HDPE內襯穿管技術在伊拉克格拉夫水管理項目的應用

唐文輝 金永青 敬蜀龍 陳希 黃玉良

中國石油集團工程建設公司北京分公司

1 項目簡介

HDPE（高密度聚乙烯）內襯穿管技術的優點是施工速度快，過流斷面的損失很小，適用于大曲率半徑的彎管，可進行長距離修復[1]。此項目注水管線管徑為8～12 in（1 in=25.4 mm）， 設計壓力為21.5 MPa，材質為X65鋼管，二者采用過盈配合。內襯穿管主要流程為：鋼管按照要求進行分段焊接，每個分段兩頭焊接鋼法蘭，在指定位置開孔并焊接排氣孔，對焊接完的鋼管進行相應焊縫檢測、清管、試壓、吹掃干燥；HDPE管按照要求熱熔連接完成分段所需長度，對熱熔連接完畢的HDPE管做氣壓試驗，然后對其進行縮徑、牽引穿插、回彈、水壓檢測等步驟[2]。

2 設計基礎

由于該項目為高壓注水管道，內部不含氣體，故按照固有抗坍塌襯里設計。其特點是襯層外表面平滑、厚度較厚，即使在管道內部壓力短時間內完全泄壓時，襯層軸向和環向也不會產生坍塌，襯層依然保持強度。如果管道泄壓達到管道設計壓力的40%且超過1天，管道需要進行排氣；同時，管道也要根據運行情況和檢測需要進行定期排氣。

按照固有抗坍塌襯里設計，并考慮抗管道真空，安全系數為1.5。該項目抗坍塌應力需滿足公式（1）要求，即

式中：Pcrit,rad為管道的抗坍塌應力，MPa；Pvacuum為真空壓力，0.1 MPa。

3 HDPE管設計

原材料：Borsafe HE 3490-LS，顆粒材料經過熱擠壓形成管道。

外徑：由于采用固有抗坍塌襯里設計，外徑需稍大于主管道內徑，本項目HDPE管外徑考慮大于主管道內徑3～5 mm。

壁厚：考慮徑向抗坍塌設計、軸向抗坍塌設計、運輸因素，計算過程以12 in注水鋼管為例，鋼管材質X65，壁厚10.8 mm[3]。

徑向抗坍塌設計公式為

式中：Pcrit為坍塌壓力，MPa；c為常數，取值1；E為5%應變時的割線模量，450 MPa（由拉伸試驗獲得）； v為泊松比，取值0.38； SDR為徑厚比（直徑/壁厚=OD/t：OD為HDPE管外徑，mm； t為HDPE管壁厚，mm）；n為指數，可由下式求得

式中： Δ為缺陷尺寸，2 mm（焊縫余高，如圖1所示）；D為主管道內徑，302.2 mm。

由公式（2）計算得SDR≤34.3。

圖1 內襯缺陷（本項目僅限左圖）Fig.1 Liner imperfection（only for the left）

軸向抗坍塌設計公式為

其中

式中：ΔV為HDPE材料的體積膨脹比，經試驗確定值為0；α為HDPE管的熱膨脹系數，取200×10-6℃-1；ΔT為設計溫度與安裝溫度之間差值的絕對值，℃，由于設計溫度60℃，安裝溫度23℃，可得ΔT=37℃；Rbend為HDPE管的冷彎半徑，一般最小取40 mm；SF為安全系數，取1.5。

由公式（5）計算得 εax=0.022 7，而由公式（4） 求得 SDR≤82。綜合公式（2）、（4），可求得SDR ≤34.3。

以該項目12 in注水管線為例，鋼管內徑為302.2 mm，考慮過盈配合HDPE內襯管外徑選擇305.2 mm。同時，考慮到運輸管道變形的需要，一般要求 SDR在26～32之間，保守選擇 SDR=26，HDPE管壁厚t=11.7 mm。

