石油天然氣長(zhǎng)輸管道套管內(nèi)充填技術(shù)研究

高曉飛

西藏青藏石油管道有限公司，西藏 拉薩

1. 引言

石油天然氣長(zhǎng)輸管道穿越鐵路、公路時(shí)一般采用了套管保護(hù)，使主管不受外部動(dòng)荷載或土層壓力的影響。套管一般采用鋼管或鋼筋混凝土管，在套管與主管之間設(shè)置絕緣支撐，并將套管兩端密封，防止水或泥土進(jìn)入。這種內(nèi)部中空的結(jié)構(gòu)會(huì)影響管道的陰極保護(hù)。因?yàn)楣艿狸帢O保護(hù)的充分條件是：沿著管道有連續(xù)的導(dǎo)電介質(zhì)，管道與其它埋地金屬構(gòu)筑物之間保持良好的電性隔離。而套管與主管之間的環(huán)形空隙破壞了這種連續(xù)性，使干線上的陰極保護(hù)電流對(duì)套管內(nèi)的主管不起作用，故套管段主管道易發(fā)生腐蝕問題[1]。

為避免套管內(nèi)管道腐蝕，一種方法是在套管內(nèi)主管道上安裝犧牲陽極，形成一個(gè)防腐層與陰極保護(hù)相結(jié)合的小系統(tǒng)，提供額外的保護(hù)電流以避免管道腐蝕。另一種方法是在套管內(nèi)填充密封(或?qū)щ?性的材料，利用這些材料隔離腐蝕介質(zhì)(或允許陰極保護(hù)電流通過)以緩解腐蝕[2]。本文主要介紹套管內(nèi)注入填充介質(zhì)的技術(shù)研究。

2. 現(xiàn)有充填技術(shù)與缺陷

國(guó)內(nèi)穿越公路鐵路普遍采用鋼筋混凝土套管作為保護(hù)。按《油氣主管穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423-2013)第7.1.11 條規(guī)定“采用套管穿越公路、鐵路時(shí)，套管內(nèi)徑應(yīng)大于主管外徑300 mm 以上。套管采用人工頂管施工方法時(shí)，套管內(nèi)直徑不宜小于1 m”。這項(xiàng)規(guī)定要求套管與主管之間要留有較大的間隙，因此，套管內(nèi)充填是非常有意義的。

按照《油氣輸送管道與鐵路交匯工程技術(shù)與管理規(guī)定》要求：頂進(jìn)套管穿越鐵路應(yīng)采用填充套管方式，填充物可采用砂或泥漿等材料，不需設(shè)置兩側(cè)封堵和檢測(cè)管。防護(hù)涵宜采用填充方式，填充后不設(shè)檢查井。涵洞內(nèi)空間未填充時(shí)應(yīng)在涵洞兩端設(shè)檢查井，檢查井應(yīng)有封閉設(shè)施。

按照《輸油氣管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423-2013)要求：當(dāng)套管或者涵洞內(nèi)空間充填細(xì)土將穿越管段埋入時(shí)，可不設(shè)檢漏管及兩端的封堵。

Figure 1. Detailed diagram of coagulation casing plugging圖1. 混凝套管封堵詳圖

目前現(xiàn)行項(xiàng)目對(duì)于混凝土套管的處理有兩種辦法：第一是采用紅磚、瀝青麻絲封堵，增加排氣管，適用于防水密封性要求高的部位；第二是封堵后套管內(nèi)吹沙或者注水泥砂漿，適用于上部承載力較大的部位，混凝土套管封堵圖見圖1。

第一種采用瀝青麻絲封堵，增加φ75 的排氣管的方法在2013 年以前，幾乎屬于常規(guī)設(shè)計(jì)，該方法除了封堵存在不嚴(yán)密等問題以外，還需要對(duì)兩端的排氣管設(shè)計(jì)鐵絲網(wǎng)圍欄和大門，防止第三方對(duì)排氣管進(jìn)行破壞。

