鋼質(zhì)管道的非焊接連接方式

李記科

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.西安三環(huán)科技科發(fā)總公司，西安710077）

鋼質(zhì)管道的非焊接連接方式

李記科1,2

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.西安三環(huán)科技科發(fā)總公司，西安710077）

介紹了鋼質(zhì)管道的非焊連接方式。指出傳統(tǒng)管道焊接連接時,內(nèi)表面接頭處防腐質(zhì)量難以保證，有必要開發(fā)其他的管道連接方式。介紹了Zap-Lok?接頭、Haelok接頭、適應(yīng)內(nèi)襯HDPE管集成了電熔連接內(nèi)襯層的機械壓接接頭。Zap-Lok?接頭曾有保持管道內(nèi)表面防腐層完好應(yīng)用的大量業(yè)績；電熔連接內(nèi)襯層的機械壓接接頭，專門為內(nèi)襯HDPE管的鋼管設(shè)計，且通過了加拿大油氣管道系統(tǒng)CSA Z662-11標準的驗證試驗。此兩種連接方式能有效解決油田集輸管道內(nèi)腐蝕問題，具有廣闊推廣前景。

管道；連接方式；Zap-Lok?接頭；Haelok接頭；內(nèi)襯HDPE管；電熔連接

管道用于輸送油氣介質(zhì)或者水，對管道最基本的要求是密封性（不能出現(xiàn)泄漏）、承壓能力（周向載荷），并且要能承受一定的軸向載荷（拉伸及壓縮），有時還需要抗介質(zhì)的腐蝕性。

管道焊接連接是目前油氣管道敷設(shè)最常用的鋼管連接方式。焊接接頭質(zhì)量可靠、焊接施工技術(shù)成熟，在大直徑主干線的建設(shè)中，輸送介質(zhì)已經(jīng)過處理，基本不存在管道內(nèi)腐蝕問題，所以焊接連接仍將是管道建設(shè)中不可或缺的連接方式。

油田生產(chǎn)中的集輸管道，尤其是從井口出來的單井管道，輸送介質(zhì)未經(jīng)過處理，往往具有較強的腐蝕性。有采用非金屬管材的集輸管道，但也有一些因為使用溫度、壓力強度或經(jīng)濟性等其他原因不得不采用鋼管的。鋼制集輸管道普遍采用焊接方式連接。集輸管道外徑較?。ā?68 mm），即使對鋼管內(nèi)壁進行涂、鍍層處理或內(nèi)襯非金屬層，因為焊接施工中的高溫影響，很難保持內(nèi)表面接頭處腐蝕防護層的完整性，即鋼制集輸管道很難使用涂、鍍層處理或內(nèi)襯非金屬層這種防腐蝕措施，腐蝕是造成該類鋼質(zhì)管道破壞的最主要原因。為了解決鋼質(zhì)集輸管道的內(nèi)防腐問題，有必要探討鋼質(zhì)管道的非焊連接方式。

在對海底輸送管道的維護修復中，經(jīng)常用到對鋼質(zhì)管道的非焊接方式連接。鋼質(zhì)管道的非焊接連接方式主要可分為螺紋連接、卡箍連接、法蘭連接和過盈壓接。承插方式也是一種連接方式，但此連接的密封性、承壓能力或承受軸向載荷的能力較差，本研究不做深入討論。

1 螺紋連接

GB/T 9711—2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》僅對L175P/A25P的PSL1鋼管（對應(yīng)于“美國石油學會輸送管規(guī)范API SPEC 5L 45th edition[2]”中對L175P/A25P的PSL1鋼管）要求管端加工為螺紋端，采用螺紋連接，如圖1所示。L175P是含P的低鋼級的鋼，易于切削機加工而難于焊接，可見管道輸送對螺紋連接的定位為使用壓力不高、要求不嚴的場所。這樣的規(guī)定并不是否認螺紋連接的可靠性，這與GB/T 9711或API SPEC 5L肯定對輸送管潛在的最主要的焊接連接方式相關(guān)。GB/T 9711或API SPEC 5L認為輸送管就是用于焊接的管子，不管是對輸送管化學成分的要求，如低的碳含量和碳當量，或者管端形式的要求，如所謂平端的要求實際上是保留1.6 mm鈍邊、加工成30°坡口的管端形式。實際上將油井管看作是豎著的管道，其服役條件比輸送管還要苛刻，所用的連接方式正是螺紋連接。自從特殊扣[3]設(shè)計了可以實現(xiàn)金屬密封的“鼻子”后，螺紋連接的氣密封性及綜合性能得到了極大提升，如圖2所示。

