凍土區(qū)油氣管道保溫技術現(xiàn)狀

蔣林林，潘麗紅，韓文禮，張紅磊

1.中國石油集團工程技術研究院，天津300451

2.CNPC石油管工程重點實驗室-涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室，天津300451

3.中國石油華北油田公司基建工程部，河北任丘062552

凍土區(qū)油氣管道保溫技術現(xiàn)狀

蔣林林1，2，潘麗紅3，韓文禮1，2，張紅磊1，2

1.中國石油集團工程技術研究院，天津300451

2.CNPC石油管工程重點實驗室-涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室，天津300451

3.中國石油華北油田公司基建工程部，河北任丘062552

在國內(nèi)外油氣管道建設中，部分管道要穿越凍土區(qū)，對管道保溫技術提出了更高的要求。國內(nèi)在這方面的研究工作與國外相比，存在較大差距。文章以漠河-大慶段原油管道為例，介紹了國內(nèi)保溫管道預制和補口技術；以阿拉斯加原油管道為例，介紹了國外架空和埋地管道保溫技術；從保溫材料和生產(chǎn)線、保溫熱力學分析和軟件開發(fā)等方面介紹了國外保溫技術的新進展；最后著重分析了管道補口施工過程中存在的問題，提出了改進建議。

油氣管道；凍土區(qū)；保溫管；補口；技術現(xiàn)狀

近年來開展的油氣管道建設，部分管道要穿越凍土區(qū)，需要在寒冷環(huán)境下施工。凍土區(qū)管道建設面臨的工程技術難題主要是凍脹與融沉。通常防止融沉的做法包括熱管技術、架空鋪設、人工制冷法埋設、安裝地下管道支撐裝置或沿管道鋪設工作墊層等[1-4]，但對管道進行有效保溫使管道散熱損失合理，是實施各種防融沉技術的前提條件。國內(nèi)最近幾年才開始大口徑長輸管道工程穿越凍土區(qū)的研究，與國外相比，從材料選擇、方案設計到工程應用經(jīng)驗都存在較大差距。本文對國內(nèi)外凍土區(qū)油氣管道的保溫技術進行介紹，旨在為凍土區(qū)油氣保溫管道工程的設計和施工提供參考。

1　國內(nèi)凍土區(qū)油氣管道保溫技術狀況

國內(nèi)穿越凍土區(qū)的油氣管道主要有格爾木-拉薩成品油管道（簡稱格拉線）、中俄原油管道漠河-大慶段管道（簡稱漠大線）。格拉線是迄今為止中國最長、世界上海拔最高的輸送成品油的固定管道[5-6]。漠大線是國內(nèi)第一條通過多年凍土區(qū)的大口徑長輸原油管道，穿越大興安嶺不連續(xù)多年凍土區(qū)的長度達441 km[7]，漠河至加格達奇之間的凍土、低洼、沼澤地區(qū)超過70 km管道的設計采用了預制直埋保溫管。以漠大線為例，著重介紹其保溫管的預制工藝及保溫補口技術。

1.1漠大線保溫管預制工藝

漠大線預制直埋保溫管防腐保溫層由防腐層、保溫層、防護層組成，其中防腐層采用三層結(jié)構(gòu)聚乙烯（3PE普通級），保溫層采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（厚80 mm），防護層采用高密度聚乙烯塑料（厚12 mm）。保溫管預制采用“管中管”成型、端頭傾斜注料工藝。具體工藝如下：在防腐管外表面等間距安裝支撐塊后，將其穿入高密度聚乙烯外護管中；轉(zhuǎn)運至發(fā)泡平臺，采用液壓法蘭進行兩端封堵；調(diào)整發(fā)泡平臺，使其處于傾斜狀態(tài)，傾角約15°；高壓發(fā)泡機調(diào)試完成后，在傾斜保溫管的高端處注料，注料完成后將其調(diào)至水平狀態(tài)進行發(fā)泡；待泡沫固化后，開啟兩端液壓封堵；端頭二次處理，安裝防水帽。

