PE管穿越曲率半径及长度的选择_王勃.pdf

0前言 聚乙烯 PE 管定向钻穿越 以下简称穿越 技术是 近年来城镇燃气管道敷设发展起来的一项非开挖穿越 技术 该技术的应用已见诸文献 1 4 目前 仅有CJJ 63 2008 聚乙烯燃气管道工程技术规程 对PE管穿越 时管道允许的最大回拖力进行了规定 但对穿越的曲 率半径及允许的穿越长度均未说明 给穿越设计与施 工技术人员造成极大不便 有些城镇燃气工程为了避 免日后运行麻烦 宁可采用价格高的钢管进行穿越而 不采用PE管穿越 或者即使采用PE管进行穿越 但 曲率半径仍按照GB 50423 油气长输管道穿越工程设 计规范 的最小曲率半径1 200D D为管道外径 进行 设计 不但增加了项目投资 也增加了管道运行的安全 隐患 同时PE管的柔韧性也没有得到充分体现 根据以往PE管穿越工程施工经验 一般采用的 曲率半径在400 1 200D之间 调研表明 PE管穿越 运行良好 未发生安全事故 因此 本研究对PE管穿 越受力进行模拟计算 选择最小曲率半径 400D 进行 受力分析 以观察其是否满足管道受力要求 进而计 算PE管的最大安全穿越长度 1PE管穿越的经济优势 燃气用PE管通常指的是高密度聚乙烯燃气管 PE管具有良好的柔韧性 断裂伸长率一般大于500 对管基不均匀沉降的适应能力非常强 具有优异的抗 冲击 耐扭曲能力 5 目前燃气管道常采用的PE管有 PE80级和PE100级 穿越管道通常选用PE100的管 道 以DN 300管道穿越为例 钢管穿越曲率半径采 用1 200D 390 m PE管穿越采用400D 126 m 其 PE 管穿越曲率半径及长度的选择 王勃 1 孙洪波 1 朱国承 1 印在望 2 程原小 2 1 西安长庆科技工程有限责任公司 陕西西安710018 2 安徽省天然气开发有限责任公司 安徽合肥230000 摘要 为确定聚乙烯 PE 燃气管道在城镇燃气定向钻穿越工程中的曲率半径及安全穿越长度 选择 400D作为穿越曲率半径 对PE管穿越与钢管穿越长度进行比较 同时对穿越时管道受到的回拖 力 绞盘力 轴向力及径向力进行计算 结果表明 选择400D作为PE管穿越时的曲率半径可以大 幅度降低工程投资 能够满足穿越施工及管材受力要求 但PE管穿越长度根据PE管管径的不同 略有不同 关键词 PE管穿越 曲率半径 穿越长度 文献标识码 A 文章编号 1006 5539 2012 02 0023 04 收稿日期 2011 08 15 基金项目 西安长庆科技工程有限责任公司工程资助项目 CTEC012 2010S 作者简介 王勃 1983 男 陕西渭南人 助理工程师 学士 从事天然气长输管道 城镇燃气管道设计咨询工作 第30卷第2期 油气储运OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE23 天然气与石油 NATURAL GAS AND OIL 2012年4月 中穿越深度约8 0 m 穿越长度见图1 图1表明 采用钢管穿越 穿越长度约209 m 采 用PE管穿越 穿越长度约113 m PE管穿越长度比钢 管穿越长度减少96 m 约占钢管穿越长度的46 由 此看出 在城镇燃气穿越时 采用PE管穿越 可大大 减少管道穿越长度 降低穿越施工费用 优势明显 2PE管穿越受力分析 PE管在穿越过程中的总回拖力主要包括钻机克 服管道与泥浆之间摩擦的回拖力 沿钻道弯曲产生的 几何 绞盘力 钢管穿越时 由于穿越曲率半径较大 使得管道弯曲产生的绞盘力非常小 因此现有规范中 对钢管穿越均未考虑 PE管穿越时 由于其穿越曲率 半径远小于钢管 因此 绞盘力对穿越管道的影响程度 就成为判断PE管穿越曲率半径是否合适的依据 总回拖力 Ft F Fc 1 式中Ft 总回拖力 N F 穿越钻机回拖力 N Fc 绞盘力 N 2 1穿越钻机回拖力 穿越过程中比较典型的水平定向钻穿越轨迹见 图2 该轨迹主要由三部分组成 即L1 