油氣管道穿路套管存在問(wèn)題與必要性分析

賈光猛

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司,　河北　任丘　062552

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油氣管道穿路套管存在問(wèn)題與必要性分析

賈光猛

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司,河北任丘062552

摘要：為提高工程技術(shù)人員對(duì)油氣管道穿路套管必要性的認(rèn)識(shí),通過(guò)分析油氣管道穿路套管對(duì)陰極保護(hù)、工程造價(jià)、施工難度的影響以及套管設(shè)置目的、直埋管道受力等,同時(shí)結(jié)合國(guó)外油氣管道穿路常用做法及套管處腐蝕監(jiān)測(cè)創(chuàng)新技術(shù),表明穿越段管道屈服強(qiáng)度計(jì)算法確定的管材及壁厚均能通過(guò)土壓及車輛載荷產(chǎn)生的應(yīng)力校核,套管的應(yīng)用會(huì)對(duì)穿越段管道造成不良影響。因此,設(shè)計(jì)人員在套管設(shè)置必要性方面應(yīng)慎重,不能盲目采用套管。

關(guān)鍵詞：套管；屏蔽；應(yīng)力分析；腐蝕監(jiān)測(cè)

0前言

近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)油氣管道建設(shè)不斷推進(jìn),套管作為油氣管道穿越公路的保護(hù)性措施得到大量應(yīng)用。但套管的設(shè)置不僅提高了工程造價(jià)、增加了施工難度、延長(zhǎng)了施工時(shí)間,而且由于套管的屏蔽作用,穿越處管道成為腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),同時(shí),國(guó)內(nèi)穿路套管基本處于無(wú)檢測(cè)、無(wú)維護(hù)、無(wú)管理的失控狀態(tài)[1],因此工程技術(shù)人員特別是設(shè)計(jì)人員在油氣管道穿路套管必要性分析與套管類型選擇方面應(yīng)慎重考慮,不能盲目增加套管。

1穿路套管應(yīng)用存在的問(wèn)題

1.1穿路套管對(duì)陰極保護(hù)影響

油氣管道穿路套管主要有帶外防腐層的鋼套管、無(wú)防腐層的鋼套管、鋼筋混凝土套管。根據(jù)套管穿越工藝要求,套管兩端需采用柔性的防腐防水材料密封,但實(shí)際工作中往往密封不好,造成大量水、泥漿和其他電解質(zhì)侵入[2]。日積月累,這些物質(zhì)在套管與被保護(hù)管道之間的環(huán)形空間形成潛在的電解質(zhì)。

帶防腐層的鋼套管由于外防腐層具有較高的電阻率,陰極保護(hù)電流幾乎不能穿過(guò)套管防腐層到達(dá)被保護(hù)管道,造成電屏蔽,必須在套管內(nèi)部安裝犧牲陽(yáng)極[3]。對(duì)于無(wú)防腐層的鋼套管,由于可能存在套管與被保護(hù)管道的環(huán)形空間內(nèi)浸入電解液或泥土，套管與被保護(hù)管道短路等情況[4],這些情況對(duì)管道的腐蝕控制產(chǎn)生影響,張珂等人[5]、周衛(wèi)軍等人[6]進(jìn)行過(guò)詳細(xì)介紹。

而對(duì)于鋼筋混凝土套管,部分設(shè)計(jì)人員認(rèn)為其會(huì)對(duì)陰極保護(hù)產(chǎn)生屏蔽,因?yàn)殇摻罨炷撂坠茉谄涓稍飼r(shí),是不良導(dǎo)體,電阻率較大。但套管通常埋設(shè)于地下2～5 m范圍內(nèi),受周圍潮濕的土壤影響具有一定濕度,套管內(nèi)的硅酸鹽與水形成導(dǎo)電性鹽基性溶液,使鋼筋混凝土套管成了較好的導(dǎo)電物質(zhì),電阻率常達(dá)100～200 Ω·m,因此,鋼筋混凝土套管不會(huì)對(duì)被保護(hù)管道造成屏蔽。

1.2穿路套管大幅度提高工程造價(jià)