1.2漠大線保溫補口技術

漠大線穿越凍土、低洼、沼澤地區(qū)，需要冬季施工，保溫補口環(huán)境溫度較低，不適合采用現(xiàn)場發(fā)泡工藝進行保溫層補口。保溫層補口采用預制保溫瓦塊捆扎的方式進行，由3塊120°與主管體同材質(zhì)的硬質(zhì)聚氨酯泡沫瓦塊拼接而成，拼接采用子母扣連接方式，性能指標滿足GB/T 29047-2012《高密度聚乙烯外護管硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料預制直埋保溫管及管件》中相關規(guī)定?，F(xiàn)場補口工藝為：管道接口預熱，預熱溫度50～70℃；管道接口除銹及補口防腐層表面處理；無溶劑環(huán)氧涂料，黏彈體防腐層補口；安裝聚氨酯保溫瓦3塊拼接成補口保溫層，并加以固定；采用捆扎帶安裝電熱熔套（厚12 mm），電熱熔套兩端與管道防護層搭接寬度不小于100 mm，接通電源熱熔焊接；電熱熔套軸向搭接焊縫及其兩端與管道外護層的搭接焊縫均采用黏彈體膠條進行密封，再采用聚丙烯膠帶進行外防護。

2　國外凍土區(qū)油氣管道保溫技術狀況

國外油氣管道穿越多年凍土區(qū)的工程較多，包括穿越加拿大西部和美國阿拉斯加中南部的克努爾（Canola）成品油輸送管道、加拿大羅曼井（Norman Wells）輸油管道、美國阿拉斯加天然氣管道、美國阿拉斯加原油管道等。近年來，凍土區(qū)管道建設又有了很大進展，如俄羅斯的西伯利亞油氣管道，其中東西伯利亞-太平洋原油管道長度超過4 000 km，Bovanenkovo-Ukhta輸氣管道長約1 000 km，管徑達到1 422 mm（56 in），鋼材為X80；加拿大擬建Mackenzie輸氣管道長約1 200 km。此外凍土區(qū)的管道建設還向海底延伸，如BP公司于2001年在阿拉斯加波弗特灣建成連接北極近海油田到陸地的首條海底管道，Bovanenkovo-Ukhta管道工程還包括71 km的海底管道建設。具有典型性的是1977年建成的阿拉斯加原油管道（TAPS）。

阿拉斯加原油管道通過永凍土地區(qū)的管道大約有681 km是架空敷設的，保溫管道架設在8萬多個裝有散熱片的液氨“熱管”系統(tǒng)的管架上；其余約600 km管道是埋在地下敷設的，其中有大約6 km的管道采用兩邊帶有冷凍液體伴冷管的敷設方式[8-10]。

2.1TAPS工程架空管道保溫技術

架空鋪設的管道，采用約250 μm厚的環(huán)氧粉末涂層作為防腐層，采用95 mm厚的玻璃棉氈作為保溫層，采用鍍鋅鐵皮作為外護層。為防止保溫層滑動，架空管道在原有環(huán)氧粉末涂層上涂了一層復合無機涂料，使其與外面的保溫層相黏結(jié)。常規(guī)支撐架和固定支撐架上所用的保溫材料，都是采用模鑄形成了半圓殼式，保溫材料采用聚氨酯泡沫分層鑄成，中間夾有一層玻璃纖維，以增加強度。兩個管架之間直管段的保溫材料做成板狀。每塊保溫板采用3種不同密度的玻璃纖維制成，與管道直接接觸的是一種高密度的玻璃纖維，其他兩種是中等密度纖維和半硬質(zhì)纖維層，構(gòu)成主要保溫層。保溫板之間緊密對接，在接口外面用一條低密度玻璃纖維層箍緊，外包一圈鍍鋅鐵皮，起著搭接作用，搭接部分采用錐形螺絲固定。鍍鋅板上鉆滲水孔，用于排除內(nèi)部積水，安裝時置孔于管道底部。兩節(jié)直管段保溫層之間的搭接方式有剛性和柔性之分，剛性連接先采用瑪蹄脂密封膠密封，再用低密度玻璃纖維壓緊，然后采用270 mm寬的薄鋼帶箍緊，鋼帶兩側(cè)與鍍鋅鐵皮搭接的部分采用螺栓固定；柔性連接采用低密度玻璃纖維制成的波紋狀伸縮節(jié)與兩側(cè)直管的保護層用不銹鋼鋼帶箍緊，再用螺栓與兩側(cè)的鍍鋅鐵皮進行固定[10]。

