土区，管道壁厚为 12.5—17.5 mm），安排压力为 8 MPa（个人 10 MPa），管道材质选用 L450（X65）级钢材。管道敷设格式采用古板沟埋敷设格式，正在众年冻土区埋深为 1.6—2.0 m，采用常温密闭输送工艺输送俄罗斯低凝原油。管道正在中邦境内段全长 953 km，穿越漠河—加格达奇约 441 km 的不连接众年冻土区和加格达奇—大庆约 512 km 的深季候冻土区（冻深1.5 m）。个中，正在众年冻土区段，高温高含冰量冻土区为 119 km，冻土池沼湿地域为 50 km。

　　正在中俄原油管道筑筑之初，众年冻土退化、苛寒低温处境和衰弱生态成为管道筑造的三大挑拨题目。著作基于中俄原油管道众年咨询体验的积蓄，提出更始性冻土调控准绳和编制性处置计划，保护了中俄原油管道众年无间断安然运营、生态复兴杰出和无污染事故发作，同时为邦外里肖似工程的筑筑、运营及保卫供应参考。

　　中俄原油管道筑造和运营历程中面对的最要紧题目和劫持为众年冻土和冻土工程病害题目，即：冻土消融激发管基失稳和冻土处境退化题目。别的，管道还受到冻胀丘、冰椎和冻融滑坡等不良冻土头土脑象的影响。

　　天气变暖惹起管道沿线众年冻土退化速度加快 。现有监测原料评释，天气变暖配景下，我邦大、小兴安岭众年冻土普及退化，和 20 世纪 70 年代比拟，众年冻土面积退化了 35%—37%，而冻土退化和融重直接影响管道的安然安祥运营。

　　中俄原油管道筑造和运营历程中所面对的冻土题目有其自身的独特性和纷乱性，紧要显露正在以下 4 个方面。

　　管道沿线众年冻土和生态地质处境题目出色。管道沿线众年冻土区位于欧亚大陆众年冻土区南界相近，其属于生态编制守卫型众年冻土——兴安型众年冻土。兴安型众年冻土温度高（从南向北，冻土温度为 -1.8℃—-0.7℃）、含冰量大（众年冻土上限相近，众年冻土最大致积含冰量达 80%—90%）且漫衍不连接（从南向北，众年冻土漫衍面积从 0—20% 到 60%—70%间变动）；冻土热安祥性差，对冻土赋存处境（如茂密植被、有机土盖层等）扰动（如工程勾当、垦殖、火警等）特殊敏锐，这使得众年冻土守卫变得更为贫苦。另外，管道穿越北方原始丛林和湿地等，众年冻土退化题目不妨会激发一系列冻土生态地质处境题目。比方，会激发丛林和湿地的生态服役成效退化、水土流失、处境污染和生态编制异化与退化等。以是，需重心体贴管道施工和运转热扰动带来的处境管护题目。

　　大开挖施工加快众年冻土退化。美邦Alyeska 原油管道大约有一半长度的管道采用热管桩维持实行地上“排挤敷设”，施工对冻土的热扰动小 。加拿大 Norman Wells 原油管道采用埋地敷设，其管径小（外径 323.9 mm）、油温低，原油自入口输送 50 km 往后管道油温根基受方圆土体温度局限而相对安祥。正在中俄原油管道境外段（俄罗斯斯科沃罗季诺—中邦漠河连崟段）沿线的高含冰量众年冻土区，管基紧要采用冻胀非敏锐性土（如砂砾石）换填冻胀敏锐性细粒土。研究到防火等残酷的沿线自然处境和社会处境，我邦境内段采用埋地格式铺设；管道颠末大片丛林（笼罩率 70%）、湿地和很众村镇，大开挖施工（深度 2.5—6 m，宽度 2—3 m）闪现众年冻土且管沟积水惹起地下冰消融。以是，何如合理实行管沟开挖和管道敷设，对沿线众年冻土和北方林区与池沼的生态处境守卫是一大挑拨。

　　管道运营后高油温加快众年冻土消融。管道相当于一个内热源，整年正温运营，连续向管周冻土层放热（2018 年监测油温为 12.6℃—24.6℃）。比拟地上冻土工程，埋地管道高油温热扰动更直接且更激烈。以是，管底众年冻土消融深度更大（2018 年管底消融深度近 10 m），这加大了管道融重苦难和冻土处境编制损害危机。

