復合軟管內穿插修復技術在油田的適用性研究

于慶龍 （大慶油田有限責任公司第四采油廠）

管道非開挖內修復技術一般是指管徑小于1 m的管道，利用少開挖或非開挖的方法對埋地金屬管道進行修復的技術，該技術可有效解決高后果區管道隱患治理問題[1]，相比傳統管道更換措施，具有土地費少、工程量小、施工周期短、時效性長等優點[2-4]。目前，成熟的管道內修復技術有風送擠涂、軟管翻轉和軟管內穿插三種[5-7]，綜合直線施工距離、承壓強度及施工質量，選取滌綸纖維增強TPU復合軟管內穿插作為金屬管道內修復技術在大慶油田采油四廠第二作業區高后果區管道進行試驗應用。

1 技術原理及工藝

復合軟管內穿插修復技術是使用圓織纖維增強的樹脂軟管，通過外力縮徑及牽引穿過整條被修復管道，經過流體脹管將其形成一個永久管道結構體與原管道完全貼合[8-9]。也就是說，復合軟管內穿插修復技術是采用復合軟管襯入待修復管道，形成內襯非金屬管防腐性能與原金屬管道機械性能合二為一的“管中管”復合結構，復合軟管內穿插修復技術原理見圖1。

圖1 復合軟管內穿插修復技術原理Fig.1 Principle of composite hose internal penetration repair technology

復合軟管內穿插修復技術實施分為前期準備和內穿插施工兩部分。前期準備包含管線探測、外防修復、更換彎頭和管線取直，明確管道路由，定位全線拐點，并將管道外防破損點修復排除后期管道外腐蝕隱患。采用4D （管道直徑）彎頭將原1.5D彎頭替換，保證復合管過彎脹管后可與原管完全貼合無截流點，穿渠部分采用原管徑碳鋼管替換“幾”字彎管段取直，便于施工階段一次性穿插修復。內穿插施工階段包含操作坑開挖、斷管，通球清管達St2 等級，同時將鋼絲繩帶到修復起始端，復合軟管現場折U 并牽引穿插，打壓脹管使內襯管定形，接頭處理保證與原管連接密封，試壓投運。

2 室內篩選

2.1 PE 和TPU 兩種內襯材質性能對比

為保證內襯材質可滿足集輸管道工況運行需求，對其承壓、耐溫及介質相容性等性能進行測試評價。內襯管材性能參數對比見表1。非金屬內襯材質常用的有PE、TPU、PVDF 三種材質[10]，由于PVDF 硬度較大不適合內穿插且價格偏高，因此選PE 和TPU 兩種材質進行對比。

表1 內襯管材性能參數對比Tab.1 Comparison of performance parameters of lined pipes

從兩種材質的性能評價對比可看出，TPU 材質的剝離強度、爆破強度、縱向拉斷力均高于PE 材質，因此建議使用TPU 作為內襯材質。

2.2 水力計算

進行復合軟管內穿插修復后，會增大原管道壁厚，減小流通截面，在摩阻系數不變的情況下，壓降和溫降均增大，因此進行水力計算，確保內穿插修復的可行性。試驗管道基礎數據見表2，A 計量間站間摻水管道水力熱力計算見表3，B 井單井摻水管道水力熱力計算見表4。

表2 試驗管道基礎數據Tab.2 Basic data of test pipeline

表3 A 計量間站間摻水管道水力熱力計算Tab.3 Hydraulic and thermal calculation of water mixing pipeline between stations in metering room A

表4 B 井單井摻水管道水力熱力計算Tab.4 Hydraulic and thermal calculation of water mixing pipeline in single well B

管道修復后過流能力與修復前管道的過流能力的比值按公式計算：

式中：B為管道修復后與修復前的過流能力比；ne為原管道的粗糙度，mm，取0.035；ni為新管道的粗糙度，mm，取0.009；De為原管道的平均內徑，mm；Di為內襯管的內徑，mm。

由此可以得出，?114 mm×4.5 mm 管道修復后過流能力是修復前的315%，?60 mm×3.5 mm管道修復后過流能力是修復前的287%。可見，舊管道采用承壓復合軟管內襯修復后，雖然管徑減小，但由于承壓復合軟管內壁光滑，水力特性得到改善，輸量有大幅度的提高。用Pipe-phase 建模計算，原管道內穿插修復縮徑后可滿足實際生產需求。

3 現場試驗

3.1 試驗前期準備工作

試驗選取高后果區內A 計量間站間摻水管道和B 井單井摻水管道進行復合軟管內穿插修復試驗。2020 年8 月—9 月，結合外防腐檢測項目進行管道中心線探測，根據坐標確定管道起、終點及拐點開溝位置，并對外防破損點位進行修復。10 月8 日，根據管道探測坐標及埋深，將拐點1.5D 彎頭換為4D 彎頭，并將穿渠段管道采用原管徑碳鋼管取直。