2.2TAPS工程埋地管道保溫技術

埋地鋪設的管道，采用約250 μm厚的環(huán)氧粉末涂層作防腐層，視土壤性質(zhì)在環(huán)氧粉末涂層之外再包覆一層膠黏帶，采用75～100 mm厚的聚氨酯泡沫作為保溫層，其性能指標為：密度56 kg/m3；常溫下的徑向抗壓強度不小于0.25 MPa，軸向抗壓強度不小于0.16 MPa；導熱系數(shù)小于0.029 W/（m·K）。外護層采用5 mm厚的硬質(zhì)聚乙烯塑料。聚氨酯保溫層均噴涂瀝青防水密封層。保溫層根據(jù)管徑大小由3～4塊保溫瓦組成，保溫瓦外部是硬質(zhì)聚乙烯保護套，聚乙烯保護套的直縫處有一道翻邊，保溫瓦拼起來即形成管道保溫層。保溫瓦的軸向接頭處，采用100 mm寬的聚乙烯帶箍緊。所有軸向的法蘭接縫和起箍緊作用的聚乙烯帶都用聚乙烯焊條焊接，確保系統(tǒng)的絕對密封。

2.3凍土區(qū)管道保溫技術新進展

2.3.1保溫材料和生產(chǎn)線

Bovanenkovo-Ukhta埋地管道采用不同的保溫措施，第一段管道總體無保溫層，只在穿越溪流、河流和航道處，管道有環(huán)狀保溫層，由泡沫聚苯乙烯材料采用擠出法形成；第二段管道全部采用保溫層；第三段與第一段相同。海底管道采用保溫層。

除了比較傳統(tǒng)的管道保溫材料用于凍土區(qū)管道的保溫外，一些新材料也得到進一步開發(fā)，如基于苯乙烯熱塑彈性合金（Styrenic Alloy）的保溫材料已形成新型保溫系統(tǒng)[11]，適用于深水和極地地區(qū)的管道保溫。

蜂窩混凝土（Cellular Concrete，也稱發(fā)泡混凝土，F(xiàn)oam Concrete）[12]，其原料為波特蘭水泥、水、發(fā)泡劑，可根據(jù)強度要求，加入適量粉煤灰、纖維等材料，一般不含砂石骨料。作為保溫材料，其特點是質(zhì)輕（濕密度400～600 kg/m3）、強度高（28 d抗壓強度0.71～1.98 MPa）、耐火、耐用（使用壽命比發(fā)泡保溫材料約高4倍），導熱系數(shù)0.075～0.097 W/（m·K），此外高pH值（9.4～13）可有效防止鋼管受腐蝕。施工方式包括預制或現(xiàn)場澆注，適用于寒冷和極寒冷地區(qū)管道和設備的保溫。

近年來國外保溫管預制施工技術有了很大的發(fā)展。丹麥LOGSTOR的全自動聚氨酯泡沫噴涂技術是世界領先的獨家綠色低碳技術，高密度聚乙烯外殼纏繞技術較傳統(tǒng)的聚乙烯外護管擠出工藝大幅度提高了生產(chǎn)效率。全自動聚氨酯泡沫噴涂技術和高密度聚乙烯外殼纏繞技術大幅度提高了高密度聚乙烯外護保溫管的預制速度，目前國內(nèi)尚未獨立掌握該技術。LOGSTOR熱塑材料焊接補口系統(tǒng)技術通過電腦控制的熱塑焊接工藝，將補口與高密度聚乙烯外護管緊密焊接在一起，可最大限度地提高補口質(zhì)量，是目前世界領先的最可靠的補口技術。但尚沒有發(fā)現(xiàn)上述技術在凍土區(qū)保溫管道工程中應用的相關報道或資料，尤其是保溫補口需要在寒冷環(huán)境下施工，該技術的適用性有待驗證。

2.3.2凍土區(qū)管道的保溫熱力學分析和軟件開發(fā)

隨著計算機技術的發(fā)展，在研究凍土區(qū)埋地管道溫度場方面，數(shù)值模擬方法已成為有效手段，考慮的影響因素越來越全面、細致，不僅可模擬靜態(tài)的管-土溫度場耦合作用；而且可模擬土壤凍融的相變過程，并考慮太陽輻射變化、氣溫季節(jié)變化以及管道地面雪覆蓋層的變化等因素。

加拿大GEO-SLOPE公司開發(fā)的Geo Studio TEMP/W軟件在國際上有較高的知名度，可用于分析由埋地管道傳熱引起的凍土帶凍融問題，評估保溫措施的功能和效果，為凍土區(qū)管道保溫設計提供指導。

Basel Abdalla等[13]近年開發(fā)的三維有限元綜合模型已成功應用于模擬管道與周圍凍土之間的熱力學相互作用，給出對傳熱、土凍融和管道變形計算的更好結(jié)果。

