長輸管道改遷連頭“五位一體處置”工藝探索應(yīng)用

盛峰 王浩瑜 霍思彤 巨萌 喬根才

1中國石油長慶油田公司第一輸油處

2中國石油青海油田公司鉆采工藝研究院

長慶油田靖咸管道2001年9月投產(chǎn)運行，是長慶油田陜北地區(qū)原油南下的“動脈”線路。建設(shè)時期管道所經(jīng)地段多為耕地或山區(qū)，管道附近無其他構(gòu)（建）筑物，安全間距符合規(guī)范要求。近年來，管道周邊建設(shè)項目不斷增多，管道遭受各種形式占壓的情況愈發(fā)頻繁。為消除管道安全隱患，對管道進(jìn)行局部遷建工程日益增多。在新建局部管道投產(chǎn)前，新建管道與續(xù)用管道碰口連頭[1]、廢棄管道的處置，是新建管道投產(chǎn)前的最后兩項重要步驟。在現(xiàn)行法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及安全和環(huán)保要求越來越嚴(yán)苛的情況下，如何保證新建管道的安全連頭、廢棄管道的妥善處置[2]，成為亟待解決的重要課題。

1 國內(nèi)外管道封堵技術(shù)現(xiàn)狀

長輸油氣管道在服役期間因工藝改造、維搶修等原因需要動火作業(yè)，現(xiàn)普遍采用管道封堵技術(shù)，可使管道在不清空、不停輸?shù)那闆r下完成動火作業(yè)[3-4]。國外油氣管道封堵技術(shù)研究始于20 世紀(jì)20年代，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟。其中智能封堵應(yīng)用較為廣泛，其原理是：在收發(fā)球工藝流程中投入智能封堵器[5-6]，該封堵器具有遙控定位、遙控封堵、遙控解封的功能[7]，智能球到達(dá)封堵點后，遠(yuǎn)程遙控封堵，封堵器通過金屬扇形裝置擠壓管壁，金屬扇形上有橡膠圈進(jìn)行密封封堵，施工完成后遠(yuǎn)程遙控解封[8]。我國油氣管道封堵技術(shù)起步較晚，但是經(jīng)過多年的快速發(fā)展，已能制造各類高壓封堵器、開孔器等相關(guān)封堵設(shè)備，并成功應(yīng)用于西氣東輸、蘭成渝、陜京線等大口徑長距離油氣管道。目前帶壓開孔封堵技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，其原理是：在需要更換的管道上下游帶壓開孔，安裝封堵器封堵管道，施工作業(yè)結(jié)束后解除封堵，最后安裝封堵盤與盲板封死管道上的開孔[9-12]。

2 帶壓開孔封堵技術(shù)應(yīng)用

帶壓開孔封堵技術(shù)在長慶油田靖咸輸油管道上多次成功應(yīng)用，主要應(yīng)用于管道局部改遷工程中管道局部新建與續(xù)用管道的動火連頭作業(yè)[13-14]。作業(yè)中分別在續(xù)用管道的上游與下游連頭位置各設(shè)置一個封堵器，封堵成功后，依據(jù)改遷段管道的高程情況，在改遷段管道的地勢低洼處開設(shè)收油孔，使用吸污車回收改遷段管道內(nèi)留存的原油[15]。待改遷段管道原油全部回收后，采用機械切割的方式斷開改遷段管道，再進(jìn)行新建管道與續(xù)用管道的連頭焊接。其工藝流程與工藝原理分別如圖1與圖2所示。

圖1 靖咸管道帶壓開孔封堵技術(shù)工藝流程Fig.1 Process flow of pressure opening and plugging technology in Jingxian pipeline

圖2 靖咸管道帶壓開孔封堵技術(shù)工藝原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of process principle of pressure opening and plugging technology in Jingxian Pipeline

隨著管道局部改遷工程的愈發(fā)頻繁，以及廢棄管道處置安全環(huán)保要求更加嚴(yán)格，這套工藝的缺陷也逐漸暴露：

（1）可靠系數(shù)相對較低。管道上游連頭位置與下游連頭位置每處只設(shè)置了一處帶壓封堵裝置，若一處管道封堵器出現(xiàn)封堵不嚴(yán)的情況，整個新建管道投產(chǎn)的程序?qū)⑹艿綘窟B，無法繼續(xù)進(jìn)行，同時對新建管道碰頭的焊接作業(yè)也帶來巨大安全隱患。

