油气管道穿路套管存在问题与必要性分析.pdf

2 0 天棘气与石油 N A lU R A LG A SA N D0 I L 2 0 1 6 年6 月 油气管道穿路套管存在问题与必要性分析 贾光猛 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘0 6 2 5 5 2 摘要：为提高工程技术人员对油气管道穿路套管必要性的认识，通过分析油气管道穿路套管 对阴极保护、工程造价、施工难度的影响以及套管设置目的、直埋管道受力等，同时结合国外油气管 道穿路常用做法及套管处腐蚀监测创新技术，表明穿越段管道屈服强度计算法确定的管材及壁厚 均能通过土压及车辆载荷产生的应力校核，套管的应用会对穿越段管道造成不良影响。因此，设计 人员在套管设置必要性方面应慎重，不能盲目采用套管。 关键词：套管；屏蔽；应力分析；腐蚀监测 D O I ：1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 6 0 3 0 0 5 0 前言 近年来，随着国内油气管道建设不断推进，套管作 为油气管道穿越公路的保护性措施得到大量应用。但 套管的设置不仅提高了工程造价、增加了施工难度、延 长了施工时间，而且由于套管的屏蔽作用，穿越处管道 成为腐蚀高风险点，同时，国内穿路套管基本处于无检 测、无维护、无管理的失控状态 ，因此工程技术人员特 别是设计人员在油气管道穿路套管必要性分析与套管 类型选择方面应慎重考虑，不能盲目增加套管。 1 穿路套管应用存在的问题 1 1 穿路套管对阴极保护影响 油气管道穿路套管主要有带外防腐层的钢套管、无 防腐层的钢套管、钢筋混凝土套管。根据套管穿越工艺 要求，套管两端需采用柔性的防腐防水材料密封，但实 际工作中往往密封不好，造成大量水、泥浆和其他电解 质侵人心 。日积月累，这些物质在套管与被保护管道之 间的环形空间形成潜在的电解质。 带防腐层的钢套管由于外防腐层具有较高的电阻 率，阴极保护电流几乎不能穿过套管防腐层到达被保护 管道，造成电屏蔽，必须在套管内部安装牺牲阳极J 。 对于无防腐层的钢套管，由于可能存在套管与被保护管 道的环形空间内浸入电解液或泥土，套管与被保护管道 短路等情况H ，这些情况对管道的腐蚀控制产生影响， 张珂等人胪】、周卫军等人 6 1 进行过详细介绍。 而对于钢筋混凝土套管，部分设计人员认为其会对 阴极保护产生屏蔽，因为钢筋混凝土套管在其干燥时， 是不良导体，电阻率较大。但套管通常埋设于地下2 5 m 范围内，受周围潮湿的土壤影响具有一定湿度，套管内的 硅酸盐与水形成导电性盐基性溶液，使钢筋混凝土套管 成了较好的导电物质，电阻率常达1 0 0 一2 0 0Q m ，因 此，钢筋混凝土套管不会对被保护管道造成屏蔽。 1 。2 穿路套管大幅度提高工程造价 以中缅天然气管道工程钦州支线县道2 3 4 穿越为 例，该公路穿越采用顶进钢筋混凝土套管法施工，穿越 段管道规格为巾8 1 3 1 4 0X 7 0S A W L ，顶管施工长度为 2 4m ，套管规格为D R C P 15 0 0 20 0 0 钢承口。若采 用直埋敷设方式，费用为1 0 5 万元，但由于采用顶管施 工，实际费用为2 4 4 万元，为直埋敷设的2 3 2 。宝鸡市 1 9 9 3 年在石坝河地区煤气工程建设中，仅管道穿越清姜 路等处，共加套管5 2 9 3 0m 、4 0 0 1 2 0m ，主材费共 计增加3 2 万元，防腐及辅助材料费增加0 4 万元，管沟 开挖施工费增加0 2 8 万元，该路段工程总费用增加 2 3 6 。由此可见，采用套管方式穿越公路的工程费 收稿日期：2 0 1 6 0 2 0 3 作者简介：贾光猛( 1 9 8 4 一) ，男，山东德州人，工程师，学士，主要从事油气管道防腐蚀设计和长输管道设计、研究工作。 第3 4 卷第3 期 O I LA N D G A ST R A N S P O R T A T I O NA N DS T O R A G E 用较直埋至少增加l倍。 1 3 穿路套管施工存在问题 实际施工中，如果是小管径的管道，重量比较轻，穿 套管时较容易控制；如果是大管径的管道，由于单根质 量达到4 5t ，自重较大，若施工质量控制不严，穿套管 时往往容易划破管道防腐层、8 1 ，而且套管内管道由于信 号屏蔽无法检测防腐层破坏情况。