中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 中俄原油管道是我國四大能源戰(zhàn)略通道之一，中國境內(nèi)分兩期建設(shè)；一線和二線先后于?2011?年?1?月和?2018?年?1?月正式運(yùn)營，每年進(jìn)口俄羅斯原油?3?000?萬噸，承擔(dān)我國?58%?的陸上原油進(jìn)口重任。截至?2021?年?1?月?1?日，中俄原油管道累計(jì)輸送原油近?2?億噸，其對保障國家能源安全、優(yōu)化油品供輸格局、深化中俄戰(zhàn)略合作和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等方面都作出了重要貢獻(xiàn)。中俄原油管道總長?1?030?km，起自俄羅斯東西伯利亞—太平洋輸油管道的斯科沃羅季諾輸油站，從我國漠河興安鎮(zhèn)入境，自北向南沿大興安嶺東坡延伸，穿越嫩江平原，止于大慶林源輸油站。管道外徑?813?mm，壁厚?11.9?mm（多年凍土區(qū)，管道壁厚為?12.5—17.5?mm），設(shè)計(jì)壓力為?8?MPa（局部?10?MPa），管道材質(zhì)選用?L450（X65）級鋼材。管道敷設(shè)方式采用傳統(tǒng)溝埋敷設(shè)方式，在多年凍土區(qū)埋深為?1.6—2.0?m，采用常溫密閉輸送工藝輸送俄羅斯低凝原油。管道在中國境內(nèi)段全長?953?km，穿越漠河—加格達(dá)奇約?441?km?的不連續(xù)多年凍土區(qū)和加格達(dá)奇—大慶約?512?km?的深季節(jié)凍土區(qū)（凍深>1.5?m）。其中，在多年凍土區(qū)段，高溫高含冰量凍土區(qū)為?119?km，凍土沼澤濕地區(qū)為?50?km。

在中俄原油管道修建之初，多年凍土退化、嚴(yán)寒低溫環(huán)境和脆弱生態(tài)成為管道建設(shè)的三大挑戰(zhàn)問題。文章基于中俄原油管道多年研究經(jīng)驗(yàn)的積累，提出創(chuàng)新性凍土調(diào)控原則和系統(tǒng)性解決方案，保障了中俄原油管道多年無間斷安全運(yùn)營、生態(tài)恢復(fù)良好和無污染事件發(fā)生，同時為國內(nèi)外類似工程的修建、運(yùn)營及維護(hù)提供參考。

中俄原油管道沿線多年凍土問題

中俄原油管道建設(shè)和運(yùn)營過程中面臨的最嚴(yán)重問題和威脅為多年凍土和凍土工程病害問題，即：凍土融化引發(fā)管基失穩(wěn)和凍土環(huán)境退化問題。另外，管道還受到凍脹丘、冰椎和凍融滑坡等不良凍土現(xiàn)象的影響。

氣候變暖引起管道沿線多年凍土退化速率加快?。現(xiàn)有監(jiān)測資料表明，氣候變暖背景下，我國大、小興安嶺多年凍土廣泛退化，和?20?世紀(jì)?70?年代相比，多年凍土面積退化了?35%—37%，而凍土退化和融沉直接影響管道的安全穩(wěn)定運(yùn)營。

中俄原油管道建設(shè)和運(yùn)營過程中所面臨的凍土問題有其本身的特殊性和復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在以下?4?個方面。

管道沿線多年凍土和生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題突出。管道沿線多年凍土區(qū)位于歐亞大陸多年凍土區(qū)南界附近，其屬于生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)型多年凍土——興安型多年凍土。興安型多年凍土溫度高（從南向北，凍土溫度為?-1.8℃—-0.7℃）、含冰量大（多年凍土上限附近，多年凍土最大體積含冰量達(dá)?80%—90%）且分布不連續(xù)（從南向北，多年凍土分布面積從?0—20%?到?60%—70%間變化）；凍土熱穩(wěn)定性差，對凍土賦存環(huán)境（如茂密植被、有機(jī)土蓋層等）擾動（如工程活動、墾殖、火災(zāi)等）非常敏感，這使得多年凍土保護(hù)變得更為困難。此外，管道穿越北方原始森林和濕地等，多年凍土退化問題可能會引發(fā)一系列凍土生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題。例如，會引發(fā)森林和濕地的生態(tài)服役功能退化、水土流失、環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)異化與退化等。因此，需重點(diǎn)關(guān)注管道施工和運(yùn)行熱擾動帶來的環(huán)境管護(hù)問題。