接頭設計由鋼法蘭、內襯法蘭搭接頭、限位環、緊固件組成（圖2）。

圖2 接頭示意圖Fig.2 Schematic diagram of connection

鋼法蘭：1 500 lb（1 lb=0.454 kg）帶頸對焊法蘭，凸面，材質為ASTM A694.F65，焊接端壁厚與鋼管壁厚一致，突臺面內側需加工6 mm的內倒角，便于后期HDPE管穿插，避免對HDPE管產生切割力。

內襯法蘭搭接頭：材料為HDPE100，外徑與鋼管內徑一致，壁厚與HDPE管厚度相同，法蘭面與鋼法蘭凸臺直徑一致。

限位環：安裝于兩鋼法蘭之間，用于鎖緊HDPE搭接頭，內徑比凸臺面外徑大2 mm，材質選取A106管材或定制鍛件。

緊固件：材質為ASTM A193 Gr.B7/ASTM A194 Gr.2H，材料為電鍍鋅+氟碳漆。

由于此項目為注水管線，水中無伴生氣，考慮安裝過程和運行中需要停產維修，每個接頭兩側設排氣孔，排氣孔開在主管道上尺寸不大于3 mm，排氣孔外側對稱位置焊接1 500 lb 0.5 in法蘭支管臺，外接盲法蘭。在HDPE管穿插完畢回彈過程中，主管道和HDPE管之間空隙氣體被不斷排出，最終二者完全貼合。

內襯層一次作業安裝長度應根據地形、連接點、彎頭、管道內部情況確定；內襯管單位截面上的拉力，包括摩擦力、彎管附加力、縮徑附加力的綜合，不得超過HDPE管屈服強度的50%，由此可計算得出最大牽引長度；摩擦力的大小取決于牽引過程中是否加油脂，如果在HDPE管外涂抹適量的植物油脂，可以極大地減小摩擦力，從而增大牽引長度。

4 施工要求

（1）施工機具：包括吊車、平板車、挖掘機、發電機、四級滾輪縮徑機、HDPE管熱熔機、空壓機、卷揚機、切管機、清管設備、打壓泵等。

（2）鋼管清管：用鋼絲刷清管器進行清管，保證管道內部無焊渣、異物殘留，發射泡沫清管器掃除管道內殘留水，保持管道內部干燥、清潔。

（3）HDPE管焊接：采用對接熱熔連接工藝，并按照要求做熱熔工藝評定和焊工持證上崗。焊接過程中注意控制HDPE管壁厚，不允許對口時壁厚超過2 mm。焊接完畢后打磨HDPE管內、外側焊縫，同時在HDPE管穿插末端側焊接HDPE搭接頭[4]。

（4）氣壓試驗：HDPE管焊接完畢后需檢查熱熔連接是否有缺陷，通常需要在縮徑前做氣壓試驗。在不超過0.3 bar壓力下保壓3 h，管線要適當固定，熱熔接口涂抹肥皂泡判斷是否泄漏。

（5）縮徑：使用四級滾輪縮徑設備對HDPE管進行縮徑，注意管道牽引過程中下方安裝滑輪減小摩擦，防止劃傷管道[5]。

（6）穿繩：用空壓機發射連接好細鋼繩的清管器到末端，將末端的卷揚機牽引繩由鋼繩帶回到HDPE管端（牽引繩的抗拉能力不得小于最大牽引力的4倍），牽引HDPE管試驗管段，檢查試驗管段在穿過鋼管過程中是否有損傷，要求最大刻痕深度不超過0.5 mm或5%HDPE管厚度的最大值。

（7）穿管：在對試驗管段檢查合格后正式牽引內襯管，牽引過程注意控制速度，控制卷揚機牽引力，原則上速度每分鐘不超過30 m。在HDPE管從末端穿出后，松掉牽引繩，在合適位置焊接另一個HDPE搭接頭，等HDPE搭接頭回縮后即可完成穿管[6]。

