聚烯烴管及其內穿插技術在油田的應用

張偉福，嚴長亮，魏 軍，孔祥文，魏亞秋，劉 波

（中國石油集團工程材料研究院有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

隨著國內油田的不斷開發，產油量增多的同時其產出物越來越多，綜合含水量也不斷增多，部分油田的產出物中硫化氫、二氧化碳以及氯離子的含量較高，顯示出較強的酸性，在此情況下，油田用金屬管道被腐蝕情況越來越嚴重，管道內壁被腐蝕后呈點狀或者是串狀，腐蝕較嚴重的地方則會形成穿孔，造成輸送介質泄漏，如果治理不及時將會造成巨大損失。與金屬管相比，聚烯烴管具有優良的耐腐蝕性能，因此在石油化工、市政建設、農業生產的應用越來越廣泛[1-3]。

1 聚烯烴管

聚烯烴是聚乙烯、聚丙烯、聚1-丁烯及其他烯烴類聚合物的總稱[4]，聚烯烴管一般采用擠出成型的方法加工而成。油田用聚烯烴管主要作為金屬管道的內襯修復和新建金屬管道的內襯防腐，作為內襯用的聚烯烴管包括高密度聚乙烯（HDPE）管、耐熱聚乙烯（HTPO）管、改性聚烯烴管和帶阻隔層的聚烯烴（HBPE）管。油田用聚烯烴管性能優良：

（1）卓越的耐腐蝕性能。除少數強氧化劑外，可耐多種介質的侵蝕；無電化學腐蝕。

（2）長久的使用壽命。在額定溫度、壓力狀況下，管道可安全使用50 年以上。

（3）優異的回彈性。管材韌性好，縮頸后的回彈性能強，保證了與基體的結合力。

（4）可靠的連接性能。管材熱熔或電熔接口的強度高于管材本體，接縫不會由于土壤移動或在載荷的作用下斷開。

HDPE（聚乙烯）管的最高耐熱溫度為60 ℃，但是稠油集輸管道的運輸溫度較高，遠遠超過60 ℃，此時應該選用可承受溫度較高的聚乙烯管道，如HTPO（耐熱聚乙烯）管，其工作溫度能夠達到90 ℃，比HDPE 管的耐熱性更好。部分油田冬天的溫度低，井場原油輸送都采用加熱后再輸送模式，井口出油溫度一般在70 ℃，油田需根據現場條件選用合適的聚烯烴管。油田用內襯聚烯烴管應用范圍見表1[5]。

表1 油田用內襯聚烯烴管應用范圍

2 內穿插技術

內穿插技術最早在20 世紀80 年代，由日本和歐美等國開始系統研究，并逐步推廣應用到地下管線的敷設和管道更新。國內在借鑒國外技術的基礎上不斷總結提高，內穿插技術逐步走向成熟、應用越來越廣泛。

內穿插技術是將適合尺寸的聚烯烴管插入需要修復的舊金屬管道內或新金屬管道，利用金屬管道的剛性和強度為承力結構，結合聚烯烴管的特點，形成復合結構，使穿插后的管道具備鋼管和聚烯烴管的綜合性能。內穿插技術利用聚烯烴管變形后能自動恢復原始物理形狀的特性，配備專用設備施工。目前聚烯烴管插入金屬管道的方式主要有兩種：

（1）將聚烯烴管經專用U 形設備壓縮后縮徑，截面壓縮后形成雙U 結構，將聚烯烴管截面縮小約40%，在牽引力的作用下拉入鋼制管道（圖1）。聚烯烴管牽引到位后，借助于自身特性通過輔助壓力使管徑回彈恢復，形成牢固的管中管結構[6]。

圖1 截面壓縮的U 形內襯管

（2）用外徑略大于待修復管道內徑的聚烯烴管，在常溫下使其通過縮徑機，經過多級壓縮后經牽引機穿插進入待修復管道內，待一定時間或輔助壓力方式使其恢復原有直徑，實現與舊管道內壁的過盈貼合，形成復合管道（圖2）[7]。

