冻土区油气管道保温技术现状.pdf

石 油 工程 建 设 冻土 区油气 管道保温技术现 状 防腐保温■■ 在国内外油气管道建设中，部分管道要穿越冻土区，对管道保温技术提出了更高的要求。国内在这方面的研究工作与 国外相比，存在较大差距。文章以漠河 一大庆段原油管道为例，介绍了国内保温管道预制和补口技术；以阿拉斯加原 油管道为例 ，介绍了国外架空和埋地管道保温技术 ；从保温材料和生产线、保温热力学分析和软件开发等方面介绍了 国外保温技术的新进展；最后着重分析了管道补口施工过程中存在的问题，提出了改进建议。 关键词 Ji a n g L i nl i n 2 ， Pa n L i h on g 。 ， Hart W enl i ’ ，2 Zh an g Hon gl e i ， 1 ． C NP C R e s e a r c h I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 1 ，C h i n a 2． Res e a r c h Divi s i on of An t i c or r os i o n Co a t i n g a n d Th er ma l I n s u l a t i o n St r u c t u r e， CNPC Ke y L a b or a t or y of Tu bu l ar G o o d s E n g i n e e r i n g ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 1 ，C h i n a 3． Con s t r u c t i o n En g i n e er i n g De pa r t men t ， Pe t r o Chi n a Hu a be i Oi lf i el d Com p a n y， Re nq i u 06 25 5 2， Chi n a Ab s t r a c t I n o i l a nd g a s pi p el i n es c on s t r u c t ion， a pa rt o f pi p el i n es c r o s s p er m a f r os t r e gi on s， whi c h n e ed high er t he r m a l i ns u l a t i o n t e c hn ol o gy ． The r e i s c on s i de r a bl e di s p ar i t y be t w e en Ch i n a a n d f or e i gn c ou n t r i es i n t h i s r es e a r c h f i el d． Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e t e c h n o l o g y o f d o me s t ic t h e r ma l i n s u l a t e d p i p e p r e f a b r i c a t i o n a n d f i e l d j o i n t c o a t i n g b y t a k i n g MO h e Da q i n g Cr u d e Oi l P i p e l i n e a s a n e x a mp l e；t h e f o r e i g n i n s u l a t i o n t e c h n o l o g y o f s u p p o rt e d a n d b u r i e d t h e r ma l p i p e l i n e s b y t a k i n g T r a n s Al a s k a P i p e li n e S y s t e m a s a n e x a mp l e t h e n e w f o r e i g n t }1 e r ma I i n s u l a t i o n t e c h n o l o g y de v el o pm e n t i n a s pe c t s of m a t er i als， pr odu c t ion l i n e， t h er mod yn a m i c s an a l y s i s a n d s o f t w a r e de v el o pmen t ．