圖1 普通輸送管螺紋連接示意圖

圖2 油套管特殊扣連接示意圖

2 卡箍連接

卡箍連接[4-7]也稱溝槽連接，一種最常見的卡箍連接方式是維特利連接，如圖3所示。待連接鋼管兩端各壓制或者加工一環(huán)型凹槽，2瓣或者多瓣的卡箍通過螺栓螺母完成壓緊連接，卡箍內(nèi)有密封圈，通過卡箍壓密封圈緊實現(xiàn)連接密封。一般情況下，直徑在426 mm以下的卡箍為2瓣，只需要2個螺栓；直徑在426 mm以上的卡箍為多瓣，如4瓣時則需要4個螺栓來鎖緊。卡箍連接的承壓能力不高（一般≤1.0 MPa），在建筑、消防等系統(tǒng)中使用較多。

圖3 卡箍式連接示意圖

3 法蘭連接

除了焊接以外，法蘭連接是管道連接最常見的形式。法蘭連接時通常將法蘭盤與待連接管道焊接，然后在兩個法蘭盤間加上密封墊，用螺栓加力緊固連接在一起。法蘭連接拆卸方便、強度高、密封性能好。適宜于較大直徑（50～315 mm）管道的連接。

4 過盈壓接

過盈壓接的連接方式與承插連接基本相似，但在接頭設(shè)計中考慮并利用了連接件間的過盈配合，可以使接頭承受較大的軸向載荷，這在油田集輸管道中的應(yīng)用很有意義。

4.1 Zap-Lok?接頭

Zap-Lok?接頭實際就是承插口的連接，如圖4所示，是利用連接件間過盈配合的承插式連接。在工廠對鋼管的一端通過液壓方式脹出“承口”，在另外一端“縮出插口”?，F(xiàn)場施工時通過專用設(shè)備，將“插口”強力壓入“承口”，承口、插口之間的過盈配合完成管道連接。這種連接方式可降低25%～30%的陸地管道建設(shè)費用、45%～60%的海上管道建設(shè)費用[8]。實際連接時連接件的性能、“承口”的內(nèi)徑、“插口”的外徑、相互配合的軸向長度是影響連接可靠性的決定因素，同時對“承口”的內(nèi)表面、“插口”外表面涂抹專用環(huán)氧樹脂更能保證連接的可靠性。這種接頭不會破壞鋼管內(nèi)表面的防腐層，還可以保證整個管道的防腐性能，這在油田集輸管道建設(shè)中非常有優(yōu)勢。

圖4 Zap-Lok?接頭示意圖

薄壁管焊接時易于燒穿，為了防止薄壁管焊接時的燒穿，開發(fā)了Zap-Lok?接頭用于代替對低壓薄壁管的焊接。后來貝克休斯公司（Baker Hughes）鋼管防腐部門購買了該技術(shù)用于對鋼管內(nèi)表面塑性涂覆管的連接。1992年貝克休斯將該技術(shù)賣給了私人投資商，后者對該技術(shù)進行了廣泛推廣，開發(fā)了專門的Zap-Lok?接頭施工機，如圖5和圖6所示[8]。通過一系列的內(nèi)壓、內(nèi)壓爆破、內(nèi)壓+拉伸試驗評價[8-10]，證明該連接技術(shù)可靠，該技術(shù)已應(yīng)用于外徑Ф50.8～304.8 mm（2～12 in）、 壁厚 17.5 mm（0.688 in）X60 鋼級的無縫管和HFW鋼管。

