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。
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
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。
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
1.4.1 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
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
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。
(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。