油气管道穿路套管存在问题与必要性分析

贾光猛

中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,　河北　任丘　062552



油气管道穿路套管存在问题与必要性分析

贾光猛

中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司,河北任丘062552

摘要：为提高工程技术人员对油气管道穿路套管必要性的认识,通过分析油气管道穿路套管对阴极保护、工程造价、施工难度的影响以及套管设置目的、直埋管道受力等,同时结合国外油气管道穿路常用做法及套管处腐蚀监测创新技术,表明穿越段管道屈服强度计算法确定的管材及壁厚均能通过土压及车辆载荷产生的应力校核,套管的应用会对穿越段管道造成不良影响。因此,设计人员在套管设置必要性方面应慎重,不能盲目采用套管。

关键词：套管；屏蔽；应力分析；腐蚀监测

0前言

近年来,随着国内油气管道建设不断推进,套管作为油气管道穿越公路的保护性措施得到大量应用。但套管的设置不仅提高了工程造价、增加了施工难度、延长了施工时间,而且由于套管的屏蔽作用,穿越处管道成为腐蚀高风险点,同时,国内穿路套管基本处于无检测、无维护、无管理的失控状态[1],因此工程技术人员特别是设计人员在油气管道穿路套管必要性分析与套管类型选择方面应慎重考虑,不能盲目增加套管。

1穿路套管应用存在的问题

1.1穿路套管对阴极保护影响

油气管道穿路套管主要有带外防腐层的钢套管、无防腐层的钢套管、钢筋混凝土套管。根据套管穿越工艺要求,套管两端需采用柔性的防腐防水材料密封,但实际工作中往往密封不好,造成大量水、泥浆和其他电解质侵入[2]。日积月累,这些物质在套管与被保护管道之间的环形空间形成潜在的电解质。

带防腐层的钢套管由于外防腐层具有较高的电阻率,阴极保护电流几乎不能穿过套管防腐层到达被保护管道,造成电屏蔽,必须在套管内部安装牺牲阳极[3]。对于无防腐层的钢套管,由于可能存在套管与被保护管道的环形空间内浸入电解液或泥土，套管与被保护管道短路等情况[4],这些情况对管道的腐蚀控制产生影响,张珂等人[5]、周卫军等人[6]进行过详细介绍。

而对于钢筋混凝土套管,部分设计人员认为其会对阴极保护产生屏蔽,因为钢筋混凝土套管在其干燥时,是不良导体,电阻率较大。但套管通常埋设于地下2～5 m范围内,受周围潮湿的土壤影响具有一定湿度,套管内的硅酸盐与水形成导电性盐基性溶液,使钢筋混凝土套管成了较好的导电物质,电阻率常达100～200 Ω·m,因此,钢筋混凝土套管不会对被保护管道造成屏蔽。

1.2穿路套管大幅度提高工程造价

1.3穿路套管施工存在问题

实际施工中,如果是小管径的管道,重量比较轻,穿套管时较容易控制；如果是大管径的管道,由于单根质量达到4～5 t,自重较大,若施工质量控制不严,穿套管时往往容易划破管道防腐层[8],而且套管内管道由于信号屏蔽无法检测防腐层破坏情况。同时,由于套管内径比管道外径大至少300 mm[9],钢筋混凝土套管内径通常为2 m,大大增加了施工的难度。由于现在施工时都要求保证“净畅宁”,增大施工难度,势必引起施工时间的延长、交通的阻塞、噪音的增加,不仅给附近居民的生活带来不便,而且严重影响工程总体进度。

2穿路套管必要性讨论

2.1穿路套管设置目的

按照美国早期管道工业的标准施工技术,当管道在公路和铁路下穿越时,管道外应当用比其更大管径的套管加以保护。早期的原油管道一般管径比较小,最大管径只有8″(DN 200),并且采用熟铁或者裸钢制造的管段用螺纹接箍连接。因此,原油管道发生外腐蚀和内腐蚀事故是常有的事情。因为管道容易发生泄漏事故,所以最初在公路和铁路下穿越的管段使用穿路套管,这样,当穿路套管发生腐蚀穿孔需要更换时,就不需要开挖了。当然,这样的套管也能够防止泄漏的原油破坏公路或者铁路的路基。同时,采用穿路套管能够在一定程度上减轻油气管道承受的车辆荷载,降低管道损坏的风险[10]。随着公路与管道建设的不断发展,考虑到上述因素,越来越多的公路和铁路下穿越的管段安装了套管。