3　存在的問題及建議

阿拉斯加原油管道、漠大線以及常用的直埋油氣管道保溫結(jié)構(gòu)均采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料+聚乙烯塑料。阿拉斯加原油管道埋地保溫管道是采用預制好的帶聚乙烯外護層的聚氨酯保溫瓦拼接而成，外護層采用塑料焊進行焊接，施工技術復雜，施工效率較低。國外現(xiàn)有預制工藝大大提高了施工效率；漠大線的預制直埋保溫管用聚乙烯管作外護管、聚氨酯泡沫為保溫層，采用“管中管”工藝生產(chǎn)，簡化了工藝，補口處采用電熱熔套密封，提高了施工效率，代表了國內(nèi)最新的施工工藝。

聚氨酯泡沫塑料屬硬質(zhì)材料，采用硬質(zhì)聚氨酯瓦塊補口可能存在以下問題：

（1）保溫管在預制過程中的留頭長度是一個范圍值，而不是一個定值，導致補口長度也是一個范圍值。聚氨酯保溫塊補口解決了現(xiàn)場溫度低發(fā)泡困難的問題，但是保溫塊的批量生產(chǎn)使保溫塊的長度是一個定值，補口長度與保溫塊長度的不一致，給現(xiàn)場安裝帶來很大的不便，保溫塊現(xiàn)場切割會影響到保溫補口的施工效率和施工質(zhì)量。在保溫管預制過程中嚴格控制留頭長度，使其為一個定值，可使上述情況得到有效改善，但對保溫管預制提出了較為嚴格的要求。

（2）聚乙烯電熱熔套和聚氨酯泡沫保溫塊均屬硬質(zhì)材料，在補口過程中兩者很難緊密貼合在一起，縫隙的存在會影響到整個補口的保溫效果。

（3）硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫塊子母扣連接方式對尺寸要求比較高，在拼接過程中存在結(jié)合不緊密的情況，需要進行填縫處理，使施工效率降低，如果不進行處理，則會影響補口的保溫效果。

綜合目前凍土區(qū)油氣管道保溫技術的現(xiàn)狀，針對凍土區(qū)保溫管道工程提出以下幾點建議：

（1）保溫管預制在工廠內(nèi)進行，受施工環(huán)境的影響較小，可采用全自動聚氨酯泡沫噴涂技術和高密度聚乙烯纏繞技術來提高生產(chǎn)速度，縮短工期。

（2）熱塑材料焊接補口系統(tǒng)技術采用電腦控制焊接工藝，較人工控制可有效提高施工質(zhì)量，需要驗證其在寒冷環(huán)境下施工的適用性。

（3）補口處保溫材料的選擇與管體保溫材料的選擇相比，較為靈活多樣，補口面積較小，對強度要求可適當降低，考慮采用柔性保溫材料進行補口，如聚乙烯泡沫塑料、二氧化硅氣凝膠保溫氈等。柔性保溫材料可以在較大范圍內(nèi)適應補口尺寸的變化，現(xiàn)場切割較硬質(zhì)材料方便，可提高施工效率，改善保溫效果。當采用柔性保溫材料進行補口時，可以采用單一材料或是復合結(jié)構(gòu)補口，外護層宜選用電熱熔套、電熱熔套+熱收縮套。

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Current Status of Thermal Insulation Technology of Oil and Gas Pipelines in Permafrost Regions

Jiang Linlin1，2，Pan Lihong3，Han Wenli1，2，Zhang Honglei1，2
1.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China
2.Research Division of Anticorrosion Coating and ThermalInsulation Structure，CNPC Key Laboratory of Tubular Goods Engineering，Tianjin 300451，China
3.Construction Engineering Department，PetroChina HuabeiOilfield Company，Renqiu 062552，China

In oil and gas pipelines construction，a part of pipelines cross permafrost regions，which need higher thermal insulation technology.There is considerable disparity between China and foreign countries in this research field.This paper introduces the technology of domestic thermal insulated pipe prefabrication and field joint coating by taking Mohe-Daqing Crude Oil Pipeline as an example；the foreign insulation technology of supported and buried thermal pipelines by taking Trans-Alaska Pipeline System as an example；the new foreign thermal insulation technology development in aspects of materials，production line，thermodynamics analysis and software development.Finnaly it analyzes the problems existing in field joint construction and brings forward improvement suggestions.

oiland gas pipelines；permafrost region；thermalinsulated pipe；field joint coating；current status of technology

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.010

蔣林林（1985-），男，山東東營人，工程師，2009年畢業(yè)于華中科技大學熱能工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事儲罐、管道防腐保溫的研究工作。

2013-11-21