油氣管道穿越鋼制套管密封端設計

傅堅陽，龍世華，趙海峰，程浩力，張敬祎，金惠，王華

（1. 杭州市城鄉建設設計院股份有限公司，浙江杭州 310004）

（2. 中國石油工程建設有限公司北京設計分公司，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

套管穿越技術廣泛應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過程中則普遍應用于公鐵路及河流穿越等穿越中[2]。當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致的管道及鋼套管腐蝕失效[3-5]，鋼制套管兩端都進行密封。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注，良好的套管密封方式設計，不僅利于管道安全，更利于施工，同時對推進“標準化設計”、“工廠化預制”、“模塊化施工”、“機械化作業”的工程建設“五化”工作中的大有裨益。

1 常見套管封堵結構及存在的問題

由于套管內鋼管面臨著腐蝕失效問題，眾多學者對套管內解決腐蝕失效的填充電解質、采用陰極保護防治措施及封堵形式等措施進行了研究[6-8]。國內石油天然氣標準規范也對封堵等措施作了相應規定。

GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》[9]在第7.1.3規定“穿越鐵路或二級及以上公路時，應采用頂進套管、頂進箱涵或水平定向鉆穿越方式，并滿足路基穩定性的要求。當套管或涵洞內空間充填細土將穿越管段埋人時，可不設檢漏管及兩端的封堵”，第7.3.1條規定“采用涵洞、套管等保護方法穿越公路、鐵路時。宜采用鋼筋混凝土涵洞、鋼筋混凝土套管或者鋼質套管?！?/p>

GB 50424-2015《油氣輸送管道穿越工程施工規范》[10]第8.1.4條規定“穿越管段與套管端部的環形空間應按設計要求進行封堵，其長度應大于200mm”，常規操作方式為當套管或涵洞內充填細土將穿越管段埋入時，不設排氣管及兩端的嚴密封堵。當套管或涵洞內輸氣穿越管段是裸露時，設排氣管且兩端嚴密封堵。由于取材及施工的便利性，國內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。當不采用封堵時（圖2），則套管內回填細土/細砂或泥漿。

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，因而經常采用鋼制套管穿越。加拿大國家標準CAN/CSA-Z662-15 《Oil and gas pipeline systems》[11]第4.12.3.3條“Cased crossings”規定，套管末端同輸送管之間應適當密封。海外油氣田集輸及外輸管道穿越設計中應用更廣泛的美國石油協會標準API RP 1102 《Steel Pipelines Crossing Railroads and Highways》[12]其第5.9節“Casing Seals”明確規定，為減少土壤和水的侵入，套管兩端應進行密封。常采用的密封形式為高密度輻射交聯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柔性結構，鋼制套管和管道之間有較大的環形空間，柔性密封套在安裝完成后，管溝回填時單側受到土壤擠壓，遇到硬質土塊、碎石、樹枝回填土中等常見的夾雜物，容易破損失效，使得管道套管內灌入大量積水或泥沙。因此，結合現場工程實踐，設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形空間，且取材容易，便于安裝和維護。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，說明封堵端優化設計方案。

2 鋼制套管封堵優化設計

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 套管端部設計及加工示意圖

當采用大開挖預埋套管時，可以預先在預制場地批量焊接套管端部法蘭，以便降低現場作業坑內作業時間及安裝工作量，降低作業風險。

當采用鉆孔或頂進施工時，可以先安裝一端的法蘭面，當套管完成穿越后，在進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 封堵端設計及加工示意圖

2.3 封堵安裝

鋼套管及輸送管在套管內就位后，輸送管在鋼套管端口位置包裹保護橡膠片，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線路防腐工程常用的熱收縮套（高密度輻射交聯熱收縮材料）纏繞密封（圖7），以達到密封效果。

圖7 管道封堵端密封安裝示意圖

3 結論

采用油氣集輸及油氣儲運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，減少了連頭安裝點坑底作業時間及風險，密封裝置采用鋼板鋼管制作，提高了強度，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項目中鋼質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用性。