（8）回彈：采用輔助壓力回彈HDPE管，逐級升壓并穩定一段時間，查看排氣孔排氣情況，如無排氣，繼續升壓，最大壓力達到HDPE管自承壓能力的1.5倍，穩定至不再排氣即完成回彈。

（9）水壓試驗：與氣壓試驗相同，逐級升壓，最終達到鋼管設計壓力的1.25倍，并穩壓24 h，無泄漏及明顯壓力降為合格。

5 穿管注意事項

采用HDPE內襯穿管技術一次性穿管長度在600～800 m之間，試壓之前管道已經逐漸達到過盈配合，此后發生泄漏修復將極其困難，為保證內襯作業的一次成功，實施過程務必注意以下事項：

（1）穿管長度不宜過長，每個穿越段盡量避免存在兩個及以上的連續大角度彎頭。當穿越段有彎頭時，盡量將彎頭布置在穿越段起末點附近，最好位于穿插的末端[7]。

（2）鋼管焊接過程中需保證焊接工藝符合要求，內焊縫余高不要超過2 mm，且不得存在焊渣、焊瘤；內襯穿管前可做管道內檢測，如不符合要求，需采用管道清洗除瘤技術。

（3）HDPE內襯管的熱熔焊接和焊縫打磨必須由專業人員操作，由生產廠家進行培訓并取得崗位證書。

（4）HDPE內襯管在牽引過程中宜考慮在襯管外表面涂抹少量油脂減小摩擦阻力，避免內襯管承受過大拉力[8]。

（5）鋼管在試壓完畢后需進行排水、清管、干燥等作業，在襯管穿插前保證管道內部的清潔，襯管在進入鋼管前保證與地面沒有接觸，避免對管道內部的二次污染[9]。

（6）在采用輔助壓力、溫度措施脹管時，壓力必須緩慢升高，尤其是采用壓縮空氣作為介質脹徑時，過高過快的壓力有可能導致內襯管發生脆裂，原材料的快速脆裂、慢速脆裂指標必須符合規范要求。

（7）鋼管系統整體避免出現尖銳角邊，比如鋼法蘭內徑要做6 mm導圓角，排氣孔的開孔采用機械開孔，并從管道內部檢查開孔處是否有刺，如有需要打磨處理。

6 整體試壓數據

考慮上述注意事項后，該項目內襯管道整體試壓順利完成，試壓曲線如圖3所示。

圖3 系統試壓曲線Fig.3 Curve of system pressure test

由圖3可知，內襯管道在24 h內保持住所要求的試壓壓力，順利通過24 h強度試壓（1.25倍線路設計壓力），HDPE內襯管整體設計、施工流程通過現場驗證。

7 結論

（1）HDPE內襯穿管技術填補了碳鋼管耐腐蝕差的缺陷，減小了管道的摩阻系數。在原管線內襯HDPE管形成鋼塑復合管道，能在原管道承壓能力基礎上，使壓應力更趨均勻分布，堵塞泄漏點，加強薄弱管段，阻斷介質腐蝕，綜合提高管道使用性能[10]。

（2）該文引入了內襯管徑向坍塌和軸向坍塌理論，為內襯管壁厚計算提供了依據。對于不含氣體介質的管道，此SDR值是可以通用的，不需要針對每個項目單獨計算。

（3）此項目聚乙烯管使用的是標準管材級別，需借助輔助壓力進行回彈，優點是對內襯管回拖時間選擇上比較靈活，但回彈過程借助外力時間較長，可以研究改性的聚乙烯材料增大其自動回彈能力。

（4）除采用冷彎管外，線路上存在大角度變化的還可以采用法蘭連接的工廠注塑彎頭，即彎頭兩端先焊接好鋼法蘭，并在工廠內對彎頭內部分兩層注入黏接層和保護層；現場彎頭與管道法蘭連接，突面外用限位圈加固。