聚烯烴管及其內(nèi)穿插技術(shù)在油田的應(yīng)用

張偉福，嚴長亮，魏 軍，孔祥文，魏亞秋，劉 波

（中國石油集團工程材料研究院有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

隨著國內(nèi)油田的不斷開發(fā)，產(chǎn)油量增多的同時其產(chǎn)出物越來越多，綜合含水量也不斷增多，部分油田的產(chǎn)出物中硫化氫、二氧化碳以及氯離子的含量較高，顯示出較強的酸性，在此情況下，油田用金屬管道被腐蝕情況越來越嚴重，管道內(nèi)壁被腐蝕后呈點狀或者是串狀，腐蝕較嚴重的地方則會形成穿孔，造成輸送介質(zhì)泄漏，如果治理不及時將會造成巨大損失。與金屬管相比，聚烯烴管具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，因此在石油化工、市政建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。

1 聚烯烴管

聚烯烴是聚乙烯、聚丙烯、聚1-丁烯及其他烯烴類聚合物的總稱[4]，聚烯烴管一般采用擠出成型的方法加工而成。油田用聚烯烴管主要作為金屬管道的內(nèi)襯修復(fù)和新建金屬管道的內(nèi)襯防腐，作為內(nèi)襯用的聚烯烴管包括高密度聚乙烯（HDPE）管、耐熱聚乙烯（HTPO）管、改性聚烯烴管和帶阻隔層的聚烯烴（HBPE）管。油田用聚烯烴管性能優(yōu)良：

（1）卓越的耐腐蝕性能。除少數(shù)強氧化劑外，可耐多種介質(zhì)的侵蝕；無電化學(xué)腐蝕。

（2）長久的使用壽命。在額定溫度、壓力狀況下，管道可安全使用50 年以上。

（3）優(yōu)異的回彈性。管材韌性好，縮頸后的回彈性能強，保證了與基體的結(jié)合力。

（4）可靠的連接性能。管材熱熔或電熔接口的強度高于管材本體，接縫不會由于土壤移動或在載荷的作用下斷開。

HDPE（聚乙烯）管的最高耐熱溫度為60 ℃，但是稠油集輸管道的運輸溫度較高，遠遠超過60 ℃，此時應(yīng)該選用可承受溫度較高的聚乙烯管道，如HTPO（耐熱聚乙烯）管，其工作溫度能夠達到90 ℃，比HDPE 管的耐熱性更好。部分油田冬天的溫度低，井場原油輸送都采用加熱后再輸送模式，井口出油溫度一般在70 ℃，油田需根據(jù)現(xiàn)場條件選用合適的聚烯烴管。油田用內(nèi)襯聚烯烴管應(yīng)用范圍見表1[5]。

表1 油田用內(nèi)襯聚烯烴管應(yīng)用范圍

2 內(nèi)穿插技術(shù)

內(nèi)穿插技術(shù)最早在20 世紀80 年代，由日本和歐美等國開始系統(tǒng)研究，并逐步推廣應(yīng)用到地下管線的敷設(shè)和管道更新。國內(nèi)在借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)提高，內(nèi)穿插技術(shù)逐步走向成熟、應(yīng)用越來越廣泛。

內(nèi)穿插技術(shù)是將適合尺寸的聚烯烴管插入需要修復(fù)的舊金屬管道內(nèi)或新金屬管道，利用金屬管道的剛性和強度為承力結(jié)構(gòu)，結(jié)合聚烯烴管的特點，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，使穿插后的管道具備鋼管和聚烯烴管的綜合性能。內(nèi)穿插技術(shù)利用聚烯烴管變形后能自動恢復(fù)原始物理形狀的特性，配備專用設(shè)備施工。目前聚烯烴管插入金屬管道的方式主要有兩種：

（1）將聚烯烴管經(jīng)專用U 形設(shè)備壓縮后縮徑，截面壓縮后形成雙U 結(jié)構(gòu)，將聚烯烴管截面縮小約40%，在牽引力的作用下拉入鋼制管道（圖1）。聚烯烴管牽引到位后，借助于自身特性通過輔助壓力使管徑回彈恢復(fù)，形成牢固的管中管結(jié)構(gòu)[6]。

圖1 截面壓縮的U 形內(nèi)襯管

（2）用外徑略大于待修復(fù)管道內(nèi)徑的聚烯烴管，在常溫下使其通過縮徑機，經(jīng)過多級壓縮后經(jīng)牽引機穿插進入待修復(fù)管道內(nèi)，待一定時間或輔助壓力方式使其恢復(fù)原有直徑，實現(xiàn)與舊管道內(nèi)壁的過盈貼合，形成復(fù)合管道（圖2）[7]。