1.3穿路套管施工存在問(wèn)題

實(shí)際施工中,如果是小管徑的管道,重量比較輕,穿套管時(shí)較容易控制；如果是大管徑的管道,由于單根質(zhì)量達(dá)到4～5 t,自重較大,若施工質(zhì)量控制不嚴(yán),穿套管時(shí)往往容易劃破管道防腐層[8],而且套管內(nèi)管道由于信號(hào)屏蔽無(wú)法檢測(cè)防腐層破壞情況。同時(shí),由于套管內(nèi)徑比管道外徑大至少300 mm[9],鋼筋混凝土套管內(nèi)徑通常為2 m,大大增加了施工的難度。由于現(xiàn)在施工時(shí)都要求保證“凈暢寧”,增大施工難度,勢(shì)必引起施工時(shí)間的延長(zhǎng)、交通的阻塞、噪音的增加,不僅給附近居民的生活帶來(lái)不便,而且嚴(yán)重影響工程總體進(jìn)度。

2穿路套管必要性討論

2.1穿路套管設(shè)置目的

按照美國(guó)早期管道工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)施工技術(shù),當(dāng)管道在公路和鐵路下穿越時(shí),管道外應(yīng)當(dāng)用比其更大管徑的套管加以保護(hù)。早期的原油管道一般管徑比較小,最大管徑只有8″(DN 200),并且采用熟鐵或者裸鋼制造的管段用螺紋接箍連接。因此,原油管道發(fā)生外腐蝕和內(nèi)腐蝕事故是常有的事情。因?yàn)楣艿廊菀装l(fā)生泄漏事故,所以最初在公路和鐵路下穿越的管段使用穿路套管,這樣,當(dāng)穿路套管發(fā)生腐蝕穿孔需要更換時(shí),就不需要開(kāi)挖了。當(dāng)然,這樣的套管也能夠防止泄漏的原油破壞公路或者鐵路的路基。同時(shí),采用穿路套管能夠在一定程度上減輕油氣管道承受的車輛荷載,降低管道損壞的風(fēng)險(xiǎn)[10]。隨著公路與管道建設(shè)的不斷發(fā)展,考慮到上述因素,越來(lái)越多的公路和鐵路下穿越的管段安裝了套管。

此外,在管道項(xiàng)目的具體實(shí)施過(guò)程中,公路管理部門出于公路自身安全以及公路開(kāi)挖對(duì)交通造成影響的考慮,要求管道建設(shè)單位頂管穿越公路,僅有少量公路允許開(kāi)挖帶套管穿越。

2.2穿越段直埋管道應(yīng)力分析

對(duì)于直埋管道應(yīng)力分析,肖治等人[11]在1988年曾做過(guò)現(xiàn)場(chǎng)車輛碾壓試驗(yàn),該試驗(yàn)采用80 kN解放載重汽車、自重為350 kN吊車、20 kN重拖拉機(jī)等以快、慢、剎車等狀態(tài)反復(fù)碾壓埋深0.8 m的Φ 273.1×7鋼管,結(jié)果表明鋼管有足夠的剛度和強(qiáng)度以抵消車輛的影響。

我國(guó)公路分為高速、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)及四級(jí)公路。各級(jí)公路橋涵設(shè)計(jì)的汽車載荷等級(jí)為高速公路、一級(jí)公路為公路-1級(jí),其他等級(jí)公路采用公路-2級(jí),公路-1級(jí)和公路-2級(jí)汽車載荷采用相同的車輛載荷標(biāo)準(zhǔn)值,即無(wú)論是高速公路穿越,還是一級(jí)至四級(jí)公路穿越,計(jì)算中采用的車輛荷載值均相同,車輛重力標(biāo)準(zhǔn)值為550 kN(車輛載荷質(zhì)量55 t)。按JTG B 01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,車輛后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)前軸、中軸最重為2×140 kN,后輪著地寬度及長(zhǎng)度為0.6 m×0.2 m,因此,車輪均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為583 kPa。根據(jù)API RP 1102《鋼質(zhì)管道穿越鐵路和公路推薦作法》,考慮管道無(wú)套管敷設(shè)最不利條件,公路路面類型選擇無(wú)路面,車軸類型為雙軸,公路路面類型系數(shù)R和車輪車軸組合系數(shù)分別取值1.20、0.80。

以兩個(gè)典型輸氣管道項(xiàng)目為例,管道相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1穿越段直埋管道應(yīng)力分析所用管道設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目管徑/mm壁厚/mm壓力/MPa設(shè)計(jì)系數(shù)管道安裝閉合溫度/℃管道輸送介質(zhì)溫度/℃土壤反作用模量/MPa土壤彈性模量/MPa內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力?σ㊣h/MPa內(nèi)壓與溫度變化產(chǎn)生的軸向應(yīng)力?σ㊣a/MPa181314.0100.60203.434280.3674.252219.15.640.60203.43436.11-25.73