L2 L3 钻孔穿 越水平长度L L1 L2 L3 管道实际穿越长度略大于L 但相差数值很小 因此在工程设计计算中通常L就表 示穿越实长 根据ASTM F1962 大型水平定向钻进穿越工程 铺设聚乙烯管道设计指南 当穿越管道到达D点 或 相当接近D点时 钻机回拖力最大 F 1 000 Lf D2 l 4 D d 2 s DLK 2 式中F 穿越钻机回拖力 N L 穿越管段长度 m f 管道与泥浆间的摩擦系数 一般取0 1 0 3 D 穿越管段的管道外径 m l 泥浆密度 一般为1 15 103 1 2 103kg m3 d 穿越管段的管道内径 m s 管道密度 kg m3 K 泥浆粘滞系数 一般取0 01 0 03 2 2绞盘力 Fc 180 ef fFs 3 式中Fc 绞盘力 N e 自然对数的底数 e 2 718 28 管道的弯曲角度 Fs 单位长度管道竖直方向上的合力 Nm 1 在实际穿越中 管道还受到扩孔和回拖阶段的扭 应力 但由于在新型穿越工程中采用一个分动器 或 称旋转接头 将旋转的扩孔钻头与被拉的管道隔开 因此减小了扭应力 根据PE管的受力分析 如何才能保证穿越的PE 管是否安全可靠 是否满足PE管自身的受力要求及 目前规范要求 有必要对管道受力进行核算分析 3管道受力计算 根据PE管穿越时的管道受力情况 需要对穿越 时管道受到的轴向应力和径向应力进行分析 通过轴 向应力和径向应力与管道临界应力之间的比较 最终 确定管道的受力是否满足本身材料要求 如果管道计 算应力小于管道临界应力pcr PE管穿越时管道则处 在安全状态 否则 就会发生管道因受力过大而产生 失稳危险 增加后期管道运行风险 3 1管道轴向应力 管道回拖时 应保证最大的轴向应力不超过管道 临界应力 管道最大回拖力为Ft 根据PPI 美国塑料管 协会 资料 回拖过程中管道轴向应力计算公式如下 t Ft D EtD 2R 4 式中 t 轴向拉伸应力 Pa 管道壁厚 m Et 随时间变化的拉伸模量 Pa R 管道穿越弯曲半径 m 3 2管道径向受力 管道径向受力主要包括管道穿越孔内泥浆对管 道的作用力和轴向拉力对径向产生的作用 为了便于 图1DN 300钢管穿越与PE管穿越长度比较 图2穿越段组成 24 计算 轴向拉伸应力 t可采用管道临界应力pcr j FmD 2 t 5 式中 j 径向拉伸应力 Pa 管道壁厚 m Fm 泥浆作用力 N D 管道外径 m 泊松比 3 3管道临界受力要求 GB 50423 2007 油气输送管道穿越工程设计规 范 在水平定向钻穿越设计章节中给出了关于管道径 向失稳的计算公式 但由于对象主要是钢管 因此公 式中对于管道椭圆度补偿未作考虑 由于PE管材质 较软 椭圆度补偿就不能忽略 为此采用ASTM F1962 中的管道 临界应力 的核算公式 pcr 2EfofR 1 2 rSDR 1 3 106 6 式中pcr 管道产生失稳的临界应力 Pa E 材料的弹性模量 fo 椭圆度的补偿系数 fR 张应力的折减系数 rSDR 标准尺寸比 根据ASTM F1962 在外部载荷的作用下 管道会 产生一定的环向变形 可将fo近似地取0 5 由于管道 具有足够的厚度来承受土层的压力及时间推移产生 的附加压力 因此fR取值一般为1 0 经计算 临界应 力为pcr 4 395 6 3 4管道回拖力计算 关于PE管穿越工程的设计要求 目前仅有CJJ 63 2008 聚乙烯燃气管道工程技术规程 对于穿越时 允许的最大拖力进行了规定 其回拖力计算公式如下 Fm D2n rSDR 7 式中Fm 最大拖拉力 N Dn 管道工程直径 mm rSDR 标准尺寸比 PE管穿越最大回拖力的计算 是核算PE管穿越 工程能否满足国内施工质量要求的前提 总回拖力Ft 应小于规范允许的最大回拖力Fm 穿越工程满足国内 设计要求 4PE管穿越受力计算 根据以上管道受力分析 现对曲率半径为400D 的管道进行理论受力计算 管道直径 m m 