　　管道沿线水文地质、工程地质和处境界质题目出色。管道沿线冬季苛寒（漠河最低气温达-52.3℃）、降雪量大（漠河众年均匀降雪量为 35cm），夏令气温较高（漠河最高气温可达 35.2℃）、降雨量大（漠河众年均匀降雨量为 500 mm）。管道沿线区域地下水位高，地外水和地下水富厚；池沼广布、丛林茂密，众年冻土与融区频仍过渡，且沿线冻融敏锐性土（浅层细粒土和泥炭土）漫衍普及，导致管道的（差别性）冻胀和融重危机普通较大。

　　中俄原油管道沿线外率地层从上到下顺序为泥炭土（厚度 0.8—0.9 m）、细粒土（厚度 0.9—1.9 m）、砾砂土（厚度 1.8—4.7 m）和强（弱）风化基岩。管道下部大家为砾砂层和基岩层，砾砂和基岩的融重系数小，工程地质条款较好。同时，因为钢管的延展性较好，管道所能继承的差别性融重变形较大。依据相干咨询，管道正在肯定条款下最大差别性融重变形可达 565 mm。以是，为了大幅减小管道筑造和运营本钱，区别于青藏铁道、青藏公道和美邦 Alyeska 原油管道等冻土工程采用的“冷却降温”的冻土地温调控准绳，中俄原油管道提出了“局限消融”的冻土地温调控准绳，即局限管周冻土发作适量消融，使管道变形正在容许变形领域内，以确保管道安然安祥运转。

　　基于“局限消融”的冻土地温调控准绳，更始研发了众种冻土消融防控新手段；操纵现场树模工程、室内物理模子试验和数值仿真试验验证其工程功效并优化其安排参数，并连接古板的冻土治理时间，变成一整套中俄原油管道冻土融重苦难防控对策。同时，正在中俄原油管道沿线创办了完全的水-热-变形永久监测编制，供应及时监测数据以保护中俄原油管道安然、安祥运营。

　　目前，中俄原油管道面对最要紧的苦难危机为冻土融重苦难（图 2），本文重心论述了冻土融重苦难防控和冻土处境守卫。归纳研究管道沿线天气条款、冻土工程地质条款、生态处境、水文编制，以及经济效益和工程实效等成分，科学、合理地局限管道权力领域内的冻土处境和油温，研发新的冷却和散热装备，扩大管基承载力，以及降低管材强度和柔韧性，变成一整套管道冻土苦难防控对策，以保护管道安然安祥运营。的确手段包括以下 4 个方面。

　　扩大管道壁厚，可能直接降低管道的强度和柔韧性，以及抗变形和抗损害的才智。正在非众年冻土区，中俄原油管道壁厚为 11.9 mm；而正在众年冻土区，依据分别含冰量和融重敏锐性，管道壁厚扩大到 12.5—17.5 mm，从而明显降低了管道抗冻胀和融重差别性变形才智。该手段已正在全部众年冻土区普通行使。

　　高油温是冻土消融的直接来因。通过调控入口油温，使得油温尽不妨与管道方圆土体温度划一，可直接节减管道热量向冻土层传达，以减小众年冻土的消融。比方，加拿大 Norman Wells 原油管道入口油温冷却至 -1℃ 实行输送，明显减小了管-土的热调换，正在肯定水平上局限了管道融重苦难。2018 年夏令，中俄原油管道境内段漠河首站（兴安镇）相近油温最高达 24.6℃，以是有需要采纳管道入口原油冷却或管道穿越低温河道等手段低落入口油温，以节减冻土消融。

　　中俄原油管道沿线地外浅层普及漫衍有冻胀敏锐性土和消融担心祥众年冻土，如细颗粒含量较高的黏粉质砂土和泥炭土。当此类冻土含冰量较高时，冻土消融或回冻会发作较大的变形，对管道变成安然危机。中俄原油管道采用非冻胀敏锐性土换填，降低了管基土消融后的承载力，减小了管基土融重变形且低落了管道融重苦难危机。该手段已正在全部众年冻土区普通行使。

　　复兴地外植被。管道敷设实现后，对管堤和管道权力领域内施工扰动的地外实行植被复兴（复种），或许蜕化地-气界面水热调换条款，减小地外吸热，低落地外温度。比方，监测展现池沼草甸地域比希罕草皮地域均匀地外温度低 2.4℃。跟着地外温度的低落，冻土消融和管道差别性融重变形明显节减。同时，植被复兴或许扫数改进受管道施工影响的生态处境。