F i n na ly i t a n a ly z e s t h e p r o b l e ms e x i s t i n g i n f i e l d j o i n t c o n s t r u c t i o n a n d b r i n g s f o r wa r d i mp r o v e me n t s u g g e s t i o n s ． K e y wo r d s o i l a n d g a s p i p e l i n e s ；p e r ma f r o s t r e g i o n ；t h e r ma l i n s u l a t e d p i p e ；f i e l d j o i n t c o a t i n g ；c u r r e n t s t a t u s o f t e c h n o l o g y 近年来开展的油气管道建设 ，部分管道要穿越冻 土区 ，需要在寒冷环境下施工。冻土区管道建设面临 的工程技术难题主要是冻胀与融沉。通常防止 融沉的 做法包括热管技术、架空铺设、人工制冷法埋设 、安 装地下管道支撑装置或沿管道铺设工作垫层等 I ，但 对管道进行有效保温使管道散热损失合理 ，是 实施各 种防融沉技术的前提条件。国内最近几年才开始大口 径长输管道工程穿越冻土区的研究 ，与 国外相 比，从 材料选择 、方案设计到工程应 用经验 都存在较大 差 距。本文对国内外冻土区油气管道的保温技术进行介 绍 ，旨在为冻土区油气保温管道工程的设计和施工提 供参考。 第 4 O 卷第 4 期4 1■l _防腐保温 石 油．1 程建设 国内穿越冻土区的油气管道主要有格尔木 一拉萨成 品油管道 简称格拉线 、中俄原油管道漠河 一大庆段 管道 简称漠大线 。格拉线是迄今为止中国最长、世 界上海拔最高的输送成品油的固定管道 。漠大线是国 内第一条通过多年冻土区的大口径长输原油管道 ，穿越 大兴安岭不连续多年冻土区的长度达 4 4 1 k m[7 ，漠河至 加格达奇之间的冻土、低洼、沼泽地区超过 7 0 k m 管道 的设计采用了预制直埋保温管。以漠大线为例 ，着重介 绍其保温管的预制工艺及保温补口技术。 1 ． 1 漠大线保温管预制工艺 漠大线预制直埋保温管防腐保温层由防腐层 、保 温层、防护层组成，其中防腐层采用三层结构聚乙烯 3 P E普通级，保温层采用硬质聚氨酯泡沫塑料 厚 8 0 mm ，防护层采用高密度聚乙烯塑料 厚 1 2 mm 。 保温管预制采用 “ 管中管”成型、端头倾斜注料工艺。 具体工艺如下 在防腐管外表面等间距安装支撑块后 ， 将其穿入高密度聚乙烯外护管中；转运至发泡平台 ，采 用液压法兰进行两端封堵 ；调整发泡平台 ，使其处于倾 斜状态，倾角约 1 5 。；高压发泡机调试完成后 ，在倾斜 保温管的高端处注料 ，注料完成后将其调至水平状态进 行发泡；待泡沫固化后，开启两端液压封堵 ；端头二次 处理 ，安装防水帽。 1 ． 2 漠大线保温补口技术 漠大线穿越冻土 、低洼、沼泽地区 ，需要冬季施 工，保温补口环境温度较低 ，不适合采用现场发泡工艺 进行保温层补口。保温层补口采用预制保温瓦块捆扎的 方式进行 ，由 3块 1 2 0 。与主管体同材质的硬质聚氨酯 泡沫瓦块拼接而成，拼接采用子母扣连接方式 ，性能指 标满足 G B f l - 2 9 0 4 7 2 0 1 2 高密度聚乙烯外护管硬质 聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件 中相关规定。 