（2）安全環(huán)保隱患仍然存在。管道局部遷建的根本目的在于消除該段管道面臨的安全環(huán)保風(fēng)險，其實質(zhì)是移出該段管道內(nèi)的風(fēng)險源——原油。老工藝采用在管道開孔后使用吸污車回收的方法來解決這一問題，但面對高程起伏數(shù)公里乃至數(shù)十公里的管道，這一方法無法保證對管道內(nèi)的原油全部回收，更無法對管道內(nèi)壁的積蠟進(jìn)行清除。改遷管道內(nèi)原油的清除工作留有“死角”，改遷管道的安全環(huán)保風(fēng)險依然存在。

（3）管道生產(chǎn)運行受到影響。因未達(dá)到設(shè)置旁通管路的條件，故在作業(yè)期間整條管道都暫停運行，以配合新建局部管段的投產(chǎn)工作。一處封堵器封堵不嚴(yán)密，新建管段投產(chǎn)程序就無法繼續(xù)；改遷管道內(nèi)的原油回收未完，改遷管道無法與續(xù)用管道斷開，新建管段投產(chǎn)程序就無法繼續(xù)。新建管段不能及時投產(chǎn)，整條管道的運行便無法恢復(fù)。在冬季運行時期，管道長時間停輸后再啟動還會面臨“凝管”的風(fēng)險，凝管事故的搶修又會消耗管道運營企業(yè)的人力、物力成本。

隨著國家安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)相關(guān)法律法規(guī)的相繼出臺實施，以及行業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷提高，對老工藝的改良優(yōu)化勢在必行。

3 管道連頭“五位一體處置”工藝

管道連頭“五位一體處置”工藝包括帶壓封堵、密閉收油、投球清管、氮氣封存、連頭投運五部分，“五位一體處置”工藝流程與工藝原理分別如圖3與圖4所示。

圖3 管道連頭“五位一體處置”工藝流程Fig.3 Process flow of the"five-in-one disposal"technology for pipeline joints

圖4 管道連頭“五位一體處置”工藝原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of process principle of the"five-in-one disposal"technology for pipeline joints

3.1 帶壓封堵

改進(jìn)的帶壓封堵技術(shù)是在改造管段的上游點與下游點各設(shè)置兩具封堵器[16]，同時通過下游點兩具封堵器的三通建立旁通管路[17-19]。這種做法的考量主要有：①上游點與下游點各設(shè)置兩具封堵器雙向封堵管道，封堵的可靠性大大提高，動火焊接的安全性也相應(yīng)提高；②改造管段要斷開與續(xù)用管道的連接，必須將改造管段內(nèi)留存的原油全部回收后方可斷管，兩具封堵器之間約10 m 管段內(nèi)存油量大大減少，環(huán)保壓力減輕，原油回收效率提高；③因未在上游點設(shè)置旁通管路，改造管段所在管道系統(tǒng)無法實現(xiàn)作業(yè)期間的“不停輸”，但下游點設(shè)置的旁通管路為將改造管段全段留存的原油轉(zhuǎn)移至下游續(xù)用管道創(chuàng)造了條件；④這樣的技術(shù)路線更適合長距離新建管段與續(xù)用管道的動火連頭作業(yè)[20]。

3.2 密閉收油

改造管段要與續(xù)用管道斷開，必須將斷管位置處的原油全部回收后才能進(jìn)行斷管操作。以往的做法是在斷管位置處管道上方開孔作為收油孔，使用吸污車回收斷管管段內(nèi)的原油。這種回收方式，原油自管道內(nèi)經(jīng)吸污車再轉(zhuǎn)移至油罐車的過程中，存在著原油落地環(huán)保風(fēng)險高、原油回收效率低、回收作業(yè)耗時長等缺陷。

為改進(jìn)傳統(tǒng)吸污車回收原油的缺陷，使用一種密閉式收油器來回收管道內(nèi)原油。密閉式收油器由手輪轉(zhuǎn)動裝置、螺桿、連管、導(dǎo)管等零部件組成（圖5）。在原油密閉回收時，將密閉式收油器安裝于預(yù)先開設(shè)好的管道收油孔之上，用導(dǎo)管連通閥門連接封堵器壓力平衡閥，連管連通閥門連通壓縮氮氣。通過旋轉(zhuǎn)手輪使螺桿行至最低行程，導(dǎo)管通過收油孔伸至管道底部；隨后經(jīng)由連管向管道內(nèi)注入氮氣。隨著氮氣的不斷注入，管段內(nèi)壓力不斷升高，斷管管段內(nèi)與續(xù)用管道內(nèi)部壓差不斷增大，斷管管段內(nèi)原油在壓力作用下經(jīng)導(dǎo)管及封堵器壓力平衡閥轉(zhuǎn)移至續(xù)用管道中。密閉收油技術(shù)實現(xiàn)了斷管管段原油的密閉回收，杜絕了現(xiàn)場原油外泄，充注的氮氣也置換了管內(nèi)可燃?xì)怏w，提高了后續(xù)動火焊接的安全性。