圖2 縮徑穿管

內(nèi)穿插技術(shù)在油田主要應(yīng)用于現(xiàn)場非開挖修復(fù)鋼制管線。非開挖施工就是以最小的地表開挖量來完成各種地下管線的鋪設(shè)、更換、修復(fù)的工程施工技術(shù)。非開挖內(nèi)穿插修復(fù)技術(shù)即結(jié)合非開挖和內(nèi)穿插技術(shù)修復(fù)油田老鋼制管線或已埋地新建鋼制管線，提高管線的壽命（圖3）。

圖3 非開挖內(nèi)穿插修復(fù)技術(shù)

非開挖內(nèi)穿插修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在以下5 個方面：

（1）聚烯烴管的生產(chǎn)周期短、能快速供貨，并且管道具有優(yōu)秀的耐磨性和耐腐蝕性，管道修復(fù)后使用壽命大大延長。

（2）施工費用及施工工期方面，在線修復(fù)，無需全線開挖，施工難度小、施工時間短，投資費用低，修復(fù)一條舊管線的成本為新上管線綜合成本的40%～50%。

（3）環(huán)境影響方面，占用土地少、植被破壞小，特別是涉及保護區(qū)等情況下優(yōu)勢明顯。

（4）產(chǎn)量影響方面，修復(fù)快、投產(chǎn)快、產(chǎn)能影響小。

（5）維護方便，損壞后維修方便、快速。

3 聚烯烴管內(nèi)穿插施工

聚烯烴管內(nèi)穿插施工設(shè)備：①縮徑機，用于暫時縮小聚烯烴管的直徑；②牽引裝置，用于牽引縮徑后的聚烯烴管使其穿過待修復(fù)管線；③熱熔焊機，采用熱熔焊技術(shù)連接聚烯烴管，形成連續(xù)長度的聚烯烴管線。

（1）聚烯烴試樣管段穿插：正式施工前，先用一段聚烯烴試樣管段進行試穿插，目的是：①檢查待修復(fù)管線的內(nèi)徑；②檢查試樣管段的外表面損傷情況，了解待修復(fù)管線的內(nèi)表面狀況；③確定摩擦阻力的大小。若試樣管段受阻或外表面受損嚴重，需對管線內(nèi)部進一步處理后再施工。

（2）聚烯烴管縮徑穿插：將牽引機頭部固定在聚烯烴管的頭部，接好牽引纜繩。啟動縮徑機和牽引車，按照施工工藝中規(guī)定的速度使聚烯烴管勻速通過縮徑機后進入待修復(fù)管線，并從另一端拉出，聚烯烴管長度要求大于目標管道，在完成穿插后兩端要有伸出量，以防止聚烯烴管回縮，使其伸出長度穩(wěn)定在300～500 mm，為后續(xù)恢復(fù)和端口處理使用。在施工時，應(yīng)嚴格控制聚烯烴管段的應(yīng)力大小，避免拉應(yīng)力大于其拉伸屈服強度極限，造成內(nèi)插管斷裂的問題。

在整個穿插過程中，所需的拉應(yīng)力與聚烯烴管的屈服強度、橫截面積成正比關(guān)系：F＝kσyA。其中，F(xiàn) 是拉應(yīng)力，σy屈服強度，A 為內(nèi)穿插管道的橫截面的面積；k 為系數(shù)，由管道的收縮比和直徑來確定。

在內(nèi)穿插施工過程中，為保證聚烯烴管不被拉斷，其最大拉應(yīng)力不能超過其屈服強度的1/2。對于一定直徑和收縮比的聚烯烴管最大允許壁厚由公式可計算。

聚烯烴管施工完畢后，由于其材料特性會恢復(fù)原有管徑，管道內(nèi)襯聚烯烴管的復(fù)原時間不得小于24 h。修復(fù)后的管道連通后進行分段試壓驗收或全線整體試壓驗收。對于設(shè)計壓力較低的管道其試壓介質(zhì)可選擇水或空氣，對于設(shè)計壓力較高的管道其試壓介質(zhì)宜選用水。

非開挖聚烯烴管內(nèi)穿插修復(fù)工藝流程為：管線勘察探測→內(nèi)襯管清理→管材焊接→操作坑開挖→斷管、焊接變徑→管線清洗→縮徑、穿插內(nèi)襯→管頭連接→彎頭連接→沖洗→試壓。

4 結(jié)束語

近年來，聚烯烴管結(jié)合非開挖內(nèi)穿插技術(shù)修復(fù)油田老舊鋼制管線，有效降低了鋼制管線腐蝕穿孔數(shù)量，避免腐蝕穿孔引發(fā)的油氣泄漏、環(huán)境污染等安全環(huán)保問題，延長集輸管線使用壽命，保障油田安全生產(chǎn)運行，提高油田總體開發(fā)效益。作為綠色的施工技術(shù)，非開挖內(nèi)穿插技術(shù)的現(xiàn)場占用場地小、施工快速便捷，質(zhì)量可靠，為油田管道腐蝕治理提供了新的技術(shù)發(fā)展方向。