同时，由于套管内径 比管道外径大至少3 0 0m m 【9 ，钢筋混凝土套管内径通常 为2m ，大大增加了施工的难度。由于现在施工时都要 求保证“净畅宁”，增大施工难度，势必引起施工时间的 延长、交通的阻塞、噪音的增加，不仅给附近居民的生活 带来不便，而且严重影响工程总体进度。 2 穿路套管必要性讨论 2 1 穿路套管设置目的 按照美国早期管道工业的标准施工技术，当管道在 公路和铁路下穿越时，管道外应当用比其更大管径的套 管加以保护。早期的原油管道一般管径比较小，最大管 径只有8 ”( D N2 0 0 ) ，并且采用熟铁或者裸钢制造的管段 用螺纹接箍连接。因此，原油管道发生外腐蚀和内腐蚀 事故是常有的事情。因为管道容易发生泄漏事故，所以 最初在公路和铁路下穿越的管段使用穿路套管，这样， 当穿路套管发生腐蚀穿孔需要更换时，就不需要开挖 了。当然，这样的套管也能够防止泄漏的原油破坏公路或 者铁路的路基。同时，采用穿路套管能够在一定程度上减 轻油气管道承受的车辆荷载，降低管道损坏的风险0 | 。 随着公路与管道建设的不断发展，考虑到上述因素，越来 表1穿越段直埋管道应力分析所用管道设计参数 油与储运 2 1 越多的公路和铁路下穿越的管段安装了套管。 此外，在管道项目的具体实施过程中，公路管理部 门出于公路自身安全以及公路开挖对交通造成影响的 考虑，要求管道建设单位顶管穿越公路，仅有少量公路 允许开挖带套管穿越。 2 2 穿越段直埋管道应力分析 对于直埋管道应力分析，肖治等人 1 在1 9 8 8 年曾 做过现场车辆碾压试验，该试验采用8 0k N 解放载重汽 车、自重为3 5 0k N 吊车、2 0k N 重拖拉机等以快、慢、刹车 等状态反复碾压埋深0 8m 的中2 7 3 1 7 钢管，结果表 明钢管有足够的刚度和强度以抵消车辆的影响。 我国公路分为高速、一级、二级、三级及四级公路。 各级公路桥涵设计的汽车载荷等级为高速公路、一级公 路为公路一1 级，其他等级公路采用公路一2 级，公路一1 级和公路一2 级汽车载荷采用相同的车辆载荷标准值， 即无论是高速公路穿越，还是一级至四级公路穿越，计 算中采用的车辆荷载值均相同，车辆重力标准值为 5 5 0k N ( 车辆载荷质量5 5t ) 。按J T GB0 1 2 0 1 4 公路 工程技术标准，车辆后轴重力标准值相对前轴、中轴最 重为2x1 4 0k N ，后轮着地宽度及长度为0 6m 0 2m ， 因此，车轮均布荷载标准值为5 8 3k P a 。根据A P IR P 1 1 0 2 钢质管道穿越铁路和公路推荐作法，考虑管道无 套管敷设最不利条件，公路路面类型选择无路面，车轴 类型为双轴，公路路面类型系数尺和车轮车轴组合系数 分别取值1 2 0 、0 8 0 。 以两个典型输气管道项目为例，管道相关设计参数 详见表1 。 根据A P IR P1 1 0 2 钢质管道穿越铁路和公路推荐 作法推荐计算方法。1 “，对影响管道的土压力产生的环 向应力、车辆载荷产生的环向循环应力与轴向循环应力 进行详细的计算分析，土压力及车辆载荷随管道埋深的 变化曲线见图1 2 。从图l2 可以看出： 1 ) 轴向应力和与空管状态下的环向应力和均远小 于管道常用钢管的许用应力，因此，一般情况下，采用屈 服强度计算法确定的管材及壁厚均能通过土压及车辆 载荷产生的应力校核，即按一般段选取设计系数所确定 的管道壁厚能够满足无套管穿越的力学要求。 2 ) 李冬辰等人川根据J T GD6 0 2 0 0 4 公路桥涵设 计通用规范进行过类似应力分析，认为套管埋设深度 在1 2m 之间受力最小；埋深在0 一lm 之间，套管所受 荷载以车辆载荷为主；埋深大于2m 时，所受载荷以土压 为主。从图1 2 可以看出，在环向应力方面，当套管埋 深小于1 5 2 5m 时，以车辆载荷为主，埋深大于1 5 2 5m 时，以土压为主；套管埋深2 4m 之间，其受力最 小，与李冬辰等人结论基本相符。 3 ) 从图l2 的环向应力和( 空管状态) 与轴向应力 和曲线可以看出，随着管道埋深加大，中8 1 3 与中2 1 9 1 轴向应力和不断减小，中2 1 9 1 环向应力和( 空管状态) 也在不断减小，但中8 1 3 环向应力和( 空管状态) 却在不 断增加；同时，从当量应力曲线可以看出，当量应力随着 埋深增加先减小后逐步增大，因此，从受力分析角度看， 2 0 1 6 年6 月 并不是管道埋得越深越安全。 + 土压产生的环向应力一- 一车辆载荷产生的环向循环应力 车辆产生的轴向循环廊力 环向应力和( 空管状态) 一轴向应力和 + 当量应力 6 0 5 0 4 0 矗 3 0 塞2 0 奋lo 0 1 0 2 0 3 0 管道埋深，m 图1土压力及车辆载荷随管道( D8 1 3 ) 埋深的变化曲线 。车辆载荷产生的环向循环应办一土压产生的环向应力 一- 车辆产生的轴向循环应，J环向应力和( 空管状态) 一轴向应力和 + 当量应力 5 0 4 0 3 0 2 0 要 o 蹬0 1 0 2 0 3 0 。 1 。、一一一一一一 一一一，彳 口 噩_ 粤警啤奢誊亩裟 I D1 41 82 22 63 03 65 07 01 0 01 4 I 懈懈 飞、： 管道埋椿1 1 1 图2 土压力及车辆载荷随管道( 02 1 9 1 ) 埋深的变化曲线 4 ) 由图1 2 发现，土压产生的环向应力曲线随着 管道埋深的增大逐渐增大，但8 1 3 与2 1 9 1 在埋深 分别超过1 0m 、3m 后土压产生的环向应力趋于定值，因 此，管径越大，管道埋深对于土压产生的环向应力作用 范围越大。 5 ) 该计算分析是基于管道的空管状态，主要是考虑 到管道建成后并不会立即投入运行，通常会保持内压 0 1 2 0 1 5M P a 的干燥状态下密闭封存，因此，设计过 程中管道应力校核必须按照空管状态核算。 3 国外油气管道穿路套管现状 3 1 国外油气管道穿路常用做法 近年来，N A C E 和P H M s A 组织就穿路套管对公路和 铁路下穿越管道的作用进行了重新评估。在2 0 0 8 年7 月的一次研讨会上，P H M s A 提出了以下要求： 1 ) 根据工程分析结果建议采用的情况除外，通常新 建干线管道应当停止安装穿路套管。 2 ) 只要可能，需要研究拆除现有穿路套管的一致意见。 3 ) 需要修订工业标准，制订检查、维护和修理现有 穿路套管的最佳实用方法。 直埋取代套管后，钢管壁厚及其埋深多少最为理想 呢? 据调查，目前美国新建的燃气管道，在穿越公路时 一般均不采用套管，而西欧国家已明确允许穿越铁路时 在采用套管或采用厚壁管道之间进行选择。G B5 0 4 2 3 2 0 1 3 油气输送管道穿越工程设计规范规定：采用无套 管的开挖穿越管段，距管顶以上5 0 0m m 处应埋设钢筋 混凝土板，该规定目的不是为了减少载重车辆对管道的 影响，而是为了防止公路开挖作业损坏管道，这也与本 文管道受力分析结论相吻合。 3 2 穿路套管处腐蚀速率监测 国内油气管道工程建设中，虽然套管被大量采用，但 对于套管及被保护管道的腐蚀或屏蔽影响缺乏系统的研 究和试验，尚无套管中管道的检测方法和标准“。2 0 0 5 年，中国石油天然气管道工程有限公司与中国石油大学 ( 北京) 对套管腐蚀和不良影响进行过立题研究5 | ，该 项目研究成果具有某种开创性意义，但提出的套管腐蚀 状况和屏蔽影响的检测方法现场应用存在一定困难。 2 0 1 2 年，国外某机构曾采用了一项既经济又有效的 创新技术引，该技术将气相缓蚀剂、电阻腐蚀探针、远程 监测技术等成熟技术组合在一起用于解决套管处腐蚀 速率监测。具体做法：在套管与被保护管道之间的环形 空间里，灌注一种胶状气相缓蚀剂( V C I ) ，将电阻( E R ) 腐蚀探针悬挂在有缓蚀剂保护的套管上部气相空间中， 电阻探针测量出的腐蚀速率被定期传输到联网电脑数 据库，同时，将套管与被保护管道两者的管地电位测量 值传输到联网电脑。对穿路套管而言，人们最关心的是 有无未被检测出来的套管泄漏点，密封的套管内是否形 成了一个腐蚀环境，以及套管与管道之间发生电气短路 的可能性。通过综合应用气相缓蚀剂( V C I ) 、电阻( E R ) 腐蚀速率探针、远程监测技术，技术人员能够获取必要 的数据，确保套管内处于最佳防腐环境，并且能够辨别 出操作条件发生的任何突然变化。 4 结论与建议 根据穿路套管应用存在问题与国外油气管道穿路 套管现状，结合中8 1 3 、中2 1 9 1 典型用管直埋管道受力 分析，对设计、施工、运行管理提出以下建议： 1 ) 由于套管对阴极保护、工程造价、施工难度等均 有影响，因此，采用阴极保护的管道推荐直埋方式，不推 荐套管。若必须采用套管，建议选用非绝缘材质的钢筋 混凝土套管或无防腐层的钢套管，采用带外防腐层的钢 套管时，必须在套管内部安装牺牲阳极。 