圖2 縮徑穿管

內穿插技術在油田主要應用于現場非開挖修復鋼制管線。非開挖施工就是以最小的地表開挖量來完成各種地下管線的鋪設、更換、修復的工程施工技術。非開挖內穿插修復技術即結合非開挖和內穿插技術修復油田老鋼制管線或已埋地新建鋼制管線，提高管線的壽命（圖3）。

圖3 非開挖內穿插修復技術

非開挖內穿插修復技術的優勢明顯，主要體現在以下5 個方面：

（1）聚烯烴管的生產周期短、能快速供貨，并且管道具有優秀的耐磨性和耐腐蝕性，管道修復后使用壽命大大延長。

（2）施工費用及施工工期方面，在線修復，無需全線開挖，施工難度小、施工時間短，投資費用低，修復一條舊管線的成本為新上管線綜合成本的40%～50%。

（3）環境影響方面，占用土地少、植被破壞小，特別是涉及保護區等情況下優勢明顯。

（4）產量影響方面，修復快、投產快、產能影響小。

（5）維護方便，損壞后維修方便、快速。

3 聚烯烴管內穿插施工

聚烯烴管內穿插施工設備：①縮徑機，用于暫時縮小聚烯烴管的直徑；②牽引裝置，用于牽引縮徑后的聚烯烴管使其穿過待修復管線；③熱熔焊機，采用熱熔焊技術連接聚烯烴管，形成連續長度的聚烯烴管線。

（1）聚烯烴試樣管段穿插：正式施工前，先用一段聚烯烴試樣管段進行試穿插，目的是：①檢查待修復管線的內徑；②檢查試樣管段的外表面損傷情況，了解待修復管線的內表面狀況；③確定摩擦阻力的大小。若試樣管段受阻或外表面受損嚴重，需對管線內部進一步處理后再施工。

（2）聚烯烴管縮徑穿插：將牽引機頭部固定在聚烯烴管的頭部，接好牽引纜繩。啟動縮徑機和牽引車，按照施工工藝中規定的速度使聚烯烴管勻速通過縮徑機后進入待修復管線，并從另一端拉出，聚烯烴管長度要求大于目標管道，在完成穿插后兩端要有伸出量，以防止聚烯烴管回縮，使其伸出長度穩定在300～500 mm，為后續恢復和端口處理使用。在施工時，應嚴格控制聚烯烴管段的應力大小，避免拉應力大于其拉伸屈服強度極限，造成內插管斷裂的問題。

在整個穿插過程中，所需的拉應力與聚烯烴管的屈服強度、橫截面積成正比關系：F＝kσyA。其中，F 是拉應力，σy屈服強度，A 為內穿插管道的橫截面的面積；k 為系數，由管道的收縮比和直徑來確定。

在內穿插施工過程中，為保證聚烯烴管不被拉斷，其最大拉應力不能超過其屈服強度的1/2。對于一定直徑和收縮比的聚烯烴管最大允許壁厚由公式可計算。

聚烯烴管施工完畢后，由于其材料特性會恢復原有管徑，管道內襯聚烯烴管的復原時間不得小于24 h。修復后的管道連通后進行分段試壓驗收或全線整體試壓驗收。對于設計壓力較低的管道其試壓介質可選擇水或空氣，對于設計壓力較高的管道其試壓介質宜選用水。

非開挖聚烯烴管內穿插修復工藝流程為：管線勘察探測→內襯管清理→管材焊接→操作坑開挖→斷管、焊接變徑→管線清洗→縮徑、穿插內襯→管頭連接→彎頭連接→沖洗→試壓。

4 結束語

近年來，聚烯烴管結合非開挖內穿插技術修復油田老舊鋼制管線，有效降低了鋼制管線腐蝕穿孔數量，避免腐蝕穿孔引發的油氣泄漏、環境污染等安全環保問題，延長集輸管線使用壽命，保障油田安全生產運行，提高油田總體開發效益。作為綠色的施工技術，非開挖內穿插技術的現場占用場地小、施工快速便捷，質量可靠，為油田管道腐蝕治理提供了新的技術發展方向。