复合软管内穿插修复技术在油田的适用性研究

于庆龙 （大庆油田有限责任公司第四采油厂）

管道非开挖内修复技术一般是指管径小于1 m的管道，利用少开挖或非开挖的方法对埋地金属管道进行修复的技术，该技术可有效解决高后果区管道隐患治理问题[1]，相比传统管道更换措施，具有土地费少、工程量小、施工周期短、时效性长等优点[2-4]。目前，成熟的管道内修复技术有风送挤涂、软管翻转和软管内穿插三种[5-7]，综合直线施工距离、承压强度及施工质量，选取涤纶纤维增强TPU复合软管内穿插作为金属管道内修复技术在大庆油田采油四厂第二作业区高后果区管道进行试验应用。

1 技术原理及工艺

复合软管内穿插修复技术是使用圆织纤维增强的树脂软管，通过外力缩径及牵引穿过整条被修复管道，经过流体胀管将其形成一个永久管道结构体与原管道完全贴合[8-9]。也就是说，复合软管内穿插修复技术是采用复合软管衬入待修复管道，形成内衬非金属管防腐性能与原金属管道机械性能合二为一的“管中管”复合结构，复合软管内穿插修复技术原理见图1。

图1 复合软管内穿插修复技术原理Fig.1 Principle of composite hose internal penetration repair technology

复合软管内穿插修复技术实施分为前期准备和内穿插施工两部分。前期准备包含管线探测、外防修复、更换弯头和管线取直，明确管道路由，定位全线拐点，并将管道外防破损点修复排除后期管道外腐蚀隐患。采用4D （管道直径）弯头将原1.5D弯头替换，保证复合管过弯胀管后可与原管完全贴合无截流点，穿渠部分采用原管径碳钢管替换“几”字弯管段取直，便于施工阶段一次性穿插修复。内穿插施工阶段包含操作坑开挖、断管，通球清管达St2 等级，同时将钢丝绳带到修复起始端，复合软管现场折U 并牵引穿插，打压胀管使内衬管定形，接头处理保证与原管连接密封，试压投运。

2 室内筛选

2.1 PE 和TPU 两种内衬材质性能对比

为保证内衬材质可满足集输管道工况运行需求，对其承压、耐温及介质相容性等性能进行测试评价。内衬管材性能参数对比见表1。非金属内衬材质常用的有PE、TPU、PVDF 三种材质[10]，由于PVDF 硬度较大不适合内穿插且价格偏高，因此选PE 和TPU 两种材质进行对比。

表1 内衬管材性能参数对比Tab.1 Comparison of performance parameters of lined pipes

从两种材质的性能评价对比可看出，TPU 材质的剥离强度、爆破强度、纵向拉断力均高于PE 材质，因此建议使用TPU 作为内衬材质。

2.2 水力计算

进行复合软管内穿插修复后，会增大原管道壁厚，减小流通截面，在摩阻系数不变的情况下，压降和温降均增大，因此进行水力计算，确保内穿插修复的可行性。试验管道基础数据见表2，A 计量间站间掺水管道水力热力计算见表3，B 井单井掺水管道水力热力计算见表4。

表2 试验管道基础数据Tab.2 Basic data of test pipeline

表3 A 计量间站间掺水管道水力热力计算Tab.3 Hydraulic and thermal calculation of water mixing pipeline between stations in metering room A

表4 B 井单井掺水管道水力热力计算Tab.4 Hydraulic and thermal calculation of water mixing pipeline in single well B

管道修复后过流能力与修复前管道的过流能力的比值按公式计算：

式中：B为管道修复后与修复前的过流能力比；ne为原管道的粗糙度，mm，取0.035；ni为新管道的粗糙度，mm，取0.009；De为原管道的平均内径，mm；Di为内衬管的内径，mm。

由此可以得出，ϕ114 mm×4.5 mm 管道修复后过流能力是修复前的315%，ϕ60 mm×3.5 mm管道修复后过流能力是修复前的287%。可见，旧管道采用承压复合软管内衬修复后，虽然管径减小，但由于承压复合软管内壁光滑，水力特性得到改善，输量有大幅度的提高。用Pipe-phase 建模计算，原管道内穿插修复缩径后可满足实际生产需求。

3 现场试验

3.1 试验前期准备工作

试验选取高后果区内A 计量间站间掺水管道和B 井单井掺水管道进行复合软管内穿插修复试验。2020 年8 月—9 月，结合外防腐检测项目进行管道中心线探测，根据坐标确定管道起、终点及拐点开沟位置，并对外防破损点位进行修复。10 月8 日，根据管道探测坐标及埋深，将拐点1.5D 弯头换为4D 弯头，并将穿渠段管道采用原管径碳钢管取直。

