埋地金屬管道高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)研究與現(xiàn)場應(yīng)用

1中國石油化工股份有限公司西北油田分公司

2中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司

3五行科技股份有限公司

4新疆柯林瑞爾科技有限責(zé)任公司

5大慶油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督評價(jià)中心

塔河油田腐蝕環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致油氣集輸管道在較短服役年限內(nèi)便產(chǎn)生腐蝕穿孔問題，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，部分集輸管道穿越水域，安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)壓力很大。為此，在復(fù)雜腐蝕環(huán)境下開展油氣集輸管道防腐修復(fù)工作尤為重要。對腐蝕嚴(yán)重管段全面開挖更換不僅成本高、耗時(shí)長，而且受建筑物或水域等管道敷設(shè)限制因素的制約，不能全面推廣[1-3]。目前常見的PE管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)可一次修復(fù)管道0.5～1.0 km[4-5]，原位固化修復(fù)技術(shù)可一次修復(fù)管道0.1～0.3 km[6]，水泥砂漿襯里修復(fù)技術(shù)可一次修復(fù)管道1.2～1.5 km[7]。上述修復(fù)技術(shù)單次修復(fù)距離短、管道修復(fù)后承壓能力低，并且不能解決長距離涉水管道修復(fù)問題。鑒于高壓連續(xù)復(fù)合軟管（HPCH）單根長（單根≤5.0 km）、承壓能力高（承壓≤6.0 MPa）、防腐性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，開展了高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)配套技術(shù)研究，以期探索內(nèi)腐蝕嚴(yán)重、長距離涉水管道的修復(fù)方法。

1 修復(fù)工藝

1.1 工藝原理

高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)是將高壓連續(xù)軟管“U”型折疊壓縮后襯入原金屬管道內(nèi)，形成內(nèi)襯非金屬管防腐性能與原金屬管道機(jī)械性能合二為一的“管中管”復(fù)合結(jié)構(gòu)。高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)原理見圖1。

圖1 高壓連續(xù)軟管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)原理Fig.1 Technical principle of HPCH lining repair technology

1.2 工藝計(jì)算

摩擦力(f)和高壓連續(xù)復(fù)合軟管軸向拉伸強(qiáng)度(F)相等時(shí)，即可計(jì)算施工長度邊界上限，即

其中L即高壓連續(xù)復(fù)合軟管一次最大施工長度，也為設(shè)計(jì)管道修復(fù)的分段點(diǎn)，以及開挖操作坑、對舊管道分段清洗位點(diǎn)。由式（1）可得

式中：L為一次施工長度，m；α為安全系數(shù)，取0.5；μ為摩擦系數(shù)，取0.8；p為高壓連續(xù)復(fù)合軟管對鋼管產(chǎn)生的壓力，N/m，DN100/PN6.0高壓連續(xù)復(fù)合軟管取20。

設(shè)備拉力應(yīng)小于高壓連續(xù)復(fù)合軟管最大拉伸載荷。

工藝計(jì)算結(jié)果：設(shè)備提供192 kN拉力時(shí)，計(jì)算最大直線施工長度為6.0 km，理論最大施工長度應(yīng)為高壓連續(xù)復(fù)合軟管最大單根長度5.0 km。

1.3 管材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)

高壓連續(xù)復(fù)合軟管由內(nèi)襯層、增強(qiáng)層、外保護(hù)層3層結(jié)構(gòu)組成。內(nèi)襯層和外保護(hù)層材質(zhì)通常為聚氨酯，增強(qiáng)層為滌綸長絲、芳綸長絲等。根據(jù)服役工況，可通過管材結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度。管材結(jié)構(gòu)見圖2，基本性能指標(biāo)見表1。

圖2 高壓連續(xù)復(fù)合軟管管材結(jié)構(gòu)Fig.2 Pipe structure of HPCH

表1 高壓連續(xù)復(fù)合軟管性能參數(shù)Tab.1 Performance parameter of HPCH

對送檢的DN100/PN6.0高壓連續(xù)復(fù)合軟管核心指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 高壓連續(xù)復(fù)合軟管核心性能參數(shù)檢測Tab.2 Core performance parameter detection of HPCH

