第1章 管道服役环境
我国管网跨越的地质条件复杂，管道沿线的地震、山体滑坡、地表沉降、塌陷、落石等地质灾害事故频发；人类施工作业、地下开采等活动频繁，在役管道保护措施缺乏，导致临近管道极易遭受第三方活动的影响而发生泄漏；随着深层、超深层和非常规油气资源的开发及氢能产业的发展，管道输送介质更加复杂，冲蚀和腐蚀严重，使管道承载能力降低、服役寿命缩短。
1.1 复杂介质环境
气藏中采出未经过净化处理的天然气常含有砂砾等固体杂质，在输送过程中将对管道内壁造成较为严重的冲刷磨损，使管壁减薄甚至刺穿，引发安全事故[1，2]。其中，弯头和三通等工艺组件作为管道系统中的薄弱环节，所受的冲蚀磨损更为严重[3]。
复杂的外界环境、内部流动介质极易造成管壁腐蚀，腐蚀破坏已成为长输管道的主要失效形式[4]。例如，架设管道暴露在大气环境中会受到大气腐蚀，此外湿度、氧含量及温度等环境因素均会影响管道的腐蚀程度[5]；土壤是一个包含固、液、气三相的复杂介质体系，内部充满了空气、水、盐离子及不同微生物等，土壤腐蚀成为埋地管道腐蚀穿孔的主要原因；海水中含有丰富的无机盐成分，是天然的多电解质溶液，相比陆上管道，海底管道的介质环境更加复杂，管内输送介质与管道内壁发生化学或电化学作用时将对管道内壁造成腐蚀，管内介质中含有H2S、CO2、SO2等腐蚀性物质，与水蒸气化合形成酸腐蚀管道内壁[4]。
管道运行过程中压力、介质流动时产生的湍流等复杂环境都将不同程度地加剧管道腐蚀[6]。
1.2 地质灾害
我国地域辽阔、地质条件复杂，而长输管道需要穿越多个地区，管道沿线地质灾害频发且较为复杂。根据地质灾害产生的原因，可将其分为三大类[7]：
（1）地壳内部构造引起的地质灾害，包括地震、地层塌陷、地面沉降、地表裂缝等。
（2）地壳外部构造引起的地质灾害，包括滑坡、泥石流、洪水、沙埋、风蚀等。
（3）特殊土体导致的地质灾害，包括湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土、冻土等引起的灾害等。
根据统计资料，表1-1为我国主要管道沿线地质灾害分布情况。
忠武输气管道和川气东送管道分别于2004年和2009年竣工并投产运营，它们穿越川东至鄂西山区，该地段为典型的地质灾害多发区。根据2010年对这两条管线的统计结果，发现管道沿线地质灾害发育量较大，主要为滑坡（含潜在不稳定斜坡）、崩塌（危岩、高边坡）和水毁（坡面水毁、河沟道水毁、台田地水毁）[9]，如表1-2所示。
对中缅管道安顺—贵阳段沿线进行地质调查，发现灾害点34处，主要为滑坡、崩塌、不稳定斜坡、地面沉降等（表1-3）[10]，该地区管道沿线地质灾害发育相对集中、分布密度大。
2002年7月兴建西气东输管道工程，全长4200km，沿线经过新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安徽、江苏、上海、浙江10个省（区、市），跨越了青藏高原、黄土高原、山西山地、皖苏丘陵平原、长江三角洲等，沿线主要地质灾害类型如表1-4 [11]所示。
地质灾害对管道工程的危害主要表现为两个方面：一是管道建设施工期间，地质灾害容易导致施工人员受伤、施工机具损坏；二是管道运营期间，地质灾害对管道本体及伴行路、阀室、站场和其他设施造成破坏[12]。地质灾害对管道的危害形式多，危害机理较为复杂，地质作用引起的地层运动和围土变形、管土相互作用及复杂力学行为使管道发生变形、断裂、弯曲、压溃、扭曲等失效形式，特别是近年来大口径管道的应用使围土作用下管道失效现象更加突出。
1. 地震
地震对埋地管道产生破坏的原因有两种：一是永久地面变形，虽然其影响范围有限，但能在较小范围内造成较大的相对位移，导致管道破裂或断裂失效，危害性极大；二是地震的波动效应，虽然其影响范围较大，但对管道造成的破坏相对较小[13]。