2 ) 采用直埋方式穿越公路时，根据G B5 0 2 5 1 2 0 1 5 第3 4 卷第3 期 O I LA N D G A ST R A N S P O R T A T lO NA N DS T O R A G E 输气管道工程设计规范与G B5 0 2 5 3 2 0 1 4 输油管道 工程设计规范设计确定的油气管道壁厚受车辆载荷影 响有限，并不是管道埋设越深越安全。在特殊地段管道 埋深超深的情况下，可考虑增加管道壁厚来满足管道强 度的要求。 3 ) 管道采用直埋方式穿越公路时，管顶埋深建议不小 于1 5m ，且距管顶以上5 0 0m m 处埋设钢筋混凝土板。 4 ) 穿路套管处管道腐蚀的根本原因为防腐层存在 缺陷，因此，在带套管穿越施工过程中，必须合理设置绝 缘支撑，避免破坏管道防腐层。 5 ) 建议在设计阶段对穿路管段增设适当的腐蚀监 测手段，同时，在管道运行过程中加强监测，对可能出现 的屏蔽、短路现象及时维修，确保管道安全稳定运行。 盖亨喜基董蛐麟导波超触棚懒管髓的 1 0 1 翁永基，董旭，俞彦英导波超声技术检测带套管管道的 。 腐蚀 J 管道技术与设备，2 0 0 4 ，( 6 ) ：3 6 3 8 W e n gY o n 裔i，D o n gX u ，Y uY a n y in g C o r r o s io n D e t e c t io no f s le e v e dP ip eb yG u id e dw a v eu lt r a s o n icT e c h n iq u e J P ip e lin eT e c h n iq u ea n dE q u ip m e n t ，2 0 0 4 ，( 6 ) ：3 6 3 8 2 林冬孝，叶芬，何崇伟钢套管内金属管道的腐蚀及防 护 J 油气储运，2 0 0 7 ，2 6 ( 7 ) ：4 9 5 0 L inD o n 黔ia o ，Y eF e n ，H eC h o n g w e iC a s eS t u d yo nt h e C o D s io no fS t e e l P ip e lin einS le e v ea n dP ip e lin eP r o t e c t io n J 0 il& G a ss t o r a g ea n dT r a n s p o n a t io n ，2 0 0 7 ，2 6 ( 7 ) ： 4 9 5 0 3 张延丰套管穿越处的阴极保护 J 腐蚀与防护，2 0 0 0 ， 2 1 ( 4 ) ：4 5 4 7 z h a n gY a n f b n g c a t h o d icP m t e c t io no fc a s in gc m s s in g J C o r m s io n P m t e c t io n ，2 0 0 0 ，2 1 ( 4 ) ：4 5 4 7 4 王江锋，李红旗输气管线阴极保护问题与治理 J 腐蚀 与防护，2 0 1 4 ，3 5 ( 7 ) ：7 5 8 7 6 0 W a n gJ i锄g f e n g ，L iH o n g q i E n h a n c e m e n to fC a t h o d icP m - t e c t io ns y s t e mf o rG a sP ip e lin e J c o r r o s io n P r o t e c t io n ， 2 0 1 4 ，3 5 ( 7 ) ：7 5 8 7 6 0 5 张珂，史国福，宁尚锋，等钢制套管对埋地管道阴极保 护的影响 J 腐蚀与防护，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 1 ) ：5 8 0 5 8 2 z h a n gK e ，S h iG u o f u ，N in gS h a n d b n g ，e ta 1 I n n u e n c eo f s t e e l c a s in go nc a t h o d icP r o c t e c t io no fB u r ie dP ip e lin e J C o r m s io n P m t e c t io n ，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 