大跨度定向鉆成品油管道原孔回拖搶修施工技術

阮亦根, 阮 哲,王棟杰,盧建國

(1.中國石化浙江石油分公司,浙江 杭州 310002;2.中海油研究總院工程設計研究院,北京 100027;3.中國石化工程建設公司,北京 100029)

1 工程概況

2018年8月14日,某成品油管道(簡稱A管道)處于停輸保壓狀態,下午14點54分,中控發現出站壓力和進站壓力下降,并立即核查,于15點06分確認第六出站方向90 km+420 m處管道發生泄漏,后經巡線員現場核實,管道被G60高速公路拓寬工程地質勘探鉆破,破損點埋深21.2 m,為定向鉆穿越管段。

A管道破損段非開挖定向鉆施工時間為2013年9月21日至11月20日,全長約615 m,入土角13°,出土角8°,最大穿越深度約23 m。采用Φ406.4×8.7 mm鋼管,材質為L415,3PE防腐；三級擴孔至Φ850 mm。管道破損點與定向鉆入土點水平距離約135 m,與出土點水平距離約480 m；東側10 m為X502縣道；南側15 m為G60高速公路；西側20 m為高邊坡水渠；北側9 m為口徑Φ1 016 mm輸氣管道(簡稱B管道),11.2 m為口徑Φ813 mm輸氣管道(簡稱C管道)，25 m為數棟民房,搶修作業空間十分受限(圖1)。

圖1 管道破損點周邊環境示意圖

2 破損管道搶修技術方案

2.1 管道破損點地質狀況

根據巖土工程勘察報告,地層主要由雜填土、粉質黏土、含礫粉質黏土、粉質黏土混碎石、卵石、全風化泥質砂巖、強風化泥質砂巖、中等風化泥質砂巖及強風化炭質泥質砂巖、中等風化炭質砂巖組成；定向鉆管道水平段選擇在④3層中等風化泥質砂巖中穿越(圖2)。

2.2 破損搶修方案比選

根據管道破損點現場周邊環境,初步確定四套搶修方案(見表1)。

圖2 定向鉆管道所在地層圖

序號方案優點缺點1采用直徑2m鋼套筒,機械在套筒內旋挖至管道破損點上方1m左右,再人工開鑿至破損點下方1m進行破點修復。對周邊環境影響較小,施工周期短,費用節省。人工下井20m開鑿難度大;處于井下含油氣、受限空間、有毒有害氣體環境,動火作業修復管道,安全風險極高。2在原管位縱深地質層,重新進行定向鉆穿越敷設新管道對地面環境影響較小,施工周期較短,施工質量保障,新管道線位清楚,投資相對節省。北15m內有在運行的B、C管道,南15m內還需要讓G60高速公路拓寬,地質構造復雜,管道敷設空間十分狹小,定向鉆施工安全風險較大。3重新規劃路由,溝埋敷設新管道施工質量保障,新管道線位清楚。需穿越公路、橋涵、水渠,拆遷民房,周邊影響及投資較大,施工周期長,政策協調難度極大。4將定向鉆管道割斷,用夯錘錘松,滑輪組將破損管道抽出,同時將新管道回拖替換。安全風險可控,費用相對節省,工期短。破損管道能否拉動未知,新回拖的管道防腐層質量不好控制,管道軌跡難以精確定位。

2.3 搶修方案確定

首先對現場情況進行分析：

1)根據地勘資料研判,水平定向鉆管道主要位于中等風化泥質砂巖層,現場通過定向鉆兩端出入土點開挖洞口觀察,原定向鉆成孔良好,未出現大的坍塌,且孔洞內還留有大量原定向鉆施工期間的稠狀泥漿；對于重新在原孔內拖拉破損管道和新管道較為有利。

2)管道破損點泄漏的柴油只有少量噴涌到地面,離破損點480 m的定向鉆出土點有部分油品滲出；分析研判是定向鉆鉆道內存在空隙,帶壓油品沿著破損管道外壁和鉆道空隙擠壓到出土點方向。