大開挖施工加速多年凍土退化。美國Alyeska?原油管道大約有一半長度的管道采用熱管樁支撐進(jìn)行地上“架空敷設(shè)”，施工對凍土的熱擾動小?。加拿大?Norman Wells?原油管道采用埋地敷設(shè)，其管徑小（外徑?323.9?mm）、油溫低，原油自入口輸送?50?km?以后管道油溫基本受周圍土體溫度控制而相對穩(wěn)定。在中俄原油管道境外段（俄羅斯斯科沃羅季諾—中國漠河連崟段）沿線的高含冰量多年凍土區(qū)，管基主要采用凍脹非敏感性土（如砂礫石）換填凍脹敏感性細(xì)粒土。考慮到防火等嚴(yán)酷的沿線自然環(huán)境和社會環(huán)境，我國境內(nèi)段采用埋地方式鋪設(shè)；管道經(jīng)過大片森林（覆蓋率?70%）、濕地和許多村鎮(zhèn)，大開挖施工（深度?2.5—6?m，寬度?2—3?m）暴露多年凍土且管溝積水引起地下冰融化。因此，如何合理進(jìn)行管溝開挖和管道敷設(shè)，對沿線多年凍土和北方林區(qū)與沼澤的生態(tài)環(huán)境保護(hù)是一大挑戰(zhàn)。

管道運(yùn)營后高油溫加速多年凍土融化。管道相當(dāng)于一個內(nèi)熱源，全年正溫運(yùn)營，持續(xù)向管周凍土層放熱（2018?年監(jiān)測油溫為?12.6℃—24.6℃）。相比地上凍土工程，埋地管道高油溫?zé)釘_動更直接且更劇烈。因此，管底多年凍土融化深度更大（2018?年管底融化深度近?10?m），這加大了管道融沉災(zāi)害和凍土環(huán)境系統(tǒng)破壞風(fēng)險。

管道沿線水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題突出。管道沿線冬季嚴(yán)寒（漠河最低氣溫達(dá)-52.3℃）、降雪量大（漠河多年平均降雪量為?35cm），夏季氣溫較高（漠河最高氣溫可達(dá)?35.2℃）、降雨量大（漠河多年平均降雨量為?500?mm）。管道沿線區(qū)域地下水位高，地表水和地下水豐富；沼澤廣布、森林茂密，多年凍土與融區(qū)頻繁過渡，且沿線凍融敏感性土（淺層細(xì)粒土和泥炭土）分布廣泛，導(dǎo)致管道的（差異性）凍脹和融沉風(fēng)險普遍較大。

中俄原油管道凍土地基防控原則

中俄原油管道沿線典型地層從上到下依次為泥炭土（厚度?0.8—0.9?m）、細(xì)粒土（厚度?0.9—1.9?m）、礫砂土（厚度?1.8—4.7?m）和強(qiáng)（弱）風(fēng)化基巖。管道下部大多為礫砂層和基巖層，礫砂和基巖的融沉系數(shù)小，工程地質(zhì)條件較好。同時，由于鋼管的延展性較好，管道所能承受的差異性融沉變形較大。根據(jù)相關(guān)研究，管道在一定條件下最大差異性融沉變形可達(dá)?565?mm。因此，為了大幅減小管道建設(shè)和運(yùn)營成本，區(qū)別于青藏鐵路、青藏公路和美國?Alyeska?原油管道等凍土工程采用的“冷卻降溫”的凍土地溫調(diào)控原則，中俄原油管道提出了“控制融化”的凍土地溫調(diào)控原則，即控制管周凍土發(fā)生適量融化，使管道變形在容許變形范圍內(nèi)，以確保管道安全穩(wěn)定運(yùn)行。

基于“控制融化”的凍土地溫調(diào)控原則，創(chuàng)新研發(fā)了多種凍土融化防控新措施；利用現(xiàn)場示范工程、室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真試驗(yàn)驗(yàn)證其工程效果并優(yōu)化其設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合傳統(tǒng)的凍土處理技術(shù)，形成一整套中俄原油管道凍土融沉災(zāi)害防控對策。同時，在中俄原油管道沿線建立了完整的水-熱-變形長期監(jiān)測系統(tǒng)，提供實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)以保障中俄原油管道安全、穩(wěn)定運(yùn)營。