地壳岩层因受力达到一定强度而破裂，并在破裂面出现明显相对位移的构造现象称为断层，断层可分为正断层、逆断层和走滑断层三类。
地震作用下埋地钢管的破坏形式可分为三类：①管道破坏失效，主要有拉伸失效、局部屈曲失效和梁式弯曲失效三种失效模式[14]；②管道接口破坏失效，破坏形式与连接方式有关；③三通、弯头、闸阀和管道与其他构筑物连接处由于应变集中的运动相位不一致而造成的破坏[15]。
2. 山体滑坡
滑坡是指斜坡上的土体或岩体受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下沿着一定的软弱面或软弱带，整体或分散地顺坡向下滑动的自然现象。运动的岩（土）体称为变位体或滑移体，未移动的下伏岩（土）体称为滑床。
滑坡对管道的危害主要表现为[12]：当管道在滑坡下部通过时，滑坡体对管道进行加载；当管道在滑坡中部通过时，管道因承受滑坡体巨大的拖拽力而发生弯曲变形、拉裂甚至整体断裂等失效；当管道在滑坡上部通过时，在滑坡体作用下管道出现悬空或被拉断。
表1-6为滑坡灾害下部分地区管道破坏事故统计。滑坡灾害处理费时、整治费用高，因而在选定管道线路时，应尽量采取绕避方案。对于一般易滑坡段的治理，可采取适当措施稳定坡体，或在滑坡体后缘修筑截、排、导水系统，以防地表水汇入滑坡体；在滑坡体前缘运用浆砌片石护坡，防止水流的侧向侵蚀，造成抗滑力减小，从而使坡体稳定，保证管道安全[7]。
3. 落石
落石是我国山区常发生的一种自然灾害，特别是西部山区油气管道沿线，具有分布范围极广、发生突然、发生频率高、难以预防等特点。
落石对管道的危害主要表现为两个方面：①崩落落石对管道产生冲击载荷，特别是在高程差较大的区域，落石冲击管道上方覆土产生巨大的瞬时冲击载荷，引起管道变形失稳甚至破裂泄漏；②崩塌落石破坏伴行路，中断交通，影响管道的正常维修防护等[16]。
落石灾害已成为影响忠武输气管线安全*严重的地质灾害之一，已发生数起落石冲击管道事件，其中重庆忠县段曾发生落石冲破地表15cm厚钢筋混凝土防护板，将管道砸出直径约30cm的凹陷[17]。经调查发现，兰成渝管道阳坝段沿线的主要地质灾害类型为崩塌、滑坡、泥石流和不稳定斜坡等，其中崩塌灾害占总数的50%。受2008年汶川地震的影响，康县段阳坝发生体积近1000m3的崩塌，其中*大块石直径为4m，近50t的巨石将兰成渝管道接头处砸开，造成柴油泄漏[18]。据中缅管道云南段地灾评估资料，中缅管道沿线滑坡及不稳定斜坡有186处，崩塌15处，泥石流16处[19]，使得中缅管道成为我国乃至世界上建设难度*大管道工程之一。
4. 采空塌陷
在人为和自然地质的作用下，地表岩土向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的地质现象称为地面塌陷，其主要原因有地下水抽取致塌、渗水致塌、振动致塌、超载致塌、采空致塌等。一旦地表发生塌陷或沉降，将会造成埋地管道弯曲变形、悬空或断裂，从而带来安全隐患。
如采煤挖空导致平顶山油气管道发生扭曲变形；2005年雨水冲击造成广东佛山地面塌陷，导致煤气管道破裂而泄漏；2007年渗水致南京路面塌陷，导致天然气管道发生断裂爆炸；2007年10月美国圣迭戈出现严重塌方，地面多处下陷导致管道扭曲破裂[8]；2010年12月温州西山南路小区人行道沉降严重导致燃气管道接头焊接口出现应力集中突然发生断裂，造成大量燃气泄漏继而引发爆炸事故; 2019年6月山西煤层气（天然气）集输有限公司所属天然气管线通过某煤矿采空区段出现两处褶皱变形。
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