根據(jù)API RP 1102《鋼質(zhì)管道穿越鐵路和公路推薦作法》推薦計(jì)算方法[12],對(duì)影響管道的土壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力、車輛載荷產(chǎn)生的環(huán)向循環(huán)應(yīng)力與軸向循環(huán)應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析,土壓力及車輛載荷隨管道埋深的變化曲線見(jiàn)圖1～2。從圖1～2可以看出：

1)軸向應(yīng)力和與空管狀態(tài)下的環(huán)向應(yīng)力和均遠(yuǎn)小于管道常用鋼管的許用應(yīng)力,因此,一般情況下,采用屈服強(qiáng)度計(jì)算法確定的管材及壁厚均能通過(guò)土壓及車輛載荷產(chǎn)生的應(yīng)力校核,即按一般段選取設(shè)計(jì)系數(shù)所確定的管道壁厚能夠滿足無(wú)套管穿越的力學(xué)要求。

2)李冬辰等人[13]根據(jù)JTG D 60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行過(guò)類似應(yīng)力分析,認(rèn)為套管埋設(shè)深度在1～2 m之間受力最??；埋深在0～1 m之間,套管所受荷載以車輛載荷為主；埋深大于2 m時(shí),所受載荷以土壓為主。從圖1～2可以看出,在環(huán)向應(yīng)力方面,當(dāng)套管埋深小于1.5～2.5 m時(shí),以車輛載荷為主,埋深大于1.5～2.5 m時(shí),以土壓為主；套管埋深2～4 m之間,其受力最小,與李冬辰等人結(jié)論基本相符。

3)從圖1～2的環(huán)向應(yīng)力和(空管狀態(tài))與軸向應(yīng)力和曲線可以看出,隨著管道埋深加大,Φ 813與Φ 219.1軸向應(yīng)力和不斷減小,Φ 219.1環(huán)向應(yīng)力和(空管狀態(tài))也在不斷減小,但Φ 813環(huán)向應(yīng)力和(空管狀態(tài))卻在不斷增加；同時(shí),從當(dāng)量應(yīng)力曲線可以看出,當(dāng)量應(yīng)力隨著埋深增加先減小后逐步增大,因此,從受力分析角度看,并不是管道埋得越深越安全。

圖1　土壓力及車輛載荷隨管道(Φ 813)埋深的變化曲線

圖2　土壓力及車輛載荷隨管道(Φ 219.1)埋深的變化曲線

4)由圖1～2發(fā)現(xiàn),土壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力曲線隨著管道埋深的增大逐漸增大,但Φ 813與Φ 219.1在埋深分別超過(guò)10 m、3 m后土壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力趨于定值,因此,管徑越大,管道埋深對(duì)于土壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力作用范圍越大。

5)該計(jì)算分析是基于管道的空管狀態(tài),主要是考慮到管道建成后并不會(huì)立即投入運(yùn)行,通常會(huì)保持內(nèi)壓0.12 ～0.15 MPa的干燥狀態(tài)下密閉封存,因此,設(shè)計(jì)過(guò)程中管道應(yīng)力校核必須按照空管狀態(tài)核算。

3國(guó)外油氣管道穿路套管現(xiàn)狀

3.1國(guó)外油氣管道穿路常用做法

近年來(lái),NACE和PHMSA組織就穿路套管對(duì)公路和鐵路下穿越管道的作用進(jìn)行了重新評(píng)估。在2008年7月的一次研討會(huì)上,PHMSA提出了以下要求：

1)根據(jù)工程分析結(jié)果建議采用的情況除外,通常新建干線管道應(yīng)當(dāng)停止安裝穿路套管。

2)只要可能,需要研究拆除現(xiàn)有穿路套管的一致意見(jiàn)。

3)需要修訂工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),制訂檢查、維護(hù)和修理現(xiàn)有穿路套管的最佳實(shí)用方法。

直埋取代套管后,鋼管壁厚及其埋深多少最為理想呢？據(jù)調(diào)查,目前美國(guó)新建的燃?xì)夤艿?在穿越公路時(shí)一般均不采用套管,而西歐國(guó)家已明確允許穿越鐵路時(shí)在采用套管或采用厚壁管道之間進(jìn)行選擇。GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：采用無(wú)套管的開(kāi)挖穿越管段,距管頂以上500 mm處應(yīng)埋設(shè)鋼筋混凝土板,該規(guī)定目的不是為了減少載重車輛對(duì)管道的影響,而是為了防止公路開(kāi)挖作業(yè)損壞管道,這也與本文管道受力分析結(jié)論相吻合。

