多年冻土区天然气管道建设关键技术

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0093

冰川冻土 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (2): 628-637.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0093

多年冻土区天然气管道建设关键技术

李欣泽¹^,²^,³(), 金会军¹^,²^,⁴()

^1.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 730000
^2.中国科学院大学资源环境学院，北京 100049
^3.中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026
^4.东北林业大学土木工程学院/东北多年冻土区地质环境系统教育部野外科学观测研究站/寒区科学与工程研究院，黑龙江哈尔滨 150040

收稿日期:2019-07-26 修回日期:2020-05-15 出版日期:2021-04-30 发布日期:2021-05-18
通讯作者: 金会军 E-mail:slecclxz@sina.com;hjjin@lzb.ac.cn
作者简介:李欣泽，高级工程师，博士研究生，主要从事冻土与寒区工程研究. E-mail： slecclxz@sina.com
基金资助:
中石化石油工程建设有限公司应用基础课题“阿拉斯加天然气管道建设关键技术可行性研究”资助

Key techniques for building of natural gas pipelines in permafrost regions

Xinze LI¹^,²^,³(), Huijun JIN¹^,²^,⁴()

^1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
^2.College of Resources and Environment，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^3.Sinopec Petroleum Engineering Co. ，Dongying 257026，Shandong，China
^4.School of Civil Engineering / Northeast-China Observatory and Research-Station of Permafrost Geo-Environment-Ministry of Education / Institute of Cold-Regions Science and Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China

Received:2019-07-26 Revised:2020-05-15 Online:2021-04-30 Published:2021-05-18
Contact: Huijun JIN E-mail:slecclxz@sina.com;hjjin@lzb.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

多年冻土地区天然气资源丰富，资源勘探开发和天然气外输管道建设日益受到重视。温带地区传统、常规的天然气管道设计、施工、运维方法、技术在多年冻土区遇到很大的挑战。因此，以管道工程设计者的角度，总结多年冻土区天然气管道的设计、施工和项目风险管理3个大项14个子项关键技术，主要包括管土水、热、力耦合系列的管输气冷却技术和传热计算技术，材料、应力系列的管道断裂控制技术和基于应变的管道设计技术，公用配套系列的连续多年冻土接地技术、不连续冻土区阴极保护技术、冻土区站场基础、管道支撑设计技术和建筑物模块化和设备撬装化技术，施工系列的特殊施工装备、冰雪公路修建、低温焊接和焊缝100%检测技术，以及自然环境、社会人文和技术等风险管理技术。希望能够为北极、高山和高原多年冻土区天然气管道建设提供新思路。

关键词: 多年冻土区, 天然气管道, 设计与施工, 关键技术

Abstract:

Permafrost regions are rich in natural gas resources. Gas exploration and development and gas pipeline construction thus have received increasingly more attention. The traditional and conventional techniques for pipeline design， construction and operation have encountered great challenges in permafrost regions. This paper summarizes the related key techniques for building gas pipelines in permafrost regions， including three items and fourteen sub-items， based on considerations for special permafrost environments and experiences and lessons learned from oil and gas pipeline projects in permafrost regions from the perspectives of pipeline designers and engineers. These key techniques comprise chilled transporting processes and heat-transfer calculation based on a series of techniques of coupled hydrothermal-hydraulic-mechanical modeling of the pipe-soil system， pipe crack control and strain-based design of pipelines based on a series of techniques of material and strain， grounding technology in continuous permafrost regions， cathodic protection in discontinuous permafrost regions， station foundation and pipe supports design and modular buildings and skids based on a series of techniques of public utilities， special construction equipment， building of snow and ice temporary roads and pads， low temperature welding process and welding seams inspection based on a series of techniques of construction， and risk management in natural environment， humanistic environment， social environment and new technology. It is hoped that new and innovative approaches can be inspired and envisioned for gas pipeline construction in arctic， boreal， alpine and high-plateau permafrost regions.

Key words: permafrost regions, natural gas pipeline, design and construction, key techniques

中图分类号:

P642.14

李欣泽, 金会军. 多年冻土区天然气管道建设关键技术[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 628-637.

Xinze LI, Huijun JIN. Key techniques for building of natural gas pipelines in permafrost regions[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(2): 628-637.

图/表 10

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参考文献 44

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序号	管道	拉伸应变极限限制	压缩应变极限限制
1	Norman Well 输油管道	0.5%	0.75%
2	Machenzie Valley输气管道	1%~2%	1%~1.5%
3	俄罗斯-日本海底管道（规划）	4%
4	阿拉斯加天然气管道（规划）	0.5%	0.5%

系统风险B₁	C₁	C₂	C₃	C₄	C₅	权重ω
C₁自然环境	1	5	4	7	3	0.4789
C₂政治环境	1/5	1	1/2	1/2	1/3	0.0641
C₃经济环境	1/4	2	1	4	1/4	0.1350
C₄政策法律	1/7	2	1/4	1	1/3	0.0712
C₅社会人文	1/3	3	4	3	1	0.2508

非系统风险B₂	C₆	C₇	C₈	权重ω
C₆技术	1	7	5	0.7396
C₇质量	1/7	1	1/2	0.0938
C₈进度	1/5	2	1	0.1666

风险	风险点	风险应对策略	应对措施概述
系统风险	自然环境风险	风险自留	对项目自然、生态保护进行分析和规划，制定积极应对措施，避免对环境造成影响
	政治环境风险	风险转移	完善投资保险制度，采取多种灵活的投资进入模式
	经济环境风险	风险自留	制定符合当地特色的税务统筹方案
	政策、法律风险	风险自留	成立更高一级的行政部门
	社会人文风险	风险减轻	满足项目当地化比例要求
非系统风险	技术风险	风险自留	学习或储备相应先进技术，保守或额外设计
	质量风险	风险减轻	选择工业应用中被证明是成熟的产品
	进度风险	风险转移	与有类似多年冻土区管道建设经验公司联合开展工作

序号	关键技术	解决方案/路径
一	设计关键技术
1.1	管土水、热、力耦合系列
1.1.1	管输气冷却技术	压气站进站换热器和出站空冷器联合冷却
1.1.2	传热计算技术	采用完全的管基土的水、热、力耦合模型
1.2	材料、应力系列
1.2.1	管道断裂控制技术	止裂器研发
1.2.2	“基于应变的管道设计”新技术	管土耦合作用模型建立
1.3	公用配套系列
1.3.1	连续多年冻土区接地	研发适应高土壤电阻率的接地技术
1.3.2	不连续多年冻土区阴极保护	研发适应差异性土壤电阻率的阴极保护技术
1.3.3	站场基础和地上管道支撑	连续多年冻土区采用钻孔+插入钢管桩+泥浆灌缝的技术方案；不连续多年冻土采用钻孔+插入钢管桩+热管技术的技术方案；结合需求，设计不同地上管道支撑结构形式
1.3.4	建筑物模块化和设备撬装化	建筑物、设备尺寸大小满足运输路线关键节点如桥梁、隧道的通过要求
二	施工关键技术
2.1	特殊施工装备	研发适应极端自然环境的特殊施工装备
2.2	特殊施工技术
2.2.1	修建冰路作为施工道路	冰湖钻孔-凿冰-运冰-布冰-泼水-成冰
2.2.2	低温焊接和焊缝100%检测	焊接工艺评定和焊接质量检测
三	项目风险管理关键技术
3.1	自然环境风险	编制适应极昼、极夜特殊自然现象的施工组织设计
3.2	社会人文风险	满足人员用工当地化比例要求
3.3	技术风险	保守或额外的设计

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