圖5 Zap-Lok?接頭連接機

圖6 Zap-Lok?接頭陸地施工

對X52鋼級、Ф219 mm x 5.6 mm Zap-Lok?接頭連接的鋼管進行了承壓爆破試驗和拉伸試驗，試驗結(jié)果見表1、表2[8]。

表1 Zap-Lok?接頭連接鋼管壓力試驗結(jié)果

表2 Zap-Lok?接頭連接鋼管拉伸試驗結(jié)果

Zap-Lok公司曾用這種連接方法在10年內(nèi)敷設(shè)了將近30 000 km管線，20世紀80年代中期，美國Panhomdle、Eastern管道公司，對埋地超過7年的8個接頭進行了相關(guān)試驗，證明了管接頭的耐壓強度超過管線最低屈服極限，接頭整體抗拉強度超過最低強度極限，接頭處的環(huán)氧密封環(huán)非常完好。20世紀80年代末期，中國石油工程技術(shù)研究院與遼河油田油建二公司合作進行了管線壓接技術(shù)研究，在遼河油田進行了相關(guān)的工程試驗，壓接300 m架空管線和4條井口管線獲得成功。1994年7月使用該連接技術(shù)在大港油田采油二廠敷設(shè)了0.5 km規(guī)格Ф76 mm×6 mm(16 MPa)內(nèi)涂層注水生產(chǎn)管線，試驗一次合格并且順利投產(chǎn)，運行正常[11]。

4.2 Haelok接頭

2004年瑞士RK HAELOK公司開發(fā)了Haelok管道連接接頭，該接頭可用于碳鋼、不銹鋼和其他金屬材料管道的連接，適用Ф4～Ф164 mm，密封壓力最高至 14 MPa，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。連接器包括兩個外擠壓環(huán)和一個基體。安裝時通過專用加載機具安裝。專用夾具推動壓力環(huán)軸向運動，基體密封環(huán)收縮、擠壓管道最后形成可靠的金屬密封面，如圖8所示。HAELOK快速連接器具有安裝速度快、密封性能可靠、適用較大溫度范圍的特點，廣泛應(yīng)用于化學和石油工業(yè)、制藥業(yè)、食品業(yè)等。

圖7 瑞士海爾納Healok連接器示意圖 （左邊連接前、右邊連接后）

圖8 安裝前的卡壓式連接器

圖9 海底管道修復過程示意圖

2011年以來，哈爾濱工程大學受海洋石油工程股份公司委托開展有關(guān)較大直徑管道非焊接連接技術(shù)的研究以備海底管道的應(yīng)急維修，海管維修如圖9所示，其接頭開發(fā)基本思路借鑒Haelok管道連接接頭，目前已開發(fā)出了連接接頭、專用連接工具并對接頭性能進行了試驗，按照DNVSTANDARD FOR CERTIFICATION-Type Approval Programme標準進行了機械連接器認證[12]。采用Q325B材質(zhì)加工的連接器，連接直徑219.1 mm（8 in）20鋼管道材質(zhì)進行試驗，采用接頭可滿足2 MPa氣體介質(zhì)（試驗采用氮氣）的密封；水壓試驗至10 MPa系統(tǒng)未出現(xiàn)壓力下降，水壓試驗至11 MPa接頭出現(xiàn)輕微軸向位移、系統(tǒng)發(fā)生壓力下降、但未出現(xiàn)液體泄漏；試驗在2 MPa內(nèi)壓、外載荷75.4 kN的拉伸載荷作用下，接頭密封完整（試件沒有泄露、壓力表讀數(shù)沒有下降、連接器和管道沒有相對位移）；連接器在2 MPa內(nèi)壓、單邊振幅為 0.097 mm、頻率為 20 Hz的振動載荷作用下，經(jīng)過107次加載后，接頭依然密封完整。

4.3 適應(yīng)內(nèi)襯HDPE管的卡壓接頭

管道內(nèi)腐蝕是油田集輸管道損壞的重要形式，為解決管道的內(nèi)腐蝕，柔性復合材料管獲得了廣泛應(yīng)用，但這一般僅限于直徑＜152.4 mm（6 in）的管道。直徑較大管道，通常采用管道敷設(shè)現(xiàn)場鋼管內(nèi)襯塑性管的形式解決管道內(nèi)防腐蝕問題。現(xiàn)場內(nèi)襯施工環(huán)境差、費用高、工作強度大。Dave McColl[13]介紹了一種適用于內(nèi)襯HDPE管，集成了電熔連接內(nèi)襯層的機械壓接接頭，如圖10所示。設(shè)計的接頭由芯套和壓環(huán)的配合實現(xiàn)外邊鋼管的連接、電熔裝置完成內(nèi)襯管的熔接。芯套為壓環(huán)提供內(nèi)支撐、通過芯套的搭橋?qū)筛摴芄芏诉B接起來，芯套和壓環(huán)的設(shè)計與鋼管產(chǎn)生干涉，對管頭的擠壓產(chǎn)生接頭連接所需的摩擦和密封。鋼管連接完成后，內(nèi)管電熔連接器通電啟動熔接內(nèi)部襯管，整個接頭連接完成。為了增加密封性，芯套外表面設(shè)計了凸起的齒環(huán)，通過芯套、壓環(huán)、鋼管干涉嚙合密封。