中俄原油管道凍土災(zāi)害防控對策

目前，中俄原油管道面臨最嚴(yán)重的災(zāi)害風(fēng)險為凍土融沉災(zāi)害（圖?2），本文重點(diǎn)闡述了凍土融沉災(zāi)害防控和凍土環(huán)境保護(hù)。綜合考慮管道沿線氣候條件、凍土工程地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境、水文系統(tǒng)，以及經(jīng)濟(jì)效益和工程實(shí)效等因素，科學(xué)、合理地控制管道權(quán)利范圍內(nèi)的凍土環(huán)境和油溫，研發(fā)新的冷卻和散熱裝置，增加管基承載力，以及提高管材強(qiáng)度和柔韌性，形成一整套管道凍土災(zāi)害防控對策，以保障管道安全穩(wěn)定運(yùn)營。具體措施包含以下?4?個方面。

增加管道壁厚

增加管道壁厚，可以直接提高管道的強(qiáng)度和柔韌性，以及抗變形和抗破壞的能力。在非多年凍土區(qū)，中俄原油管道壁厚為?11.9 mm；而在多年凍土區(qū)，根據(jù)不同含冰量和融沉敏感性，管道壁厚增加到?12.5—17.5 mm，從而顯著提高了管道抗凍脹和融沉差異性變形能力。該措施已在整個多年凍土區(qū)普遍應(yīng)用。

控制油溫

高油溫是凍土融化的直接原因。通過調(diào)控入口油溫，使得油溫盡可能與管道周圍土體溫度一致，可直接減少管道熱量向凍土層傳遞，以減小多年凍土的融化。例如，加拿大?Norman Wells?原油管道入口油溫冷卻至?-1℃?進(jìn)行輸送，顯著減小了管-土的熱交換，在一定程度上控制了管道融沉災(zāi)害。2018?年夏季，中俄原油管道境內(nèi)段漠河首站（興安鎮(zhèn)）附近油溫最高達(dá)?24.6℃，因此有必要采取管道入口原油冷卻或管道穿越低溫河流等措施降低入口油溫，以減少凍土融化。

換填管基土

中俄原油管道沿線地表淺層廣泛分布有凍脹敏感性土和融化不穩(wěn)定多年凍土，如細(xì)顆粒含量較高的黏粉質(zhì)砂土和泥炭土。當(dāng)此類凍土含冰量較高時，凍土融化或回凍會發(fā)生較大的變形，對管道造成安全風(fēng)險。中俄原油管道采用非凍脹敏感性土換填，提高了管基土融化后的承載力，減小了管基土融沉變形且降低了管道融沉災(zāi)害風(fēng)險。該措施已在整個多年凍土區(qū)普遍應(yīng)用。

調(diào)控凍土溫度

恢復(fù)地表植被。管道敷設(shè)完成后，對管堤和管道權(quán)利范圍內(nèi)施工擾動的地表進(jìn)行植被恢復(fù)（復(fù)種），能夠改變地-氣界面水熱交換條件，減小地表吸熱，降低地表溫度。例如，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)沼澤草甸地區(qū)比稀疏草皮地區(qū)平均地表溫度低?2.4℃。隨著地表溫度的降低，凍土融化和管道差異性融沉變形顯著減少。同時，植被恢復(fù)能夠全面改善受管道施工影響的生態(tài)環(huán)境。

熱管。一種封閉的氣-液兩相對流循環(huán)換熱裝置。在冷季，可以將自然界中“冷量”傳輸?shù)絻鐾翆又校档蛢鐾翜囟龋辉谂荆?dāng)熱管冷凝段與蒸發(fā)段達(dá)不到啟動溫差時，熱管停止工作，僅有少量的熱量通過熱傳導(dǎo)傳入到地下，在一整年內(nèi)，凍土熱收支為負(fù)，從而達(dá)到降溫保護(hù)凍土融化的目的。熱管具有施工方便、降溫效果好等優(yōu)點(diǎn)，在管道建設(shè)和后期維護(hù)中被廣泛采用。2019?年冷季，某一現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，熱管措施斷面在?4?m?和?3?m?深度處地溫分別比無措施斷面低?1℃?左右和?2.5℃?左右。目前，熱管在中俄原油管道沿線富冰、飽冰和含土冰層區(qū)域共推廣應(yīng)用了?12?000?多根。