　　热管。一种紧闭的气-液两相对流轮回换热装备。正在冷季，可能将自然界中“冷量”传输到冻土层中，低落冻土温度；正在暖季，当热管冷凝段与蒸发段达不到启动温差时，热管中止事务，仅有少量的热量通过热传导传入到地下，正在一终年内，冻土热进出为负，从而到达降温守卫冻土消融的方针。热管具有施工便利、降温功效好等长处，正在管道筑造和后期保卫中被普及采用。2019 年冷季，某一现场监测数据评释，热管手段断面正在 4 m 和 3 m 深度处地温永诀比无手段断面低 1℃ 旁边和 2.5℃ 旁边。目前，热管正在中俄原油管道沿线富冰、饱冰和含土冰层区域共施行行使了 12 000 众根。

　　纵向透风管。一种平行埋设于油管两侧的透风换热编制（图 3）。当油管方圆土体温度高于透风管内氛围温度时，透风管发作自然对流换热，将油管分散的热量开释到大气处境中，同时将冷氛围带入到地下，低落油管方圆土体温度。当油管方圆土体温度低于透风管内氛围温度时，透风管肖似热管中止事务。当冷季风速较大时，透风管也可能通过强迫对流将大气处境中“冷量”带入到地下，减缓冻土消融。别的，油管底部保温层可能节减油管热量向底部冻土层传达，减缓冻土消融。数值仿真试验评释，纵向透风管运营 20 年后，冻土消融深度可减小约 4 m。该构造合用正在少少富冰、饱冰和含土冰层区及冻土生态守卫区域。

　　横向U型透风管。其降温道理和纵向透风管相通，适合于某一点或小领域的管道降温，构造如图 4 所示。正在中俄原油管道某一冻土湿地域域采用了外径为 21.9 cm 的 U 型透风管，监测展现 U 型透风管正在冷季具有较好的冷却功效——冷季透风管相近地外以下 4 m 地温比无透风管相近地温低 0.5℃ 旁边。该手段合用于管道沿线富冰、饱冰和含土冰层区域。

　　横向 W 型透风管。一种操纵对流换热及风机抽吸连合影响换热的装备，紧要由旁边进风管、中部排风管和无动力风机构成，呈 W 型（图 5）。正在冷季无风时，油管温度高于中部排风管内氛围温度，排风管内氛围正在油管加热影响下上浮，发作自然对流换热，驱动无动力风机挽救，抽吸透风管内氛围活动，加快对流换热；正在冷季有风时，自然风场动员无动力风机挽救，抽吸排风管内氛围，加快管内氛围活动，从而将油管分散的热量迅疾开释到大气处境中，同时也将大气处境中“冷量”传入到管道方圆土体中，减缓冻土消融。正在暖季，风速较小且气温较高，W 型透风管肖似于横向 U 型透风管中止事务。室内大型模子试验结果展现，6 个冻融轮回后，无手段管底和 W 型透风管管底 25 cm 处温度永诀为 2.4℃ 和 0.4℃ 旁边，W 型透风管具有肯定冷却影响。该手段合用于管道沿线饱冰和含土冰层区域。

　　管道保温。一种经济合理和功效显明的手段，可直接、明显节减管道与冻土层间热量调换，减缓冻土消融。正在中俄原油管道沿线众年冻土区段，管道方圆险些都铺设了 8 cm 厚的保温质料（硬质聚氨酯泡沫塑料），该手段明显减小了冻土的消融领域和速度。数值仿线 cm 厚保温质料的管道方圆冻土正在 50 年后消融深度是无保温层管道的一半，这阐述保温层起到了显明的隔热功效。正在饱冰及含土冰层等区段，保温层与其他手段相连接构成复合手段，如保温 + 换填、保温 + 扩大壁厚、保温 + 热管、保温 +U 型横向透风管、保温 + 换填 + 扩大壁厚等，冻土消融防控功效更好。

　　透风冷垫编制。一种操纵透风管散热和冷媒相变潜热储能相连接的装备（图 6），既能局限融重又能避免冻胀，紧要由旁边对流换热通道、制冷箱体和蓄能体等 3 个局部构成。该构造正在冷季换热机理和透风管相通，只是正在冷季降温时，当蓄能体正在温度低于相变温度时蓄能体发作相变并放热，劝止箱内温度进一步低落，从而调控管道方圆冻土温渡过低激发冻胀气象。正在暖季，透风管中止事务，仅少量热量通过热传导进入地下制冷箱和冻土层，使其温度慢慢升高，假若有较众的热量进入该编制，蓄能体温度正在高于或亲近其相变温度时，蓄能体最先发作相变并吸热，减缓箱体底部冻土消融。数值仿真试验咨询展现，透风冷垫编制具有较好的冻土消融调控功效，目前正正在现场实行实体工程功效验证。该手段合用于管道沿线富冰、饱冰和含土冰层区段冻融防控。