第二種方法頂進(jìn)套管穿越公路采用封堵后填充套管方式，混凝土套管兩側(cè)封堵充填方案見圖2，填充物可采用砂或砂漿等材料，不需設(shè)置檢漏管[3]。施工前在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行砂漿配比試驗(yàn)，以選擇合適的配比和用料。注漿采用膠管或硬塑管，注漿前套管兩端先用磚砌封堵(管端封堵采用磚Mu10、水泥砂漿M7.5砌筑)，注漿管放置在套管頂部(可采用管卡固定)，伸入套管中部或遠(yuǎn)端；待泥漿攪拌完成后，用注漿泵打入膠管內(nèi)，輸送至管中心位置，進(jìn)行注漿，漿液溢出套管端的灌漿口時(shí)即停止，待砂漿固結(jié)后，觀察套管內(nèi)空間充填度，若達(dá)到85%以上，注漿完成，否則需二次注漿，直到滿足要求，現(xiàn)場(chǎng)套管注水泥砂漿充填見圖3。

混凝土套管適用于主干道和路面承載力承受較大壓力的部位，目前混凝套管已經(jīng)有逐漸趨于成熟的充填方案，但是也存在諸多問題：

1) 規(guī)范對(duì)充填物要求，現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)現(xiàn)

《輸油氣管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423-2013)中要求，套管或者涵洞內(nèi)空間僅要求充填細(xì)土，要求太單一，也與現(xiàn)在常用的吹砂和注水泥砂漿相悖，下一步規(guī)范修編中進(jìn)行修改。

Figure 2. Plugging and filling scheme on both sides of concrete casing圖2. 混凝土套管兩側(cè)封堵充填方案

Figure 3. Filling of cement mortar on site casing圖3. 現(xiàn)場(chǎng)套管注水泥砂漿充填

2) 規(guī)范對(duì)充填度要求不清晰

《輸油氣管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423-2013)中要求，當(dāng)套管或者涵洞內(nèi)空間充填細(xì)土將穿越管段埋入時(shí)，可不設(shè)檢漏管及兩端的封堵。在字面理解就是對(duì)于充填度不做嚴(yán)格要求只要將管道埋上就行。

3) 吹砂施工難度大，質(zhì)量不好保證

吹砂工藝對(duì)于長(zhǎng)度在20 m 以內(nèi)的短距離套管充填具有一定的可行性。距離過長(zhǎng)后吹砂難度太大，且質(zhì)量不好控制，應(yīng)用的項(xiàng)目不多，吹砂現(xiàn)場(chǎng)圖見圖4。

4) 砂漿流動(dòng)性差，充填率無法保障

套管內(nèi)一般都會(huì)安裝支撐塊以及光纜保護(hù)套管，這都會(huì)在一定程度阻礙充填介質(zhì)的流動(dòng)。砂漿充填設(shè)計(jì)方案一般是將注漿管布置在套管的中部，這樣無法保證順暢的充滿套管。目前，還沒有現(xiàn)場(chǎng)砂漿充填的案例[4]。

Figure 4. Sand blowing site圖4. 吹砂現(xiàn)場(chǎng)

3. 新型復(fù)合泥漿充填技術(shù)及方案

國(guó)外的公路、鐵路穿越一般采用鋼套管，套管與主管之間環(huán)隙較小，故防蝕填充劑注入量少，成本低。在國(guó)內(nèi)，穿越中普遍采用鋼筋混凝土套管，套管一般都比較大[5]。新型復(fù)合泥漿充填技術(shù)是在研究反井鉆斜井充填技術(shù)的基礎(chǔ)上提出的[2]。

對(duì)于混凝土套管內(nèi)充填物需要解決幾個(gè)技術(shù)問題：流動(dòng)性、導(dǎo)電性、體積收縮率以及強(qiáng)度。新型復(fù)合充填料主要以水泥、膨潤(rùn)土和廉價(jià)粉煤灰為主要材料，通過一定的配比來實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)參數(shù)和性能：

1) 流動(dòng)性

對(duì)于公路鐵路穿越套管幾乎是水平的，充填介質(zhì)必須具有非常[6] [7]。頂管穿越長(zhǎng)度一般在150 m 以內(nèi)，應(yīng)保證在管道充填過程中，充填物具有很好的流動(dòng)性，可利用瑪氏漏斗測(cè)量，流動(dòng)時(shí)間不得大于120秒。

