油氣管道穿越鋼制套管密封端設(shè)計

傅堅陽，龍世華，趙海峰，程浩力，張敬祎，金惠，王華

（1. 杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計院股份有限公司，浙江杭州 310004）

（2. 中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計分公司，北京海淀 100085）

（3.中國石油冀東油田公司，河北唐山 063200）

（4 中國石油冀東油田西部分公司，陜西榆林 719000）

前言

套管穿越技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類管道及電力通信電纜穿越[1]，在長輸管道及集輸管道工程建設(shè)過程中則普遍應(yīng)用于公鐵路及河流穿越等穿越中[2]。當(dāng)混凝土套管不易獲取時，鋼制套管通常會被采用在油氣管道項目穿越工程中，在海外油氣管道項目中，鋼制套管普遍被使用，一般情況下為減少土壤和水的侵入而導(dǎo)致的管道及鋼套管腐蝕失效[3-5]，鋼制套管兩端都進(jìn)行密封。因此，安全可靠的套管密封方式，成為油氣輸送安全的重要保證并受到廣泛的關(guān)注，良好的套管密封方式設(shè)計，不僅利于管道安全，更利于施工，同時對推進(jìn)“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計”、“工廠化預(yù)制”、“模塊化施工”、“機(jī)械化作業(yè)”的工程建設(shè)“五化”工作中的大有裨益。

1 常見套管封堵結(jié)構(gòu)及存在的問題

由于套管內(nèi)鋼管面臨著腐蝕失效問題，眾多學(xué)者對套管內(nèi)解決腐蝕失效的填充電解質(zhì)、采用陰極保護(hù)防治措施及封堵形式等措施進(jìn)行了研究[6-8]。國內(nèi)石油天然氣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也對封堵等措施作了相應(yīng)規(guī)定。

GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》[9]在第7.1.3規(guī)定“穿越鐵路或二級及以上公路時，應(yīng)采用頂進(jìn)套管、頂進(jìn)箱涵或水平定向鉆穿越方式，并滿足路基穩(wěn)定性的要求。當(dāng)套管或涵洞內(nèi)空間充填細(xì)土將穿越管段埋人時，可不設(shè)檢漏管及兩端的封堵”，第7.3.1條規(guī)定“采用涵洞、套管等保護(hù)方法穿越公路、鐵路時。宜采用鋼筋混凝土涵洞、鋼筋混凝土套管或者鋼質(zhì)套管?！?/p>

GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》[10]第8.1.4條規(guī)定“穿越管段與套管端部的環(huán)形空間應(yīng)按設(shè)計要求進(jìn)行封堵，其長度應(yīng)大于200mm”，常規(guī)操作方式為當(dāng)套管或涵洞內(nèi)充填細(xì)土將穿越管段埋入時，不設(shè)排氣管及兩端的嚴(yán)密封堵。當(dāng)套管或涵洞內(nèi)輸氣穿越管段是裸露時，設(shè)排氣管且兩端嚴(yán)密封堵。由于取材及施工的便利性，國內(nèi)油氣管道項目道路穿越常采用鋼筋和混凝土頂管，混凝土套管密封的典型做法（圖1）是采用紅磚及瀝青麻絲封堵。當(dāng)不采用封堵時（圖2），則套管內(nèi)回填細(xì)土/細(xì)砂或泥漿。

圖1 典型混凝土套管安裝封堵示意圖

圖2 典型混凝土套管安裝內(nèi)填充示意圖

由于海外油氣管道項目，鋼筋混凝土套管的使用受到很大限制，因而經(jīng)常采用鋼制套管穿越。加拿大國家標(biāo)準(zhǔn)CAN/CSA-Z662-15 《Oil and gas pipeline systems》[11]第4.12.3.3條“Cased crossings”規(guī)定，套管末端同輸送管之間應(yīng)適當(dāng)密封。海外油氣田集輸及外輸管道穿越設(shè)計中應(yīng)用更廣泛的美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API RP 1102 《Steel Pipelines Crossing Railroads and Highways》[12]其第5.9節(jié)“Casing Seals”明確規(guī)定，為減少土壤和水的侵入，套管兩端應(yīng)進(jìn)行密封。常采用的密封形式為高密度輻射交聯(lián)熱收縮材料制造的柔性端部密封套（圖3）。

