文章来源:阿拉斯加麦金利旅游
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早在1960年代,美国油公司就在阿拉斯加北海岸的布鲁何湾(Prudhoe Bay)发现了蕴藏极丰的油藏,这是北美最大的油田,原始可采储量在80亿吨以上。不过当时由中东进口的油非常便宜,便宜得连德州产的油都招架不住,所以除了地质学家感兴奋外,美国大众对这油藏的开发实在不感兴趣。美国政府和环境保护协会甚至通过各种行政措施,保证不开发这个油田,让它永远埋藏于冰天雪地之下。但1973年石油禁运使整个情势改观。美国政府为了提供更多的能源,不得不手开发阿拉斯加这片丰富的油藏,这时,把石油运到美国本土,成了一项迫切的工作。
各种输油法中,以油轮最为经济,所以首先列入考虑。世界最大的埃克森油公司(Exxon Co.)曾将一艘20万吨的超级油轮加装破冰设备,想直接由北极绕过美洲北岸,载了原油,再循原路直下美国东岸。这艘油轮在全世界瞩目下乘风破「冰」,勇往直前,在冰冻的北极海打出一条航道。眼看就要到达布鲁何湾,完成壮举,谁知最后还是敌不过大自然的力量,被浮冰困于加拿大与美国交界附近,直到第二年夏天解冻后才逃脱。美国东岸的居民原指望巨轮可以运来廉价原油,如今美梦破碎;倒是加拿大东岸居民松了一口气,因为油轮漏油危害生态的威胁无形中解除了。油轮输送的办法行不通,看来只有靠油管了。
严寒气候冻原带
以往开采石油都是在热带或温带地区,在寒带开采石油的经验极为有限,在北极圈内更是史无前例。位于北极圈内的阿拉斯加油田,开发起来真是石油史上最大的挑战。建造纵贯阿拉斯加的输油管的工程已经够浩大,再加上天寒地冻,很多意想不到的自然现象,像冻原气候,地下水不均匀,海水冬冻夏融等,真让铺设油管的工程师吃了不少苦头。
冻原是一种含大量水分的泥土,冬天气温降至冰点以下时坚硬如石;夏天日光照射后,地下冰融解则成泥浆,连人都难以立足。有些地方的冻原即使夏天也只有表面薄薄30公分的表土融化,地下仍保持在冰点附近,因此只要温度上升1℃,就会把冻土融化成一大泥浆池。冻原对温度变化如此敏感,使很多设施因季节交换而出纰漏,像图三的桥就是个例子因此任何工程除非事先设计得相当周密,否则一定维持不了一年。
阿拉斯加一年内大部分时间的气温均在冰点以下,故生物不易生存,泥土中的有机养分仅在薄薄的表层。由于缺乏适当的植物来保护水土,一旦将地下的冻土裸露于夏日,新的一层表土极易受雪水冲失。这种地形及地质的破坏历久不停,20世纪初期的淘金者便曾对这些冻原任意挖掘破坏,至今仍无法恢复旧观。因此美国政府对油管的敷设订有严密的规格,以保护自然环境的完整。
锯齿高架防热胀
地下水因受地质及地形构造的影响分布不均,是冻原区另一项头痛的事。冬天地下水结冻膨胀所产生的压力很不均匀,常使地面设施变形,地下装备压坏或扭断。另一方面,输油管内的原油必须在50℃以上的温度下才能保持畅流。不管如何保温,这些热总会有少许传导到外面;因此,如将油管埋在地下,迟早会传出热而融解冻土,油管就难保不往下陷落。经过种种考虑,工程负责人决定把油管高离地面架设。
北极区的冬夏温差高达80℃,各种工程设施不能不先预防热胀冷缩造成的损害。就拿盖房子来说吧,冬天盖好时看起来不错,到了夏天,地表膨胀,把门给封住了,出都出不去。为了避免油管因热胀冷缩而折断,工程人员设计了锯齿形的敷设法。(见刊头图)