3.2穿路套管處腐蝕速率監(jiān)測(cè)

國(guó)內(nèi)油氣管道工程建設(shè)中,雖然套管被大量采用,但對(duì)于套管及被保護(hù)管道的腐蝕或屏蔽影響缺乏系統(tǒng)的研究和試驗(yàn),尚無(wú)套管中管道的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)[14]。2005年,中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司與中國(guó)石油大學(xué)(北京)對(duì)套管腐蝕和不良影響進(jìn)行過(guò)立題研究[15],該項(xiàng)目研究成果具有某種開(kāi)創(chuàng)性意義,但提出的套管腐蝕狀況和屏蔽影響的檢測(cè)方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用存在一定困難。

2012年,國(guó)外某機(jī)構(gòu)曾采用了一項(xiàng)既經(jīng)濟(jì)又有效的創(chuàng)新技術(shù)[16],該技術(shù)將氣相緩蝕劑、電阻腐蝕探針、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)等成熟技術(shù)組合在一起用于解決套管處腐蝕速率監(jiān)測(cè)。具體做法：在套管與被保護(hù)管道之間的環(huán)形空間里,灌注一種膠狀氣相緩蝕劑(VCI)，將電阻(ER)腐蝕探針懸掛在有緩蝕劑保護(hù)的套管上部氣相空間中，電阻探針測(cè)量出的腐蝕速率被定期傳輸?shù)铰?lián)網(wǎng)電腦數(shù)據(jù)庫(kù),同時(shí),將套管與被保護(hù)管道兩者的管地電位測(cè)量值傳輸?shù)铰?lián)網(wǎng)電腦。對(duì)穿路套管而言,人們最關(guān)心的是有無(wú)未被檢測(cè)出來(lái)的套管泄漏點(diǎn),密封的套管內(nèi)是否形成了一個(gè)腐蝕環(huán)境,以及套管與管道之間發(fā)生電氣短路的可能性。通過(guò)綜合應(yīng)用氣相緩蝕劑(VCI)、電阻(ER)腐蝕速率探針、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù),技術(shù)人員能夠獲取必要的數(shù)據(jù),確保套管內(nèi)處于最佳防腐環(huán)境,并且能夠辨別出操作條件發(fā)生的任何突然變化。

4結(jié)論與建議

根據(jù)穿路套管應(yīng)用存在問(wèn)題與國(guó)外油氣管道穿路套管現(xiàn)狀,結(jié)合Φ 813、Φ 219.1典型用管直埋管道受力分析,對(duì)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理提出以下建議：

1)由于套管對(duì)陰極保護(hù)、工程造價(jià)、施工難度等均有影響,因此，采用陰極保護(hù)的管道推薦直埋方式,不推薦套管。若必須采用套管,建議選用非絕緣材質(zhì)的鋼筋混凝土套管或無(wú)防腐層的鋼套管,采用帶外防腐層的鋼套管時(shí),必須在套管內(nèi)部安裝犧牲陽(yáng)極。

2)采用直埋方式穿越公路時(shí),根據(jù)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》與GB 50253-2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)確定的油氣管道壁厚受車輛載荷影響有限,并不是管道埋設(shè)越深越安全。在特殊地段管道埋深超深的情況下,可考慮增加管道壁厚來(lái)滿足管道強(qiáng)度的要求。

3)管道采用直埋方式穿越公路時(shí),管頂埋深建議不小于1.5 m,且距管頂以上500 mm處埋設(shè)鋼筋混凝土板。

4)穿路套管處管道腐蝕的根本原因?yàn)榉栏瘜哟嬖谌毕?因此,在帶套管穿越施工過(guò)程中,必須合理設(shè)置絕緣支撐,避免破壞管道防腐層。

5)建議在設(shè)計(jì)階段對(duì)穿路管段增設(shè)適當(dāng)?shù)母g監(jiān)測(cè)手段,同時(shí),在管道運(yùn)行過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè),對(duì)可能出現(xiàn)的屏蔽、短路現(xiàn)象及時(shí)維修,確保管道安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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收稿日期：2016-02-03

作者簡(jiǎn)介：賈光猛(1984-)，男，山東德州人，工程師，學(xué)士，主要從事油氣管道防腐蝕設(shè)計(jì)和長(zhǎng)輸管道設(shè)計(jì)、研究工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.005