1.4 連接方式

1.4.1 中間斷管處連接

中間斷管處連接方式如圖3所示。高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)舊管道時(shí)，斷管處通過雙公內(nèi)芯和軟管抱箍連接后，在舊管道接頭處設(shè)置包裹結(jié)構(gòu)，將高壓連續(xù)復(fù)合軟管接頭置于包裹套筒中，通過注脂孔向環(huán)形空間內(nèi)填充環(huán)氧樹脂與短纖維的混合物，混合物固化后即可實(shí)現(xiàn)斷管處緊密連接。

圖3 管道中間碰頭連接方式Fig.3 Connection mode at pipeline middle position

1.4.2 接頭碰頭連接

端點(diǎn)接頭處法蘭碰頭連接方式如圖4所示。接頭外套和接頭內(nèi)芯通過牙紋咬合高壓連續(xù)復(fù)合軟管，并通過注脂孔注入密封樹脂，對內(nèi)襯管壓實(shí)鎖緊。其中，接頭內(nèi)芯采用涂層防護(hù)，涂層厚度為450 μm。

圖4 管道端部碰頭連接方式Fig.3 Connection mode at pipeline end position

2 工藝流程

高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)施工工藝流程為：管線評估、施工準(zhǔn)備→清管掃線→操作坑開挖、斷管→焊瘤檢測→牽引穿插→打壓復(fù)原、接頭處理→試壓驗(yàn)收投運(yùn)。管道清洗、焊瘤檢測、扭矩釋放是施工作業(yè)流程關(guān)鍵控制點(diǎn)。

（1）管道清洗。鋼材表面應(yīng)無可見的油脂和污垢、附著不牢的氧化皮、鐵銹，并且沒有焊瘤焊渣，避免高壓連續(xù)復(fù)合軟管穿插施工過程被焊瘤焊渣劃傷。

（2）焊瘤檢測。檢測管道清洗光潔度，確定管道內(nèi)無焊瘤焊渣，避免高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯施工過程被焊瘤焊渣劃傷。

（3）扭矩釋放。高壓連續(xù)復(fù)合軟管與鋼絲繩連頭處安裝扭矩釋放裝置（圖5），避免高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯施工過程扭矩傳遞集中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，無法打壓復(fù)原。

圖5 扭矩釋放裝置Fig.5 Torque release equipment

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

2017年至今塔河油田先后完成了TK7222CH井等25 km高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，一次最大施工長度1.9 km。以TK7222CH井單井管道為例，該管道2013年建成投運(yùn)，材質(zhì)為20#鋼，管道設(shè)計(jì)規(guī)格DN80 mm，設(shè)計(jì)壓力PN4.0 MPa，長度3.0 km，管道起點(diǎn)、終點(diǎn)壓力分別為1.9 MPa和0.6 MPa、運(yùn)行溫度分別為60 ℃和35 ℃，輸送液量27.3 t/d。該管道采用高壓連續(xù)復(fù)合軟管4天完成內(nèi)襯修復(fù)施工，一次穿越水域1.1 km，在相同輸送量下，管線運(yùn)行起點(diǎn)、終點(diǎn)壓力分別為1.1 MPa和0.5 MPa，運(yùn)行溫度分別為60 ℃和38 ℃。從運(yùn)行結(jié)果看，在輸送量相同的條件下，高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)后雖然管徑降低，但回壓和溫度大大降低（管道前期結(jié)垢堵塞），水力熱力條件滿足生產(chǎn)要求。高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)有效地解決了環(huán)境敏感區(qū)長距離涉水管線治理難題，管道修復(fù)后設(shè)計(jì)承壓4.0 MPa，與傳統(tǒng)管道修復(fù)技術(shù)相比，施工時(shí)效提高了50%，節(jié)省工程費(fèi)用20%～30%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

4 結(jié)論與建議

（1）采用高壓連續(xù)復(fù)合軟管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)有效地解決了服役時(shí)間長、穿孔嚴(yán)重且穿越環(huán)境敏感區(qū)長距離涉水管道修復(fù)難題，消除了管道安全隱患。

（2）高壓連續(xù)軟管內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢在于地下穿越，征地面積小；施工不受環(huán)境天氣限制；修復(fù)速度快，目前一次最大施工長度1.9 km，施工速度400 m/h；管道修復(fù)后延長使用壽命15年。

（3）建議開展高壓連續(xù)復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，進(jìn)一步優(yōu)化管材結(jié)構(gòu)，降低管材成本；明確管材結(jié)構(gòu)與修復(fù)后管道承壓邊界之間的關(guān)系。