1 ) ：5 8 0 5 8 2 6 周卫军，张瑶，金焱，等埋地管道钢制套管内杂散电流 腐蚀穿孔机理研究 J 全面腐蚀控制，2 0 1 4 ，2 8 ( 1 0 ) ：5 3 5 7 z h o uW e ij u n ，z h a n gY a o ，J inY a n ，e ta 1 AS t u d yo fS t r a y C u r r e n tC o r r o s io nP e r f o r a t io nM e c h a n is mo fB u r ie dP ip e lin e w it h int h es t e e lc a s in g J T o t a lc o 0 s io nc o n t r o l，2 叭4 ， 2 8 ( 1 0 ) ：5 3 5 7 油与储运2 3 陈福元，张小军，蹇亚军城市燃气管线穿越各种道路加设套 管问题的探讨 J 管道技术与设备，l嘶，( 6 ) ：1 8 2 0 C h e nF u y u a n ，z h a n gX ia o j u n ，J ia nY a j u n D is c u s s io no nt h e P r o b le mo fS e t t in gU pC a s in ginC ilyG a sP ip e lin eT h m u g ha ll 瞄n d so fR o a d s J P ip e lin eT e c h n iq u ea I ldE q u ip m e n t ， 1 9 9 7 ，( 6 ) ：1 8 2 0 葛艾天现场跟踪一套管内腐蚀 J 国外油田工程， 2 0 0 1 ，1 7 ( 9 ) ：7 0 7 2 G eA it ia n C o r m s io nI n s id e C a s in g A F ie ldC a s e H is t o r y J F o r e i驴0 ilf ie ldE n 舀n e e I in g ，2 0 0 1 ，1 7 ( 9 ) ：7 0 7 2 史航，程梦鹏，张文伟，等油气输送管道穿越工程设计 规范：G B5 0 4 2 3 2 0 1 3 s 北京：中国计划出版社， 2 叭3 ：5 0 S lli k g ，C h e n gM e n 印e n g ，功a 1 1 9W e n w e i，e ta 1 C 0 d ef o r D e s 研o fo il觚dG 够P ip e lin ec r o s s 岖E 蟛n 蒯I lg ：G B5 0 4 2 3 2 0 1 3 S B e ij in g ：C 1 1 i衄P la n n iI lgP r e s s ，2 0 1 3 ：5 0 蒋孝兵穿越道路管道可靠性评估 D 成都：西南石油 学院。2 0 0 3 J i锄g a o b in g R e lia b il畸A s s e s s H le mo fC m s s in gR o a dP ip e lin e D c h e n g d u ：S o u t 1 w e s tP e t m le 岫I n s t it u t e ，2 0 0 3 肖 冶，王茂棠，张振远无套管穿越道路的探讨 J 油 气储运，1 9 8 8 ，7 ( 3 ) ：5 4 5 9 X ia 0Y e ， W a I lgM a o t a I lg ，Z h a n gZ h e n ”a I I S le e v e le s s R o a dc m s s in gP m b e d J 0 ilG a sS t o r a g ea I ld ，I r a n s p o r t a t io n ，1 9 8 8 ，7 ( 3 ) ：5 4 5 9 1 2 A m e I ic 锄P 曲d e 啪I n s t it u t e S le e lP ip e lin 船C r D s s in gR 丑il一 础肌dH ig h w a y s ：A HR P1 1 舵一砌 S I liI lg 【o n ： A HP u b lis h in gS e n r ic e s ，2 0 0 f 7 ：1 2 1 7 1 3 李冬辰，何淑英浅析穿路构筑物的受力 J 科技创新 导报，2 0 1 5 ，( 1