　　（8）块碎石管堤。一种地上管道敷设构造（图 7）。该构造可避免管沟开挖和冻土扰动，同时可能避免丛林火警对管道的影响。管道铺设正在块碎石层上部冻胀融重非敏锐性粗颗粒土层中，避免了季候性的冻胀和融重。块碎石层可能分散油管热量，也可能低落管堤下部土体温度。室内大型模子试验咨询展现，6 个冻融轮回后，块碎石管堤底部冻土最大融深仅为古板埋地式管道的 17%，阐述该手段局限管底冻土消融功效较好。该手段合用于管道沿线富冰、饱冰和含土冰层网罗冻土湿地等区段。

　　著作基于众年咨询体验积蓄提出的中俄原油管道冻土地温调控准绳和冻土苦难成套防控对策，保护了管道众年不间断安然运营、生态复兴杰出和无污染事故发作。可是，中俄原油管道冻土苦难防控和冻土处境守卫仍需连续完竣和繁荣，改日还需重心体贴以下 4 个方面实质。

　　完竣管道沿线冻土苦难永久监测编制。添加重心冻土苦难区域监测兴办和监测因素，完竣和升级损害或失效的监测编制，确保管道沿线监测编制平常运转和数据连接完全获取。扩大管道应力应变丈量，完竣冻土-管道水、热、力变形全因素监测。

　　研发冻融次生苦难防控新手段。正在冻土融重苦难防控时间研发、优化和施行行使的本原上，加大对管道沿线次生、冷生苦难（如冻胀丘、冰椎和河冰等）防控手段研发力度，变成笼罩全部管道沿线的冻融苦难防控体例。

　　体贴油温连续升高惹起的工程和处境题目。俄罗斯的输油温度连续升高，远赶过安排温度，必需针对高油温对管道安然和冻土处境的影响及防控对策实行进一步深化咨询。

　　管道走廊众成分编制性咨询。中俄原油管道位于大兴安岭工程走廊内，沿线漫衍有加漠公道和铁道等其他工程。受到天气变动和生态处境的影响和限制，冻土的热形态、工程走廊的热力安祥性是众成分互相影响的结果，改日应重心体贴“天气变动-工程走廊-冻土-处境”编制咨询。

　　（作家：李邦玉，中邦科学院西北生态处境资源咨询院冻土工程邦度重心尝试室 中邦科学院大学工程科学学院

　　中邦科学院西北生态处境资源咨询院大兴安岭冻土工程与处境观测咨询站；曹亚鹏，中邦科学院西北生态处境资源咨询院冻土工程邦度重心尝试室 中邦科学院大学工程科学学院 中邦科学院西北生态处境资源咨询院大兴安岭冻土工程与处境观测咨询站；马巍，中邦科学院西北生态处境资源咨询院冻土工程邦度重心尝试室 中邦科学院大学工程科学学院 中邦科学院西北生态处境资源咨询院大兴安岭冻土工程与处境观测咨询站；金晓颖，东北林业大学土木匠程学院；陈朋超，邦度管网集团北方管道有限仔肩公司；俞祁浩，中邦科学院西北生态处境资源咨询院冻土工程邦度重心尝试室 中邦科学院大学工程科学学院；张中琼，中邦科学院西北生态处境资源咨询院冻土工程邦度重心尝试室 中邦科学院大学工程科学学院 中邦科学院西北生态处境资源咨询院大兴安岭冻土工程与处境观测咨询站；穆彦虎，中邦科学院西北生态处境资源咨询院冻土工程邦度重心尝试室 中邦科学院大学工程科学学院 中邦科学院西北生态处境资源咨询院大兴安岭冻土工程与处境观测咨询站；金会军，中邦科学院西北生态处境资源咨询院冻土工程邦度重心尝试室 中邦科学院西北生态处境资源咨询院大兴安岭冻土工程与处境观测咨询站 东北林业大学土木匠程学院。《中邦科学院院刊》供稿）。