3.2 内穿插施工

2021 年8 月10 日—9 月19 日，按照施工流程采用复合软管内穿插技术。先后修复了475 m 的B 井单井掺水管道（ϕ60 mm×3.5 mm）、修复了1 366 m的A 计量间站间掺水管道（ϕ114 mm×4.5 mm），并在B 井计量间处加装三段修复管段串联阀组，一次性最长修复950 m，每条管道平均施工周期5～8 d。以A 计量间站间掺水管道为例，该管道沿村屯内道路敷设，临近民房，穿耕地大棚，属“双高”管道。修复内衬根据原管道运行工况，采用涤纶纤维增强TPU 复合软管，设计压力2.5 MPa，爆破压力3.75 MPa，最高运行温度90 ℃。为保证管道顺利穿插作业，该站间掺水管道分两段施工，即计量间至拐点416 m 和转油站至拐点950 m，所有连接处采用不锈钢法兰连接，并用水泥浇筑，保证其气密性。试压阶段，B 井单井掺水管道和A 计量间站间掺水管道均采用80 ℃热水加压至6.0 MPa，并3.0 MPa 保压12 h，修复管道全程无渗漏。

3.3 运行评价

截至2022 年9 月，修复后的B 井单井掺水管道和A 计量间站间掺水管道已运行1 a，温度、压力平稳，无渗漏现象。同时，对服役1 个月、3 个月和1 a 时内衬性能进行评价，结果见表5。

表5 复合软管内衬性能评价Tab.5 Performance evaluation of composite hose lining

在内衬承压性能方面，ϕ53 mm×2.85 mm 涤纶纤维增强TPU 复合软管，运行1 a 后平均剥离强度6.25 kN/m、爆破强度4.3 MPa、纵向拉断力29.5 kN，各承压性能指标无衰减，并且高于掺水管道设计压力（2.5 MPa）、爆破压力（3.75 MPa，1.5 倍设计压力），可作为油田低压管道应用。

涤纶纤维增强TPU 复合软管新管的红外光谱见图2，服役1 a 的红外光谱见图3。在介质抗性方面，通过1 a 的掺水、热洗高温介质运行，涤纶纤维增强TPU 复合软管用红外分析其化学组分变化情况，可看出各官能团均无增减，100 倍镜微观形貌观察无层间断裂情况，且介质相容性测试均通过，从而判断出掺水介质对涤纶纤维、TPU 材质均无溶蚀作用。

图2 新管的红外光谱Fig.2 Infrared spectrum of new tube

图3 服役1 a 的红外光谱Fig.3 Infrared spectrum of one year service

在经济评价管道更换方面，更换了1 000 m的ϕ114 mm×4.5 mm 站间掺水管道，在无任何穿越情况下工程费28.44 万元，土地费按67.9 元/m2计算，估算总投资44.12 万元，而涤纶纤维增强TPU复合软管内穿插修复技术管材加施工总投资35 万元/km，较管道更换至少可节约投资20.67%；更换了1 000 m 的ϕ60 mm×3.5 mm 单井掺水管道，在无任何穿越情况下工程费14.93 万元，土地费按67.9 元/m2计算，估算总投资29.18 万元，而涤纶纤维增强TPU 复合软管内穿插修复技术管材加施工总投资25 万元/km，较管道更换至少可节约投资14.32%。由此可得知，涤纶纤维增强TPU 复合软管内穿插修复技术较更换管道相比，正常施工周期需要5～8 d，时效可提高50%，可节约投资10%～25%，只是管径越小节约投资越少，但对于无路由更换的管道改造而言，该技术可保证管道的正常运行，修复管道在不受外力情况下至少可延长管道使用寿命20 a，并减少日常运行维护费用。

在经济评价节能方面，若以A 计量间所属转油站辖区管道全部进行涤纶纤维增强TPU 复合软管内穿插修复计算，全站每日掺水泵（2 台75 kW）耗电3 600 kWh，管道修复后内壁光滑，过流能力提高3.15 倍，通过变频器控制掺水泵外输量，每日可节约电量10%，全年节约1.314×104kWh，折合标煤1 616.68 kg。

4 认识及建议

1）涤纶纤维增强TPU 复合软管宜适用于管径大于60 mm 的油田集气输油、污水等低压系统金属管道修复，且在不受外力情况下可长期平稳运行，有效解决环境敏感区长距离涉水管线治理难题。

2）在原金属管道可承压情况下，涤纶纤维增强TPU 复合软管可作为高压管道内修复内衬材料使用。

3）涤纶纤维增强TPU 复合软管可按原管道运行工况设计，内穿插修复工艺与传统管道修复技术相比，提高了时效，节省了成本，具有较好的经济效益与社会效益。

4）涤纶纤维增强TPU 复合软管受低温环境影响较大，建议内穿插施工阶段宜在环境温度高于0 ℃情况下实施。