但油管以锯齿形高架于地面上,问题并没有完全解决,高架所用的支桩仍有麻烦。夏天里,地面温度高于地下,支桩顶端所吸收的热传到地下,融解了周围冻土的地下冰,支桩失去依附便往下溜。冬天,尤其是初冬,地下温度高于地上,贴支桩的地下水由上往下流,沿支桩外壁结冰,冰在支桩壁上结紧,继续膨胀时就把支桩往上顶。如此一溜一顶,支桩又上又下的,不要多久就会使油管弯折,甚至断裂。
阿拉斯加输油管道
固定支桩固温管
要解决支桩的问题倒不难,工程师作了两种设计(如图四),最后采用的是右边那种固温管的设计。先将中空的钢桩打进地下,再套进一根密封的钢管,内装50克的液氨。夏天里,液氨吸收由上往下传的热气,蒸发成氨气,升到管顶。由于不断蒸发,压力变大,把管上端的氨气压缩成液氨,所放出的热由气冷式交换机传到大气中,凝结的液氨则下流到管底。如此一再蒸发、凝结,可使桩的地下部分维持低而均匀的温度。到了冬天,整个过程恰好反过来,氨气由下而上,与由上而下的液氨交换热量,尚未液化的氨气继续往上升,最后在顶端与外界交换热量而液化。整个设计就是利用氨的挥发、凝结,把热量由热的地方带到冷的地方,维持管内的温度均匀。只要支桩下半部的温度保持均匀,且低于冰点,让周围的冻土终年冻结,不会融解,支桩就可以固定住了。
虽然大部分的油管都高架在地面上,但在地震断层及河床地区,油管必须埋于地下以策安全。埋设时,油管下方先敷设装液氨的冷却管,再铺上一层碎石,以防油管还有少许的热会透过管壁及绝缘包装泄出时,冷却管可以吸收掉,这样就可长久维持地下层的冻结状态。为了确保冷却效果,油管每隔一段距离就要设一座小型自动冷冻厂,将液氨的冷却管向两边延伸10公里左右。油井的钻油管也有同样设计,藉外来的冷冻设备,保持管周围温度的固定。
纵穿阿拉斯加南北的输油管道
人造冰山保码头
在严寒的阿拉斯加,要使管内原油保持50℃以上,沿途必须设立加热站。在加热站有小型炼油厂及加热装备。炼油厂抽取油管内一部分原油加以炼制分离,将所得的燃料油分离送进锅炉燃烧,维持油管温度,剩余的部分则送回油管内与原油混合继续输送。因为油管所经地区多半是酷寒荒凉的冰原,不容易请到人驻厂,所以加热站都是全自动设备。
克服了重重困难,终于筑好了一条高架油管。由布鲁何湾出发,纵贯阿拉斯加,到达南岸的瓦地兹港(Valdez),全长1300公里,管径1.2公尺。在瓦地兹港,工程师利用同样的支桩建立了码头,好让接运的油轮靠岸,把油运回美国本土。谁知人算不如天算,耗资巨额建造的码头,完成不到一年就报销了。原来,冬天里,码头支桩上端冻结了一个大冰锥,一到春天,海水温度升高,支桩将这些热往上传,冰锥与支椿相接处的部分融解,就松松地套在支桩上,随着潮水或海浪上下滑动。在瓦地兹港,这种冰锥的上下滑动高达7公尺。夏天来到,这些冰锥全往上冲,就把整座码头掀掉了。
油管工程不能因此功亏一篑,工程师决定以冰治冰,弄个大一点的冰块做码头的底。大冰块终年不融,就不会有这些烦恼了。他们从港口海面结的冰底下抽取海水,喷向空中冷却,掉下的冰屯积成一座冰丘。冰丘突出海水的部分,表面直径达20公尺。整个冰丘体积极大,大到可以稳稳地坐在港湾的海底。利用这座人造冰山为支点而打桩,再将码头铺在上面,就不会重蹈覆辙了。阿拉斯加的石油现在总算可以运走了。整个工程前后耗费四年,花了77亿美元。
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