圖10 集成了電熔連接內(nèi)襯層的機械壓接接頭

對設(shè)計的 Ф168 mm×4 mm(6 in×0.158 in)鋼管接頭依照CSA Z662-11標準（加拿大標準 油氣管道系統(tǒng)）進行了驗證試驗。拉伸試驗在1163 kN載荷時觀察到接頭有很小位移，隨后從離開接頭的管體斷裂。壓縮試驗在1140 kN載荷時從擴徑部分的管體處局部屈曲。建立于管道在最高壓力和最低壓力時承受的Von Mises應(yīng)力幅的疲勞試驗，分3組應(yīng)力幅進行總共7次疲勞試驗，結(jié)果見表3，其中2次試驗因為試樣有瑕疵（隨后試樣去除了該瑕疵）未達要求循環(huán)次數(shù)，此2次試驗結(jié)果無效；其余5次試驗過程中未發(fā)生泄漏、損壞或者其他機械退化（磨損、變形或分離）。該接頭通過了彎曲試驗。

表3 HDPE管卡壓接頭疲勞試驗結(jié)果

進行了氮氣密封性試驗，結(jié)果見表4。靜水壓爆破試驗結(jié)果全部通過，結(jié)果見表5。氮氣密封試驗剛開始時壓力下降，隨后逐漸穩(wěn)定。壓力下降的原因是氣體密封試驗的試樣是經(jīng)過疲勞試驗的試樣，試樣中有殘存水，密封試驗中高壓下氮氣溶于水造成了壓力下降，如圖11所示。

表4 HDPE管卡壓接頭氮氣密封性試驗結(jié)果

表5 HDPE管卡壓接頭靜水壓爆破試驗結(jié)果

圖11 氮氣密封試驗壓力時間曲線

5 結(jié) 語

管道連接除了焊接方式外，還有承插連接、螺紋連接、法蘭連接、接箍連接、過盈壓接等等。從本研究對不同連接形式進行了介紹，Zap-Lok?接頭曾有大量保持管道內(nèi)表面防腐層完好的應(yīng)用業(yè)績，適應(yīng)內(nèi)襯HDPE管集成了電熔連接內(nèi)襯層的機械壓接接頭專門為內(nèi)襯HDPE管的鋼管設(shè)計、且通過了CSA Z662-11標準（加拿大標準 油氣管道系統(tǒng)）的驗證試驗，為解決油田集輸管道內(nèi)腐蝕問題，此兩種連接方式在油田建設(shè)中有廣闊推廣前景。

[1]GB/T9711—2011，石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

[2]API SPEC 5L 45th，美國石油學會輸送管規(guī)范[S].

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Weldless Welding Connection Type of Steel Pipeline

LI Jike1,2

（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.Xi’an Tri-circle Technology Development Corporation,Xi’an 710077,China）

In this article,it introduced steel pipeline weldless welding connection type.It pointed that when using traditional pipe welding connection,the anticorrosion quality of inner surface joint was difficult to be guaranteed,it was necessary to develop other pipeline connection ways.It also introduced Zap-Lok?joint,Haelok joint,and mechanical joint adapting lining HDPE pipe,which integrated electric smelting connecting inside liner.Zap-Lok?joint kept anticorrosive coating in good application results of the pipe inner surface;mechanical joint designed for lining HDPE pipe,it passed verification test of CSA Z662-11 standard（Canadian standards of oil and gas pipeline system）.The two connection ways can effectively solve the problem of internal corrosion of oil field gathering pipeline,it will have broad popularization prospect.

pipeline;connection type;Zap-Lok?joint;Haelok joint;lining HDPE pipe;electric smelting connection

TG973

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.004

李記科（1965—），主要從事石油管材及裝備的監(jiān)督檢驗、質(zhì)量保證、科研和技術(shù)服務(wù)等工作。

2016-04-02

汪翰云