通過在充填物中添加膨潤(rùn)土來增強(qiáng)復(fù)合泥漿的流動(dòng)性，可以滿足在不同工況下具有良好的流動(dòng)性。

2) 導(dǎo)電性

膨潤(rùn)土本身是以層狀結(jié)構(gòu)的蒙脫石為主的粘土類物質(zhì)，具有電阻率低、保水性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。添加的膨潤(rùn)土主要以價(jià)格便宜的鈣基膨潤(rùn)土為主，通過調(diào)整配比，實(shí)現(xiàn)充填物固結(jié)后的土壤電阻率在大于100 Ω?cm，且小于200 Ω?cm。

3) 體積收縮率

體積收縮率最直接的體現(xiàn)就是析水率，它是反映漿液穩(wěn)定性的一種指標(biāo)。為保證泥漿的流動(dòng)，應(yīng)當(dāng)使水的加入量比完全水化所用的水量要多出很多?，F(xiàn)場(chǎng)用水量一般達(dá)到水泥重量的50%左右，才能使泥漿的流動(dòng)性良好。泥漿在凝固之后，多余的水就析出，向漿液頂面上升。析出的水為高礦化度自由水，可以滲入地層，對(duì)生產(chǎn)層造成嚴(yán)重污染。因此泥漿的失水量應(yīng)當(dāng)通過加入處理劑的方法盡量使之降低。

在泥漿中添加膨潤(rùn)土可以提高泥漿的分散性、水化絮凝程度，使顆粒不易沉淀，從而降低故漿液的析水率，減小干縮率。單液水泥漿的析水率通常為15%左右，而添加膨潤(rùn)土的水泥漿的析水率可降至5%以下。

4) 強(qiáng)度

一定強(qiáng)度的充填介質(zhì)可以有效的約束埋設(shè)在其內(nèi)管道，但是充填介質(zhì)的強(qiáng)度過高也是不利的，因此，要求充填的復(fù)合泥漿的抗壓強(qiáng)度不得大于0.5 MPa (28 d)。對(duì)于強(qiáng)度試驗(yàn)，可將從新生產(chǎn)的新填充材料來制作試件，測(cè)量試件的單軸壓縮強(qiáng)度。

新型復(fù)合泥漿充填技術(shù)與以往的技術(shù)不同之處在于注漿時(shí)套管兩段不再進(jìn)行封堵作業(yè)，充分利用頂管作業(yè)坑，用土工布袋(內(nèi)填砂或土)在套管兩端圍出注漿口。土工袋呈臺(tái)階狀堆砌至混凝土套管頂面以上，臺(tái)背后的作業(yè)坑回填土應(yīng)分層夯實(shí)，夯實(shí)度不低于0.85。注漿時(shí)宜在高點(diǎn)位注漿口注漿，若距離較長(zhǎng)時(shí)，可預(yù)留注漿管至套管中部即可，見圖5。

Figure 5. Schematic diagram of new casing filling technology圖5. 新型套管充填技術(shù)示意圖

注漿兩側(cè)液面至少要高出套管頂部0.3 m，液面距離地面間距不得小于1 m。待24 h 后，若出現(xiàn)液位低于套管頂部的情況，需要進(jìn)行補(bǔ)漿處理。漿液基本凝固后，將土工布反包覆蓋住注漿面，回填原裝土即可。

在充填中，若地下水豐富導(dǎo)致操作坑內(nèi)存有積水的，在兩側(cè)留有集水坑采用水泵及時(shí)的抽水，保證注漿過程中不帶水施工[8]。

4. 結(jié)論

注漿充填現(xiàn)已在管道穿越鐵路和公路以及山體作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其施工技術(shù)在套管與主管之間間隙的實(shí)施作業(yè)是首選方案。但在充填注漿作業(yè)過程中，由于注漿材料、作業(yè)條件及凝固時(shí)間等多方面因素的影響，均可能會(huì)發(fā)生充填不理想而對(duì)工程質(zhì)量造成影響。因此，在施工過程中應(yīng)細(xì)化施工步驟、規(guī)范水灰配比、以及提高作業(yè)效率和保證施工質(zhì)量。