3)定向鉆穿越段地下水豐富、水位較高。

據此,確定采用方案四,即將定向鉆破損管道拖出,并在原孔內回拖新管道,之后與穿越段兩端原有溝埋敷設管道連頭。

3 破損管道搶修施工技術

整個搶修在定向鉆入土點和出土點位置進行作業,關鍵施工技術是對破損管段兩端帶壓封堵、清管拉拔以及新管線回拖安裝等。

3.1 施工前安全措施

由于管道停輸狀態保壓較高(破損管段就近站場表壓為2.0 MPa),管道破損后泄漏量和泄漏范圍較大,泄漏的油品易燃易爆；事故發生后立刻進行區域警戒，關閉破損點上下游線路截斷閥,24 h泄漏巡查，油料回收，油氣濃度檢測，人員車輛疏散等。

3.2 帶壓封堵及置換

具體帶壓封堵施工工藝見圖3。

其中需要注意以下幾點：

1)帶壓封堵全過程進行可燃氣體檢測。

2)采用的管件與原管道設計壓力等級一致。

3)使用DM管道檢測儀探測定向鉆管道兩端基本管位、走向和埋深；然后人工開挖探管,確定管位后,再用人工和機械結合進行作業坑開挖。

圖3 帶壓封堵施工工藝流程

4)作業坑施工場地需滿足封堵設備布置、車輛(油罐車、消防車、吊車)停放、機械停擺、操作等需要。

5)帶壓封堵管道應先開平衡孔,后開封堵口,最后開收油孔。

6)確定封堵嚴密后,進行封堵段抽油作業。

7)定向鉆管道(破損管段)截斷切割前,封堵段管道用氮氣置換油氣。

8)完成管段切斷后,考慮封堵時間較長,會導致皮碗泄漏,主管道兩端口采用封頭滿焊密封；密封前先對焊接連頭口管道內側清理,使用黃油膩子密封,封堵有效長度不應小于1.5倍管道內徑。

經過封堵、截斷后,破損管段兩端進行內壁清理,使用黃油膩子密封,黃油膩子距離管口不能小于300 mm,用清洗劑將管口清洗干凈,在黃油膩子外側表面噴涂干粉,然后進行可燃氣體檢測,處于危險警報含量以下,之后焊接帶有排油、注水口的收發球筒,進行油品置換及清管作業。

3.3 新管道用材、焊接與檢驗

1)新管道采用Ф406.4×12.5 mm、L415鋼管,每支長12 m,冷彎管現場制作,熱煨彎管工廠定制；鋼管、管件采購、制作按現行標準執行[1-3]。

2)在焊接施工前進行焊接工藝評定,根據評定合格的焊接工藝,編制焊接工藝規程[4]。焊接方式根據搶修工程線路現場條件,每10支管道焊接成一個拖管單元,整條定向鉆管道分五段進行預制。采用手工電弧焊,下向焊操作[5],地面組焊,所有焊縫都采用100%X射線照相檢驗和100%超聲波探傷檢驗,對于檢驗不合格焊口只允許一次返修,返修不合格必須割口[6-7]。

3.4 新管道清管、測徑及試壓

1)清管與測徑 每一拖管單元試壓前后分別進行清管、測徑；五個單元焊接回拖后,整體試壓前后再分別進行清管、測徑；試壓管段兩端設臨時清管器收發裝置,清管球選擇過盈量為管內徑的5%～8%,采用帶鋁質測徑板清管器,測徑板直徑為管道內徑的90%,測徑板通過無變形、皺褶,判定為合格,清管、測徑壓力小于管線設計壓力[7-10]。

2)試壓 在出土點設表,清管、測徑過程中進行試壓；強度試驗壓力取1.5倍設計壓力,嚴密性試驗壓力為設計壓力；試壓水質為無腐蝕性潔凈水,pH值為6～9[7-10]。

3.5 破損管道拉拔

選擇現場條件較好的定向鉆出土端,設置夯錘不斷錘擊破損管道,定向鉆入土端設置鉆機帶動滑輪組牽引破損管道,進行夯管試拖。

1)夯錘、拖拉設備選型。

Φ406.4×8.7 mm、L415鋼管的最低屈服強度為415 MPa,最低抗拉強度為520 MPa[11]；夯錘最大的錘擊力不大于415 MPa,滑輪組最大拉力不大于520 MPa,據此選擇合適的夯錘機和滑輪組。

2)破損管道回拖。

破損管道最初定向鉆施工時,采用Φ406.4×8.7 mm主管道和Φ114×6 mm光纜鋼套管一起自由回拖；考慮到Φ114光纜鋼套管可能纏繞破損管道,將增加破損管道回拖阻力,且光纜鋼套管未做防腐,強度有所下降,為防止光纜鋼套管在回拖過程中可能拉斷,本次只回拖Φ406.4×8.7 mm破損管道。