现场补口工艺为 管道接口预热 ，预热温度 5 O～7 O o C； 管道接 口除锈及补口防腐层表面处理 ；无溶剂环氧涂 料 ，黏弹体防腐层补口；安装聚氨酯保温瓦 3块拼接 成补口保温层 ，并加以固定 ；采用捆扎带安装电热熔 套 厚1 2 mm ，电热熔套两端与管道防护层搭接宽度 不小于 1 0 0 mm，接通电源热熔焊接 ；电热熔套轴向搭 接焊缝及其两端与管道外护层的搭接焊缝均采用黏弹体 胶条进行密封，再采用聚丙烯胶带进行外防护。 越加拿大西部和美国阿拉斯加中南部的克努尔 C a n o l a 成品油输送管道 、加拿大罗曼井 N o r ma n We l l s 输 油管道、美国阿拉斯加天然气管道、美国阿拉斯加原油 管道等。近年来 ，冻土区管道建设又有了很大进展 ，如 俄罗斯的西伯利亚油气管道 ，其中东西伯利亚 一太平洋 原油管道长度超过 4 0 0 0 k m，B o v a n e n k o v o U k h t a输 气管道长约 1 0 0 0 k m，管径达到 1 4 2 2 mm 5 6 i n， 钢 材 为 X 8 0；加 拿大 拟建 Ma c k e n z i e输 气 管道长 约 1 2 0 0 k m。此外冻土区的管道建设还向海底延伸 ，％ O B P 公司于 2 0 0 1 年在阿拉斯加波弗特湾建成连接北极近海 油田到陆地的首条海底管道 ，B o v a n e n k o v o U k h t a管道 工程还包括 7 1 k m 的海底管道建设 。具有典型性 的是 1 9 7 7 年建成的阿拉斯加原油管道 T A P S 。 阿拉斯加原油管道通过永冻土地 区的管道大约有 6 8 1 k m是架空敷设的 ，保温管道架设在 8万多个装有 散热片的液氨 “ 热管”系统的管架上 ；其余约 6 0 0 k m 管道是埋在地下敷设的 ，其中有大约 6 k m 的管道采 用两边带有冷冻液体伴冷管的敷设方式r 。 2 ． 1 T A P S工程架空管道保温技术 架空铺设的管道 ，采用约 2 5 0 u m 厚的环氧粉末 涂层作为防腐层 ，采用 9 5 mm厚的玻i 离棉毡作为保温 层 ，采用镀锌铁皮作为外护层 。为防止保温层滑动 ， 架空管道在原有环氧粉末涂层上涂 了一层复合无机涂 料 ，使其与外面的保温层相黏结。常规支撑架和 固定 支撑架上所用的保温材料 ，都是采用模铸形成了半圆 壳式，保温材料采用聚氨酯泡沫分层铸成 ，中间夹有 一 层玻璃纤维 ，以增加强度。两个管架之间直管段的 保温材料做成板状。每块保温板采用 3种不 同密度的 玻璃纤维制成 ，与管道直接接触的是一种高密度的玻 璃纤维 ，其他两种是 中等密度纤维和半硬质纤维层 ， 构成主要保温层。保温板之间紧密对接 ，在接口外面 用一条低密度玻璃纤维层箍紧 ，外包一 圈镀锌铁皮 ， 起着搭接作用 ，搭接部分采用锥形螺丝 固定。镀锌板 上钻渗水孔 ，用于排除内部积水 ，安装时置孔于管道 底部。两节直管段保温层之间的搭接方式有刚性和柔 性之分 ，刚性连接先采用玛蹄脂密封胶密封 ，再用低 密度玻璃纤维压紧 ，然后采用 2 7 0 mm宽的薄钢带箍 紧，钢带两侧与镀锌铁皮搭接的部分采用螺栓固定； 柔性连接采用低密度玻璃纤维制成的波纹状伸缩节与 两侧直管的保护层用不锈钢钢带箍紧 ，再用螺栓与两 侧的镀锌铁皮进行固定” 。 2 ． 2 T A P S工程埋地管道保温技术 国外油气管道穿越多年冻土区的工程较多 ，包括穿 埋地铺设的管道，采用约 2 5 0 m厚的环氧粉末涂 ■● 4 2 2 0 1 4 年8 月 蒋林林 等 冻土区油气管道保温技术现状 层作防腐层 ，视土壤性质在环氧粉末涂层之外再包覆一 层胶黏带，采用 7 5～ 1 0 0 mm厚的聚氨酯泡沫作为保温 层 ，其性能指标为 密度 5 6 k g ／ m。 ；常温下的径向抗压 强度不小于 0 ． 2 5 MP a ，轴向抗压强度不小于 0 ． 1 6 MP a ； 导热系数小于 0 ． 0 2 9 W／ r r l K 。外护层采用 5 mm厚 的硬质聚乙烯塑料。聚氨酯保温层均喷涂沥青防水密封 层。保温层根据管径大小由 3～4块保温瓦组成 ，保温 瓦外部是硬质聚乙烯保护套 ，聚乙烯保护套的直缝处有 一 道翻边 ，保温瓦拼起来即形成管道保温层。