圖3 典型鋼制套管安裝封堵示意圖

由于目前常用的鋼制套管密封為純?nèi)嵝越Y(jié)構(gòu)，鋼制套管和管道之間有較大的環(huán)形空間，柔性密封套在安裝完成后，管溝回填時單側(cè)受到土壤擠壓，遇到硬質(zhì)土塊、碎石、樹枝回填土中等常見的夾雜物，容易破損失效，使得管道套管內(nèi)灌入大量積水或泥沙。因此，結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)踐，設(shè)計了一種鋼套管端部密封部件，縮小了鋼制套管端部和管道之間的環(huán)形空間，且取材容易，便于安裝和維護(hù)。以一條8”(DN 200)的油氣集輸干線，穿越用鋼制套管為16”(DN 400)的項目為例，說明封堵端優(yōu)化設(shè)計方案。

2 鋼制套管封堵優(yōu)化設(shè)計

2.1 套管加工

將DN400平焊法蘭焊接于鋼制套管管端，即完成鋼制套管端部的制作（圖4），以便同密封部件連接。

圖4 套管端部設(shè)計及加工示意圖

當(dāng)采用大開挖預(yù)埋套管時，可以預(yù)先在預(yù)制場地批量焊接套管端部法蘭，以便降低現(xiàn)場作業(yè)坑內(nèi)作業(yè)時間及安裝工作量，降低作業(yè)風(fēng)險。

當(dāng)采用鉆孔或頂進(jìn)施工時，可以先安裝一端的法蘭面，當(dāng)套管完成穿越后，在進(jìn)行另一端的焊接安裝。

2.2 封堵端加工

密封端采用同DN400平焊法蘭大小一致的圓形鋼板（或方形鋼板）制作，鋼板完成裁取后開φ275mm圓孔，開孔位置需要考慮管道安裝絕緣支撐后，在套管內(nèi)的高度；圓鋼板完成開孔后作為管道套管端法蘭的配對法蘭，端部管托套管（輸送管管托）穿過配對法蘭孔并完成焊接固定后形成密封端裝置（圖5）。

圖5 封堵端設(shè)計及加工示意圖

2.3 封堵安裝

鋼套管及輸送管在套管內(nèi)就位后，輸送管在鋼套管端口位置包裹保護(hù)橡膠片，密封部件端套上法蘭密封橡膠墊片，穿過套上輸送管，同鋼套管端用螺栓連接密封（圖6）。

圖6 鋼套管和封堵端組裝示意圖

當(dāng)封堵端安裝完成后，封堵端同輸送管接觸部位采用油氣儲運(yùn)線路防腐工程常用的熱收縮套（高密度輻射交聯(lián)熱收縮材料）纏繞密封（圖7），以達(dá)到密封效果。

圖7 管道封堵端密封安裝示意圖

3 結(jié)論

采用油氣集輸及油氣儲運(yùn)的工程中常用的鋼管、鋼板、熱收縮套等材料制作鋼制套管密封裝置，通過配對法蘭同鋼套管用螺栓連接，安裝簡便，在提高安裝效率的同時，減少了連頭安裝點(diǎn)坑底作業(yè)時間及風(fēng)險，密封裝置采用鋼板鋼管制作，提高了強(qiáng)度，同時密封裝置管托管同輸送管采用熱收縮套包裹密封，提高了密封性，在油氣集輸及油氣儲運(yùn)項目中鋼質(zhì)管道帶管道套管穿越道路、水域等障礙物時對管端的密封具有一定的實(shí)用性。