縱向通風(fēng)管。一種平行埋設(shè)于油管兩側(cè)的通風(fēng)換熱系統(tǒng)（圖?3）。當(dāng)油管周圍土體溫度高于通風(fēng)管內(nèi)空氣溫度時，通風(fēng)管發(fā)生自然對流換熱，將油管散發(fā)的熱量釋放到大氣環(huán)境中，同時將冷空氣帶入到地下，降低油管周圍土體溫度。當(dāng)油管周圍土體溫度低于通風(fēng)管內(nèi)空氣溫度時，通風(fēng)管類似熱管停止工作。當(dāng)冷季風(fēng)速較大時，通風(fēng)管也可以通過強(qiáng)迫對流將大氣環(huán)境中“冷量”帶入到地下，減緩凍土融化。另外，油管底部保溫層可以減少油管熱量向底部凍土層傳遞，減緩凍土融化。數(shù)值仿真試驗(yàn)表明，縱向通風(fēng)管運(yùn)營?20?年后，凍土融化深度可減小約?4?m。該結(jié)構(gòu)適用在一些富冰、飽冰和含土冰層區(qū)及凍土生態(tài)保護(hù)區(qū)域。

橫向U型通風(fēng)管。其降溫原理和縱向通風(fēng)管相似，適合于某一點(diǎn)或小范圍的管道降溫，結(jié)構(gòu)如圖?4?所示。在中俄原油管道某一凍土濕地區(qū)域采用了外徑為?21.9?cm?的?U?型通風(fēng)管，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)?U?型通風(fēng)管在冷季具有較好的冷卻效果——冷季通風(fēng)管附近地表以下?4?m?地溫比無通風(fēng)管附近地溫低?0.5℃?左右。該措施適用于管道沿線富冰、飽冰和含土冰層區(qū)域。

橫向?W?型通風(fēng)管。一種利用對流換熱及風(fēng)機(jī)抽吸聯(lián)合作用換熱的裝置，主要由左右進(jìn)風(fēng)管、中部排風(fēng)管和無動力風(fēng)機(jī)組成，呈?W?型（圖?5）。在冷季無風(fēng)時，油管溫度高于中部排風(fēng)管內(nèi)空氣溫度，排風(fēng)管內(nèi)空氣在油管加熱作用下上浮，發(fā)生自然對流換熱，驅(qū)動無動力風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，抽吸通風(fēng)管內(nèi)空氣流動，加速對流換熱；在冷季有風(fēng)時，自然風(fēng)場帶動無動力風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，抽吸排風(fēng)管內(nèi)空氣，加速管內(nèi)空氣流動，從而將油管散發(fā)的熱量快速釋放到大氣環(huán)境中，同時也將大氣環(huán)境中“冷量”傳入到管道周圍土體中，減緩凍土融化。在暖季，風(fēng)速較小且氣溫較高，W?型通風(fēng)管類似于橫向?U?型通風(fēng)管停止工作。室內(nèi)大型模型試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6?個凍融循環(huán)后，無措施管底和?W?型通風(fēng)管管底?25?cm?處溫度分別為?2.4℃?和?0.4℃?左右，W?型通風(fēng)管具有一定冷卻作用。該措施適用于管道沿線飽冰和含土冰層區(qū)域。

管道保溫。一種經(jīng)濟(jì)合理和效果明顯的措施，可直接、顯著減少管道與凍土層間熱量交換，減緩凍土融化。在中俄原油管道沿線多年凍土區(qū)段，管道周圍幾乎都鋪設(shè)了?8?cm?厚的保溫材料（硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料），該措施顯著減小了凍土的融化范圍和速率。數(shù)值仿真試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋪設(shè)?8?cm?厚保溫材料的管道周圍凍土在?50?年后融化深度是無保溫層管道的一半，這說明保溫層起到了明顯的隔熱效果。在飽冰及含土冰層等區(qū)段，保溫層與其他措施相結(jié)合組成復(fù)合措施，如保溫?+?換填、保溫?+?增加壁厚、保溫?+?熱管、保溫?+U?型橫向通風(fēng)管、保溫?+?換填?+?增加壁厚等，凍土融化防控效果更好。