保温瓦的 轴向接头处 ，采用 1 0 0 mm宽的聚乙烯带箍紧。所有轴 向的法兰接缝和起箍紧作用的聚乙烯带都用聚乙烯焊条 焊接 ，确保系统的绝对密封。 2 ． 3 冻土区管道保温技术新进展 2 ． 3 ． 1 保温材料和生产线 B o v a n e n k o v o Uk h t a埋地管道采用不 同的保温措 施 ，第一段管道总体无保温层 ，只在穿越溪流、河流和 航道处 ，管道有环状保温层 ，由泡沫聚苯乙烯材料采用 挤出法形成 ；第二段管道全部采用保温层 ；第三段与第 一 段相同。海底管道采用保温层。 除了比较传统的管道保温材料用于冻土区管道的保 温外 ，一些新材料也得到进一步开发 ，如基于苯乙烯热 塑弹性合金 S t y r e n i c A l l o y 的保温材料已形成新型保 温系统⋯ ，适用于深水和极地地区的管道保温。 蜂窝混凝土 C e l l u l a r C o n c r e t e ，也称发泡混凝土 ， F o a m C o n c r e t e ” ，其原料为波特兰水泥、水、发泡 剂 ，可根据强度要求 ，加入适量粉煤灰 、纤维等材料 ， 一 般不 含砂石 骨料 。作 为保温材 料 ，其特点 是质轻 湿密度 4 0 0～6 0 0 k g ／ m。 、强度高 2 8 d抗压强度 0 ．7 1～1 ．9 8 MP a 、耐火、耐用 使用寿命比发泡保 温材料约高 4倍 ，导热系数 0 ． 0 7 5 0 ． 0 9 7 W／ m K ， 此外高 p H值 9 ． 41 3可有效防止钢管受腐蚀。施 工方式包括预制或现场浇注 ，适用于寒冷和极寒冷地区 管道和设备的保温。 近年来国外保温管预制施工技术有了很大的发展。 丹麦 L O GS T OR的全自动聚氨酯泡沫喷涂技术是世界领 先的独家绿色低碳技术，高密度聚乙烯外壳缠绕技术较 传统的聚乙烯外护管挤出工艺大幅度提高了生产效率。 全自动聚氨酯泡沫喷涂技术和高密度聚乙烯外壳缠绕技 术大幅度提高了高密度聚乙烯外护保温管的预制速度 ， 目前国内尚未独立掌握该技术。L OG S T OR热塑材料焊 接补口系统技术通过电脑控制的热塑焊接工艺 ，将补口 与高密度聚乙烯外护管紧密焊接在一起，可最大限度地 提高补口质量 ，是目前世界领先的最可靠的补 口技术。 防腐保温■■ 但尚没有发现上述技术在冻土区保温管道工程中应用的 相关报道或资料 ，尤其是保温补口需要在寒冷环境下施 工，该技术的适用性有待验证。 2 ． 3 ． 2 冻土区管道的保温热力学分析和软件开发 随着计算机技术的发展，在研究冻土区埋地管道温 度场方面 ，数值模拟方法已成为有效手段 ，考虑的影响 因素越来越全面、细致，不仅可模拟静态的管 ～土温度 场耦合作用；而且可模拟土壤冻融的相变过程，并考虑 太阳辐射变化、气温季节变化以及管道地面雪覆盖层的 变化等因素。 加 拿 大 G E O S L OP E公 司 开 发 的 G e o S t u d i o T E MP ／ W 软件在国际上有较高的知名度，可用于分析由 埋地管道传热引起的冻土带冻融问题 ，评估保温措施的 功能和效果，为冻土区管道保温设计提供指导。 B a s e l A b d a l l a等” s 近年 开发的三维有 限元综合模 型已成功应用于模拟管道与周围冻土之间的热力学相 互作用 ，给出对传热 、土冻融和管道变形计算的更好 结 果 。 阿拉斯加原油管道、漠大线以及常用的直埋油气管 道保温结构均采用硬质聚氨酯泡沫塑料 聚乙烯塑料。 阿拉斯加原油管道埋地保温管道是采用预制好的带聚乙 烯外护层的聚氨酯保温瓦拼接而成 ，外护层采用塑料焊 进行焊接 ，施工技术复杂，施工效率较低。国外现有预 制工艺大大提高了施工效率 ；漠大线的预制直埋保温管 用聚乙烯管作外护管、聚氨酯泡沫为保温层 ，采用 “ 管 中管”工艺生产，简化了工艺 ，补口处采用电热熔套密 封，提高了施工效率，代表了国内最新的施工工艺。 聚氨酯泡沫塑料属硬质材料 ，采用硬质聚氨酯瓦块 补口可能存在以下问题 1 保温管在预制过程中的留头长度是一个范围 值 ，而不是一个定值 ，导致补 口长度也是一个范围值。 