此外,在管道项目的具体实施过程中,公路管理部门出于公路自身安全以及公路开挖对交通造成影响的考虑,要求管道建设单位顶管穿越公路,仅有少量公路允许开挖带套管穿越。

2.2穿越段直埋管道应力分析

对于直埋管道应力分析,肖治等人[11]在1988年曾做过现场车辆碾压试验,该试验采用80 kN解放载重汽车、自重为350 kN吊车、20 kN重拖拉机等以快、慢、刹车等状态反复碾压埋深0.8 m的Φ 273.1×7钢管,结果表明钢管有足够的刚度和强度以抵消车辆的影响。

我国公路分为高速、一级、二级、三级及四级公路。各级公路桥涵设计的汽车载荷等级为高速公路、一级公路为公路-1级,其他等级公路采用公路-2级,公路-1级和公路-2级汽车载荷采用相同的车辆载荷标准值,即无论是高速公路穿越,还是一级至四级公路穿越,计算中采用的车辆荷载值均相同,车辆重力标准值为550 kN(车辆载荷质量55 t)。按JTG B 01-2014《公路工程技术标准》,车辆后轴重力标准值相对前轴、中轴最重为2×140 kN,后轮着地宽度及长度为0.6 m×0.2 m,因此,车轮均布荷载标准值为583 kPa。根据API RP 1102《钢质管道穿越铁路和公路推荐作法》,考虑管道无套管敷设最不利条件,公路路面类型选择无路面,车轴类型为双轴,公路路面类型系数R和车轮车轴组合系数分别取值1.20、0.80。

以两个典型输气管道项目为例,管道相关设计参数详见表1。

表1穿越段直埋管道应力分析所用管道设计参数

项目管径/mm壁厚/mm压力/MPa设计系数管道安装闭合温度/℃管道输送介质温度/℃土壤反作用模量/MPa土壤弹性模量/MPa内压产生的环向应力㊞σ㊣h/MPa内压与温度变化产生的轴向应力㊞σ㊣a/MPa181314.0100.60203.434280.3674.252219.15.640.60203.43436.11-25.73

根据API RP 1102《钢质管道穿越铁路和公路推荐作法》推荐计算方法[12],对影响管道的土压力产生的环向应力、车辆载荷产生的环向循环应力与轴向循环应力进行详细的计算分析,土压力及车辆载荷随管道埋深的变化曲线见图1～2。从图1～2可以看出：

1)轴向应力和与空管状态下的环向应力和均远小于管道常用钢管的许用应力,因此,一般情况下,采用屈服强度计算法确定的管材及壁厚均能通过土压及车辆载荷产生的应力校核,即按一般段选取设计系数所确定的管道壁厚能够满足无套管穿越的力学要求。

2)李冬辰等人[13]根据JTG D 60-2004《公路桥涵设计通用规范》进行过类似应力分析,认为套管埋设深度在1～2 m之间受力最小；埋深在0～1 m之间,套管所受荷载以车辆载荷为主；埋深大于2 m时,所受载荷以土压为主。从图1～2可以看出,在环向应力方面,当套管埋深小于1.5～2.5 m时,以车辆载荷为主,埋深大于1.5～2.5 m时,以土压为主；套管埋深2～4 m之间,其受力最小,与李冬辰等人结论基本相符。

3)从图1～2的环向应力和(空管状态)与轴向应力和曲线可以看出,随着管道埋深加大,Φ 813与Φ 219.1轴向应力和不断减小,Φ 219.1环向应力和(空管状态)也在不断减小,但Φ 813环向应力和(空管状态)却在不断增加；同时,从当量应力曲线可以看出,当量应力随着埋深增加先减小后逐步增大,因此,从受力分析角度看,并不是管道埋得越深越安全。

图1　土压力及车辆载荷随管道(Φ 813)埋深的变化曲线

图2　土压力及车辆载荷随管道(Φ 219.1)埋深的变化曲线

4)由图1～2发现,土压产生的环向应力曲线随着管道埋深的增大逐渐增大,但Φ 813与Φ 219.1在埋深分别超过10 m、3 m后土压产生的环向应力趋于定值,因此,管径越大,管道埋深对于土压产生的环向应力作用范围越大。