通風(fēng)冷墊系統(tǒng)。一種利用通風(fēng)管散熱和冷媒相變潛熱儲能相結(jié)合的裝置（圖?6），既能控制融沉又能避免凍脹，主要由左右對流換熱通道、制冷箱體和蓄能體等?3?個部分組成。該結(jié)構(gòu)在冷季換熱機(jī)理和通風(fēng)管相似，只是在冷季降溫時，當(dāng)蓄能體在溫度低于相變溫度時蓄能體發(fā)生相變并放熱，阻止箱內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，從而調(diào)控管道周圍凍土溫度過低引發(fā)凍脹現(xiàn)象。在暖季，通風(fēng)管停止工作，僅少量熱量通過熱傳導(dǎo)進(jìn)入地下制冷箱和凍土層，使其溫度緩慢升高，如果有較多的熱量進(jìn)入該系統(tǒng)，蓄能體溫度在高于或接近其相變溫度時，蓄能體首先發(fā)生相變并吸熱，減緩箱體底部凍土融化。數(shù)值仿真試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)冷墊系統(tǒng)具有較好的凍土融化調(diào)控效果，目前正在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)體工程效果驗(yàn)證。該措施適用于管道沿線富冰、飽冰和含土冰層區(qū)段凍融防控。

（8）塊碎石管堤。一種地上管道敷設(shè)結(jié)構(gòu)（圖?7）。該結(jié)構(gòu)可避免管溝開挖和凍土擾動，同時可以避免森林火災(zāi)對管道的影響。管道鋪設(shè)在塊碎石層上部凍脹融沉非敏感性粗顆粒土層中，避免了季節(jié)性的凍脹和融沉。塊碎石層可以散發(fā)油管熱量，也可以降低管堤下部土體溫度。室內(nèi)大型模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，6?個凍融循環(huán)后，塊碎石管堤底部凍土最大融深僅為傳統(tǒng)埋地式管道的?17%，說明該措施控制管底凍土融化效果較好。該措施適用于管道沿線富冰、飽冰和含土冰層包括凍土濕地等區(qū)段。

展望

文章基于多年研究經(jīng)驗(yàn)積累提出的中俄原油管道凍土地溫調(diào)控原則和凍土災(zāi)害成套防控對策，保障了管道多年不間斷安全運(yùn)營、生態(tài)恢復(fù)良好和無污染事件發(fā)生。但是，中俄原油管道凍土災(zāi)害防控和凍土環(huán)境保護(hù)仍需不斷完善和發(fā)展，未來還需重點(diǎn)關(guān)注以下?4?個方面內(nèi)容。

完善管道沿線凍土災(zāi)害長期監(jiān)測系統(tǒng)。補(bǔ)充重點(diǎn)凍土災(zāi)害區(qū)域監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)測要素，完善和升級破壞或失效的監(jiān)測系統(tǒng)，確保管道沿線監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)連續(xù)完整獲取。增加管道應(yīng)力應(yīng)變測量，完善凍土-管道水、熱、力變形全要素監(jiān)測。

研發(fā)凍融次生災(zāi)害防控新措施。在凍土融沉災(zāi)害防控技術(shù)研發(fā)、優(yōu)化和推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)上，加大對管道沿線次生、冷生災(zāi)害（如凍脹丘、冰椎和河冰等）防控措施研發(fā)力度，形成覆蓋整個管道沿線的凍融災(zāi)害防控體系。

關(guān)注油溫持續(xù)升高引起的工程和環(huán)境問題。俄羅斯的輸油溫度不斷升高，遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)溫度，必須針對高油溫對管道安全和凍土環(huán)境的影響及防控對策進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。

管道走廊多因素系統(tǒng)性研究。中俄原油管道位于大興安嶺工程走廊內(nèi)，沿線分布有加漠公路和鐵路等其他工程。受到氣候變化和生態(tài)環(huán)境的影響和制約，凍土的熱狀態(tài)、工程走廊的熱力穩(wěn)定性是多因素相互作用的結(jié)果，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注“氣候變化-工程走廊-凍土-環(huán)境”系統(tǒng)研究。

（作者：李國玉，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院大興安嶺凍土工程與環(huán)境觀測研究站；曹亞鵬，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院大興安嶺凍土工程與環(huán)境觀測研究站；馬巍，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院大興安嶺凍土工程與環(huán)境觀測研究站；金曉穎，東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院；陳朋超，國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司；俞祁浩，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院；張中瓊，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院大興安嶺凍土工程與環(huán)境觀測研究站；穆彥虎，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院大興安嶺凍土工程與環(huán)境觀測研究站；金會軍，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院大興安嶺凍土工程與環(huán)境觀測研究站 東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院。《中國科學(xué)院院刊》供稿）。

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