圖5 密閉式收油器示意圖Fig.5 Schematic diagram of the airtight crude oil recovery unit

3.3 投球清管、氮氣封存與連頭投運

在完成管道的帶壓封堵與密閉收油后，改造管段斷開與續(xù)用管道的連接，廢棄管道與新建管道的處置可同步開展。帶壓封堵所設(shè)置的四具封堵器及下游點設(shè)置的旁通管路為廢棄管道與新建管道的同步處置創(chuàng)造了條件，兩項作業(yè)同步進(jìn)行、互不干擾。

廢棄管道采取氮氣吹掃、清管器清掃的方式進(jìn)行清掃，管道內(nèi)的原油與積蠟全部通過下游點設(shè)置的旁通管路轉(zhuǎn)移至下游續(xù)用管道，極大地減少了常規(guī)的原油回收工作量；同時吹掃所通入的氮氣也實現(xiàn)了對管道內(nèi)可燃?xì)怏w的置換，隨后對廢棄管道予以封存，從而實現(xiàn)對廢棄管道“清掃”與“封存”的一體化處置。

在廢棄管道進(jìn)行處置的同時，新建管道的連頭焊接工作亦同步進(jìn)行。待廢棄管道封存及新建管道連頭完成后，解除封堵器的封堵，新建管道隨即投產(chǎn)。

4 現(xiàn)場工程應(yīng)用

4.1 工程案例

2017年5月，靖咸輸油管道銅川市段新建管道連頭投產(chǎn)作業(yè)，改線段原線路長20 km以上，新建管道長度40 km以上，改線管道與新建管道規(guī)格均為DN300，設(shè)計壓力6.3 MPa。此次管道連頭作業(yè)采用“五位一體處置”工藝，達(dá)到了安全動火連頭、原油密閉轉(zhuǎn)移的良好效果，實現(xiàn)了新建管道的順利投產(chǎn)與廢棄管道的妥善處置（圖6），管道連頭“五位一體處置”工藝在靖咸管道首次成功應(yīng)用。

圖6 廢棄管道處置成效Fig.6 Effect of the abandoned pipelines disposal

4.2 應(yīng)用評價

管道連頭“五位一體處置”工藝在長慶油田靖咸管道局部新建管段投產(chǎn)工程的多次應(yīng)用實踐表明，“五位一體處置”工藝的優(yōu)勢非常明顯：

（1）新建管道連頭投產(chǎn)與廢棄管道無害化處置同步進(jìn)行，一體化完成處置，極大地節(jié)約了管道運營企業(yè)的組織成本，大幅降低了全段管道的停輸時間，提高了管道輸送效率。

（2）原油回收工作量大幅減少，節(jié)約作業(yè)時間，動火焊接作業(yè)更加安全；作業(yè)現(xiàn)場全程“不見油”，原油轉(zhuǎn)移全密閉，工藝流程更加環(huán)保，消除了原油落地風(fēng)險。

（3）經(jīng)過清管器清掃后的廢棄管道可更加徹底地消除安全環(huán)保隱患，對于安全環(huán)保風(fēng)險低的地區(qū)，清管后氮氣封存的管道已達(dá)到就地封存的要求；對于高風(fēng)險地區(qū)，為廢棄管道的進(jìn)一步無害化處置降低了難度。

5 結(jié)束語

針對原油長輸管道局部遷建日益增多的情況，提出了管道連頭“五位一體處置”工藝，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。根據(jù)實際應(yīng)用情況，新建管道連頭投產(chǎn)與廢棄管道無害化處置一體化完成，作業(yè)全程原油密閉轉(zhuǎn)移，工藝更加安全環(huán)保。該工藝為原油長輸管道局部新建管道的安全投產(chǎn)提供了新的方法，為管道安全環(huán)保隱患的消除提供了有力的技術(shù)支持。

“五位一體處置”工藝進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化的方向為：

（1）廢棄管道無害化處置引入管道化學(xué)清洗、聯(lián)合清洗、注漿封存等工藝[21]，實現(xiàn)高風(fēng)險地區(qū)廢棄管道的一次性無害化處置，徹底消除廢棄管道安全環(huán)保隱患。

（2）采用更多類型的清管器進(jìn)行試驗應(yīng)用，避免清管器卡阻情況的發(fā)生，提高廢棄管道清管作業(yè)一次成功率。