在出土端設置不同壓力等級夯錘,錘擊破損管道,破損管道受到錘擊后管壁上的泥漿、碎土松動,如此持續2 min,然后在入土端用鉆機牽引滑輪組(共5股組)拉拔；逐步增大錘擊壓力和牽引拉力,在300 MPa壓力錘擊過后,鉆機牽引拉力顯示4.2 MPa(實際拉力為4.2×5 MPa)時,破損管道被拉動；這時停止錘擊,單用鉆機牽引滑輪組拉拔,破損管道也被拉動了,鉆機牽引拉力顯示3.1 MPa(實際拉力為3.1×5 MPa)。

停止夯拉,在破損管道與新管道之間焊接長12 mΦ457×9.5 mm短管(圖4),作為新管道回拖擴孔；入土端鉆機牽引滑輪組重新開始拉拔,牽引拉力顯著增大。當鉆機牽引拉力顯示7.4 MPa(實際拉力為7.4×5 MPa)時,破損管道和新管道一起被拉動；隨著破損管道被拉出長度的增加,鉆機牽引拉力逐步下降。壓力記錄見表2。

表2 管道錘擊、拖拉壓力表

3.6 新管道回拖

破損管道拉出和新管道回拖就位的過程中：

1)注入泥漿。

在破損管道拉拔及新管道回拖的整個過程中,水平定向鉆出土端(新管道拖進洞口)設置泥漿池,連續調制，灌注泥漿,新管道經過泥漿浸泡后拖進洞口；同時在管道破損處再高壓注入泥漿,以減輕管道回拖過程的摩擦,保護新管道防腐層。

2)短管擴孔。

Φ457×9.5 mm短管(圖4)連著舊管道一起回拖,同時給新管道引成了擴孔回拖的空間。

圖4 新管道回拖擴孔示意圖

3)防腐層評價。

新管道采用3PE防腐,現場對回拖出來的部分新管道防腐層經表面清洗、察看,結果保持完好；用電火花檢測沒有發現防腐層漏點；管道連頭后通過兩端就近陰保測試樁進行防腐層質量評價,經專業的檢測公司檢測,結果全部合格,其中81.3%管段達到優級。

4)腐蝕預防措施。

為防止管道回拖過程中,3PE防腐層機械損傷,本工程在管段封堵井位置增設了2組犧牲陽極裝置,以達到保護效果。

3.7 可燃氣體檢測

破損管道拉拔及新管道回拖過程中,需要大量的焊接拖拉頭、破損管道割斷、新管道焊接、安裝收發球裝置等明火作業,每道工序作業前須進行可燃氣體檢測。

3.8 新管道兩端焊接、投油

1)新管道連頭。

新管道回拖、清管、測徑合格后,整體進行強度和嚴密性試驗及可燃氣體檢測,采用陀螺儀進行管位精準測量；然后兩端進行連頭焊接、檢驗。

2)新管道投油。

連頭焊縫檢驗合格后,先取出入土端(相對低點)封堵塞,開啟入土點下游方向線路截斷閥,出土端(相對高點)封堵器平衡孔排氣并監視充油量。當平衡孔不再排氣、少量排油后,將平衡孔封堵,再開啟出土點上游方向線路截斷閥完成投油。

4 結 語

此水平定向鉆管道破損原孔回拖搶修能夠安全成功,關鍵條件和因素是：

1)破損管段巖層地質穩定,定向鉆成孔良好,沒有塌孔或者較少塌孔；

2)地下水豐富,水位較高,使得原始泥漿始終處于濕潤狀態,沒有完全固結抱死管道；

3)選擇合適的夯錘錘擊和滑輪組牽引,錘擊壓力不大于管道最低屈服強度,牽引拉力不大于管道最低抗拉強度；

4)管道回拖過程中采用Φ457 mm短管擴孔,始終在新管道拖進洞口、破損點注漿,增加潤滑，減少摩擦，保護防腐層；

5)新管道回拖前后分別進行清管、測徑、試壓,整體連接后進行防腐層評價和犧牲陽極保護；

6)事故管段恢復投產后,對該段管道及前后管段進行高后果區識別、評價和管理。