聚氨酯保温块补口解决了现场温度低发泡困难的问题 ， 但是保温块的批量生产使保温块的长度是一个定值 ，补 口长度与保温块长度的不一致 ，给现场安装带来很大的 不便 ，保温块现场切割会影响到保温补口的施工效率和 施工质量。在保温管预制过程中严格控制留头长度 ，使 其为一个定值，可使上述情况得到有效改善 ，但对保温 管预制提出了较为严格的要求。 2 聚乙烯电热熔套和聚氨酯泡沫保温块均属硬 质材料 ，在补口过程中两者很难紧密贴合在一起 ，缝隙 的存在会影响到整个补口的保温效果。 3 硬质聚氨酯泡沫保温块子母扣连接方式对尺 第 4 0卷第 4 期4 3●■ ■■防腐保温 石 油工 {jf 建设 寸要求比较高 ，在拼接过程中存在结合不紧密的情况 ， 需要进行填缝处理 ，使施工效率降低，如果不进行处理， 则会影响补口的保温效果。 综合目前冻土区油气管道保温技术的现状 ，针对冻 土区保温管道工程提出以下几点建议 1 保温管预制在工厂 内进行 ，受施工环境的影 响较小 ，可采用全自动聚氨酯泡沫喷涂技术和高密度聚 乙烯缠绕技术来提高生产速度，缩短工期。 2 热塑材料焊接补口系统技术采用电脑控制焊 接工艺 ，较人工控制可有效提高施工质量 ，需要验证其 在寒冷环境下施工的适用性。 3 补口处保温材料的选择与管体保温材料的选择 相比，较为灵活多样，补口面积较小 ，对强度要求可适 当降低，考虑采用柔性保温材料进行补口，如聚乙烯泡 沫塑料、二氧化硅气凝胶保温毡等。柔性保温材料可以 在较大范围内适应补口尺寸的变化 ，现场切割较硬质材 料方便，可提高施工效率 ，改善保温效果。当采用柔性 保温材料进行补口时 ，可以采用单一材料或是复合结构 补口，外护层宜选用电热熔套、电热熔套 热收缩套。 ⋯ 袁中立 ， 冯士明 ， 汤 彬． 冻土地带管道敷设方法及保温技术【 J 】 ． 石油 工程建设 ， 2 0 0 4 ， 3 0 6 6 ～ 9 【 2 】S h a wn K e n n y ， S t J o h n s ． W o r k in g t h r o u g h p e r ma f r o s t p i p e li n e s i n a r c t ic t e r r a in [ J ] ． P i p e li n e s I n t e r n a t io n a l ， 2 0 1 2 1 2 4 4 4 5 ． 【 3 】 金会军， 喻文兵， 陈友昌， 等． 多年冻土区输油管道工程中的 差异性 融沉和冻胀问题【 J ] ． 冰川冻土， 2 0 0 5 ， 2 7 3 4 5 4 4 6 4 然气与石油， 2 0 0 9 ， 2 7 6 1 4 【 5 】 蒲家宁 军用输油管线【 M】 ． 北京 解放军出版社， 2 0 0 3 1 2 6 1 1 3 ． 【 6 】 何瑞霞 ， 金会军， 吕兰芝， 等 格尔木 一拉萨成品油管道沿线冻土工程 和环境问题及其防治对策【 J 】 l 冰川冻土， 2 0 1 0 ， 3 2 1 1 8 2 7 【 7 】 杨思忠， 金会军， 于少鹏， 等 中俄输油管道 漠河 一 大庆段 主要冻土 环境问题探析[ J ] 冰川冻土， 2 0 1 0 ， 3 2 2 3 5 8 3 6 6 ． [ 8 J宋 芙 ． 美 国 阿拉 斯 加 原 油 管道 【 J ] ． 国外 油 气 储 运 ， 1 9 9 4 ， 1 2 2 61 -6 3 【 9 】T e r r y T， Mc F a d d e n F， L a wr e n c e B e n n e t t C o n s t r u c t i o n i n C o ld Reg i o n sA Guid e f or P l a n n er s， E n gi n e er s， Con t r a c t o r s， a n d ma n a g e r s【 M】 ． N e w Y o r k J o h nW il e yS o n s ， In c， 1 9 9 1 [ 1 0 1 梁翕章，唐智圆 世界著名管道工程 【 M1 ． 