5)该计算分析是基于管道的空管状态,主要是考虑到管道建成后并不会立即投入运行,通常会保持内压0.12 ～0.15 MPa的干燥状态下密闭封存,因此,设计过程中管道应力校核必须按照空管状态核算。

3国外油气管道穿路套管现状

3.1国外油气管道穿路常用做法

近年来,NACE和PHMSA组织就穿路套管对公路和铁路下穿越管道的作用进行了重新评估。在2008年7月的一次研讨会上,PHMSA提出了以下要求：

1)根据工程分析结果建议采用的情况除外,通常新建干线管道应当停止安装穿路套管。

2)只要可能,需要研究拆除现有穿路套管的一致意见。

3)需要修订工业标准,制订检查、维护和修理现有穿路套管的最佳实用方法。

直埋取代套管后,钢管壁厚及其埋深多少最为理想呢？据调查,目前美国新建的燃气管道,在穿越公路时一般均不采用套管,而西欧国家已明确允许穿越铁路时在采用套管或采用厚壁管道之间进行选择。GB 50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》规定：采用无套管的开挖穿越管段,距管顶以上500 mm处应埋设钢筋混凝土板,该规定目的不是为了减少载重车辆对管道的影响,而是为了防止公路开挖作业损坏管道,这也与本文管道受力分析结论相吻合。

3.2穿路套管处腐蚀速率监测

国内油气管道工程建设中,虽然套管被大量采用,但对于套管及被保护管道的腐蚀或屏蔽影响缺乏系统的研究和试验,尚无套管中管道的检测方法和标准[14]。2005年,中国石油天然气管道工程有限公司与中国石油大学(北京)对套管腐蚀和不良影响进行过立题研究[15],该项目研究成果具有某种开创性意义,但提出的套管腐蚀状况和屏蔽影响的检测方法现场应用存在一定困难。

2012年,国外某机构曾采用了一项既经济又有效的创新技术[16],该技术将气相缓蚀剂、电阻腐蚀探针、远程监测技术等成熟技术组合在一起用于解决套管处腐蚀速率监测。具体做法：在套管与被保护管道之间的环形空间里,灌注一种胶状气相缓蚀剂(VCI)，将电阻(ER)腐蚀探针悬挂在有缓蚀剂保护的套管上部气相空间中，电阻探针测量出的腐蚀速率被定期传输到联网电脑数据库,同时,将套管与被保护管道两者的管地电位测量值传输到联网电脑。对穿路套管而言,人们最关心的是有无未被检测出来的套管泄漏点,密封的套管内是否形成了一个腐蚀环境,以及套管与管道之间发生电气短路的可能性。通过综合应用气相缓蚀剂(VCI)、电阻(ER)腐蚀速率探针、远程监测技术,技术人员能够获取必要的数据,确保套管内处于最佳防腐环境,并且能够辨别出操作条件发生的任何突然变化。

4结论与建议

根据穿路套管应用存在问题与国外油气管道穿路套管现状,结合Φ 813、Φ 219.1典型用管直埋管道受力分析,对设计、施工、运行管理提出以下建议：

1)由于套管对阴极保护、工程造价、施工难度等均有影响,因此，采用阴极保护的管道推荐直埋方式,不推荐套管。若必须采用套管,建议选用非绝缘材质的钢筋混凝土套管或无防腐层的钢套管,采用带外防腐层的钢套管时,必须在套管内部安装牺牲阳极。

2)采用直埋方式穿越公路时,根据GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》与GB 50253-2014《输油管道工程设计规范》设计确定的油气管道壁厚受车辆载荷影响有限,并不是管道埋设越深越安全。在特殊地段管道埋深超深的情况下,可考虑增加管道壁厚来满足管道强度的要求。

3)管道采用直埋方式穿越公路时,管顶埋深建议不小于1.5 m,且距管顶以上500 mm处埋设钢筋混凝土板。

4)穿路套管处管道腐蚀的根本原因为防腐层存在缺陷,因此,在带套管穿越施工过程中,必须合理设置绝缘支撑,避免破坏管道防腐层。

5)建议在设计阶段对穿路管段增设适当的腐蚀监测手段,同时,在管道运行过程中加强监测,对可能出现的屏蔽、短路现象及时维修,确保管道安全稳定运行。

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收稿日期：2016-02-03

作者简介：贾光猛(1984-)，男，山东德州人，工程师，学士，主要从事油气管道防腐蚀设计和长输管道设计、研究工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.005