3.2 內穿插施工

2021 年8 月10 日—9 月19 日，按照施工流程采用復合軟管內穿插技術。先后修復了475 m 的B 井單井摻水管道（?60 mm×3.5 mm）、修復了1 366 m的A 計量間站間摻水管道（?114 mm×4.5 mm），并在B 井計量間處加裝三段修復管段串聯閥組，一次性最長修復950 m，每條管道平均施工周期5～8 d。以A 計量間站間摻水管道為例，該管道沿村屯內道路敷設，臨近民房，穿耕地大棚，屬“雙高”管道。修復內襯根據原管道運行工況，采用滌綸纖維增強TPU 復合軟管，設計壓力2.5 MPa，爆破壓力3.75 MPa，最高運行溫度90 ℃。為保證管道順利穿插作業，該站間摻水管道分兩段施工，即計量間至拐點416 m 和轉油站至拐點950 m，所有連接處采用不銹鋼法蘭連接，并用水泥澆筑，保證其氣密性。試壓階段，B 井單井摻水管道和A 計量間站間摻水管道均采用80 ℃熱水加壓至6.0 MPa，并3.0 MPa 保壓12 h，修復管道全程無滲漏。

3.3 運行評價

截至2022 年9 月，修復后的B 井單井摻水管道和A 計量間站間摻水管道已運行1 a，溫度、壓力平穩，無滲漏現象。同時，對服役1 個月、3 個月和1 a 時內襯性能進行評價，結果見表5。

表5 復合軟管內襯性能評價Tab.5 Performance evaluation of composite hose lining

在內襯承壓性能方面，?53 mm×2.85 mm 滌綸纖維增強TPU 復合軟管，運行1 a 后平均剝離強度6.25 kN/m、爆破強度4.3 MPa、縱向拉斷力29.5 kN，各承壓性能指標無衰減，并且高于摻水管道設計壓力（2.5 MPa）、爆破壓力（3.75 MPa，1.5 倍設計壓力），可作為油田低壓管道應用。

滌綸纖維增強TPU 復合軟管新管的紅外光譜見圖2，服役1 a 的紅外光譜見圖3。在介質抗性方面，通過1 a 的摻水、熱洗高溫介質運行，滌綸纖維增強TPU 復合軟管用紅外分析其化學組分變化情況，可看出各官能團均無增減，100 倍鏡微觀形貌觀察無層間斷裂情況，且介質相容性測試均通過，從而判斷出摻水介質對滌綸纖維、TPU 材質均無溶蝕作用。

圖2 新管的紅外光譜Fig.2 Infrared spectrum of new tube

圖3 服役1 a 的紅外光譜Fig.3 Infrared spectrum of one year service

在經濟評價管道更換方面，更換了1 000 m的?114 mm×4.5 mm 站間摻水管道，在無任何穿越情況下工程費28.44 萬元，土地費按67.9 元/m2計算，估算總投資44.12 萬元，而滌綸纖維增強TPU復合軟管內穿插修復技術管材加施工總投資35 萬元/km，較管道更換至少可節約投資20.67%；更換了1 000 m 的?60 mm×3.5 mm 單井摻水管道，在無任何穿越情況下工程費14.93 萬元，土地費按67.9 元/m2計算，估算總投資29.18 萬元，而滌綸纖維增強TPU 復合軟管內穿插修復技術管材加施工總投資25 萬元/km，較管道更換至少可節約投資14.32%。由此可得知，滌綸纖維增強TPU 復合軟管內穿插修復技術較更換管道相比，正常施工周期需要5～8 d，時效可提高50%，可節約投資10%～25%，只是管徑越小節約投資越少，但對于無路由更換的管道改造而言，該技術可保證管道的正常運行，修復管道在不受外力情況下至少可延長管道使用壽命20 a，并減少日常運行維護費用。

在經濟評價節能方面，若以A 計量間所屬轉油站轄區管道全部進行滌綸纖維增強TPU 復合軟管內穿插修復計算，全站每日摻水泵（2 臺75 kW）耗電3 600 kWh，管道修復后內壁光滑，過流能力提高3.15 倍，通過變頻器控制摻水泵外輸量，每日可節約電量10%，全年節約1.314×104kWh，折合標煤1 616.68 kg。

4 認識及建議

1）滌綸纖維增強TPU 復合軟管宜適用于管徑大于60 mm 的油田集氣輸油、污水等低壓系統金屬管道修復，且在不受外力情況下可長期平穩運行，有效解決環境敏感區長距離涉水管線治理難題。

2）在原金屬管道可承壓情況下，滌綸纖維增強TPU 復合軟管可作為高壓管道內修復內襯材料使用。

3）滌綸纖維增強TPU 復合軟管可按原管道運行工況設計，內穿插修復工藝與傳統管道修復技術相比，提高了時效，節省了成本，具有較好的經濟效益與社會效益。

4）滌綸纖維增強TPU 復合軟管受低溫環境影響較大，建議內穿插施工階段宜在環境溫度高于0 ℃情況下實施。