北京石油工业出版社 ， 1 99 4 [ 1 1 】S h iwe i Gu a n， Ad a m J a c k s o n， T o n y B a c o n ．T h e r ma l I n s u la t i o n S ys t em f o r De ep wa t er a n d Ar c t ic Pi p e l i n e s Ba s e d on St yr en i c A l l o y s 【 A ] 2 4 t h I n t e r n a t io n a l Oc e a n a n d P o l a r E n g i n e e r in g C o n f e r e n c e I C ]B u s a n ， K o r e a 1 OP E ， 2 0 1 4 ． 【 1 2 1 BD o l t o n ， CHa n n a h ， C e l L u l a r C o n c r e t e E n g i n e e r in ga n d T e c h n o l o g y Ad v an c e men t f or Co n s t r u c t ion i n Col d Cli ma t e s 【A】2 0 06 An nu a l G e n e r a l C o n f e r e n c e o f C a n a d ia n S o c ie t y f o r C i v il E n g i n e e r in g【 C 】 Ca l g a r y， Ca n a d a CSCE， 2 0 06 ． [ 1 3 】J i a n f e n g X u ， A y ma n E It a h e r ， P a u l J u k e s ．Wa r m P i p e l i n e i n P e r ma f r o s t A S e n s i t iv i t y S t u d y o f t h e Ma j o r T h e r ma l P r o p e r t ie s 【 A] p r o c e e d i n g s o f A S ME 2 g t h I n t e r n a t io n a l c o n f e r e n c e 【 C 】 ． Hu s t on， US A O MAE ， 2 01 0 79 3 -7 9 9． 作者简介 蒋林林 1 9 8 5 一 ，男，山东东营人，工程师，2 0 0 9年毕业于华中科 技大学热能工程专业 ， 硕士，现从事储罐、管道防腐保温的研究工作。 I 4 】 高晓飞， 常怀民， 孙宏全， 等． 多年冻土区管道的若干关键技术I J ] ． 天 收稿日期2 0 1 3 - 1 1 2 1 本期广告索引 封面 中国石油集团海洋工程有限公司 封 2 中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院 封 3中国石油天然气第七建设公司制造装备分公司 封 3 拉页中国石油集团海洋工程有限公司海工事业部 封底 公益宣传 中插 1 、2 中国石油集团工程技术研究院 中插 3 、4 天津中油渤星工程科技有限公司 中插 5 、6 中国石油集团工程技术研究院建安所 中插 7 、8 中国石油集团工程技术研究院海工所 后插 1 、2 上海前山管道技术有限公司 后插 3 、4 中国石油天然气管道局第五工程公司 ●一 4 4 2 0 1 4 年 8 月 后插 5 重庆运达科技有限公司 后插 6 成都熊谷电器工业有限公司 后插 7 辽河石油勘探局油田建设工程一公司 后插 8 第十五届中国国际石油石化技术装备展览会 后插 9 辽宁荣信电气传动技术有限责任公司 后插 1 0 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 后插 1 1 沈阳飞研航空设备有限公司 后插 1 2 山东山大奥太电气有限公司 后插 1 3 中国石油天然气管道局第四工程分公司 后插 1 4 东光县国新液压机械制造有限公司 广告编辑 岳秀梅 翟 义龙