通过开挖验证管道冻胀情况流程

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  以陕京管道西沙屯站为例,结合地下天然气管道调压前后介质参数,通过开挖验证管道冻胀情况,分析管道压力、流量、介质温度、环境温度、土壤含水等对管道冻胀的影响。提出了处置管道冻胀的构筑管沟填沙法、工艺流程优化法、装置改造降低压差法。经现场试验,取得了很好的效果,解决了地下天然气管道冻胀上翘问题,消除了安全风险。

  

  关键词: 管道;冻胀;检测;解决措施陕京管道以高压天然气为主,在向下游用户输送时,随供气压力、流量不断变化,调压前后压力相差较大,因焦耳—汤姆逊效应,易使分输天然气温度降至冰点以下,管道周边土壤冻结,引发 “冻胀”现象:阀门阀体离开阀座、地面开裂、管道发生变形、局部应力集中等[1],影响天然气管道的安全运行。为了解决天然气分输站冻胀问题,总结防冻胀措施及其特点,以陕京管道西沙屯站为例,分析天然气分输管道压力、温度、流量、介质温度、环境温度、土壤含水等因素,提出解决方法。

  

  1  原因分析1.1  管道冻胀表现形式陕京管道西沙屯站是陕京三线和陕京四线工程末站,于2013年11月建成投产,负责将天然气分输给北京市。站场设计管道DN1 000,设计压力10 MPa;设计规模为150万 m3/h,日输量为3 600万 m3;6条电动调压支路,支路管径DN400,单支路调压阀输气能力约37万 m3/h。2018年冬供期间,西沙屯站出现出站管道上翘现象,设备脱离原基础最高为40 mm,最小2 mm,地面出现上鼓、裂纹。站场天然气进站压力为7.0~7.6 MPa,进站温度7.0~7.8 ℃,经调压阀降压后压力3.6~3.8 MPa,调压后温度﹣12~﹣8 ℃,平均压降3.6 MPa,平均温度下降17.4 ℃。管线因膨胀量向上举力致使地下管线及汇管升起,出现地面裂纹,汇管上的管线随之升高,虽然在弹性范围之内,仍威胁输气管网的安全运行。

  

  1.2  影响管道冻胀因素(1)介质调压节流效应。为满足下游用户需求,将高压天然气经调压降压为中低压天然气,调压节流过程造成天然气温度急剧下降,有时达到零下,同时通过热传导作用摄取地下管道周边土壤中热量,致使调压阀和阀后外露管线出现结霜,地下管道及汇管四周土壤深度冻结。西沙屯末站进站和出站压力值分别为8.0 MPa 、3.8 MPa,根据数据分析,压力每下降1 MPa,温度约下降5 ℃[2]。计算调压前后温度至少下降21 ℃。冬季天然气的进站温度一般7 ℃左右,出站温度可达到﹣14 ℃,极易造成冰冻和地下管线冻胀。

  

  (2)管道周边土壤冻胀。实验资料表明: 最容易冻胀变形的细粒土是因为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,地下管道周边过饱和的细粒土在负温作用下,使土中的液态水变成固态的冰晶体,导致体积膨胀,造成土体向自由面的变形隆起[3]。处在这种冻土区域的地下管线因自重不够,受到因土体变形隆起产生的冻胀力,使地下管道抬高上翘脱离基础,造成管线冻胀上翘。

  

  (3)管道输气量增大。统计近两年西沙屯站的输气数据,冬季大气量(11月15日~次年3月15日)运行期间平均日输气量1 509万 m³,约为其他时期的14倍(其他时期平均日输气量106万 m³)。以冬季平均日总输气量1 500万m³、一天24 h连续分输计算,每小时输气量约62万 m³,相当于两台调压支路满负荷运行,天然气节流效应影响范围逐渐增加,低温冻胀土壤得不到缓解,加之冬季环境温度较低等因素,共同导致地下管线的冻胀上翘。