穿越长度 L m 总回拖力 Ft N P E管允许的最大回拖力 Fm N 轴向应力 t k P a 临界应力 pcr k P a 是否 满足要求 备注 9 0 1 0 09 7 0 71 1 0 4 50 3 0 9 14 3 9 5 6满足 Ft Fm1 1 01 0 6 7 51 1 0 4 50 3 4 0 04 3 9 5 6满足 1 2 01 1 6 4 51 1 0 4 5 4 3 9 5 6不满足 1 1 0 1 0 01 2 2 3 51 6 5 0 00 3 8 9 64 3 9 5 6满足 Ft Fm1 3 01 5 9 0 01 6 5 0 00 5 0 6 44 3 9 5 6满足 1 4 01 7 1 2 11 6 5 0 0 4 3 9 5 6不满足 1 6 0 1 5 02 8 7 1 73 4 9 0 90 9 1 4 64 3 9 5 6满足 Ft Fm1 8 03 4 4 5 73 4 9 0 91 0 9 7 44 3 9 5 6满足 1 9 03 6 3 7 03 4 9 0 9 4 3 9 5 6不满足 2 0 0 2 0 05 0 5 7 65 4 5 4 61 6 1 0 74 3 9 5 6满足 Ft Fm2 1 05 3 1 0 45 4 5 4 61 6 9 1 24 3 9 5 6满足 2 2 05 5 6 3 25 4 5 4 6 4 3 9 5 6不满足 2 5 0 2 4 08 0 9 6 68 5 2 2 72 5 7 8 04 3 9 5 6满足 Ft Fm2 5 08 4 3 3 98 5 2 2 72 6 8 6 04 3 9 5 6满足 2 6 08 7 7 1 28 5 2 2 7 4 3 9 5 6不满足 3 1 5 2 8 01 2 8 7 8 11 3 5 3 0 74 1 0 14 3 9 5 6满足 Ft Fm2 9 01 3 3 3 7 91 3 5 3 0 74 2 4 74 3 9 5 6满足 3 0 01 3 7 7 9 7 81 3 5 3 0 7 4 3 9 5 6不满足 表1相同曲率半径PE管穿越受力计算数据 注 由于Ft Fm 表1中部分轴向应力未进行计算 用 表示 第30卷第2期 油气储运OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE25 天然气与石油 NATURAL GAS AND OIL 2012年4月 4 1轴向受力及穿越长度核算 PE管穿越长度的确定 需考虑三个方面 a Ft与 Fm之间的比较 Ft Fm即满足规范要求 b t与pcr之 间的比较 t pcr即满足管道受力要求 c 同时考虑地 质等其它因素对穿越工程的影响 PE管穿越时 为保 证穿越管道与普通埋深段管道能够弹性敷设 管道 出 入土角一般不大于15 管道穿越时的弯曲角度 30 管道穿越曲率半径选择目前实际施工中的最 小曲率半径400D 根据以上前提 现给出不同PE管型号 不同穿越 长度的计算数据 用来核算PE管穿越受力是否满足 穿越要求 计算数据见表1 由表1数据可知 当曲率半径选择400D时 PE 管穿越产生的绞盘力相对管道穿越回拖力仍较小 对 整体管道穿越受力影响不大 可以满足穿越施工要 求 确定PE管穿越长度时 还应预留一定的安全系 数 根据管道穿越施工时的经验数据 城镇燃气穿越 相对长输管道地质复杂程度小 变动幅度小 设计安 全系数可取为1 1 现推荐不同管径的安全穿越长度 见表2 4 2径向受力核算 PE管在穿越时 除了受钻机对管道轴向的拉力 同时受到PE管周围泥浆对管道的作用力 泥浆的作 用力主要和管道的穿越深度有关 穿越深度越深 PE 管受到泥浆的作用力越大 因此 在分析PE管径向受 力时 选取穿越最低点作为受力分析的最不利点 考虑 到城镇PE管穿越深度一般不大于10 m 现给出10 m 左右的穿越深度计算数据 见表3 在表3数据中 PE管穿越产生的径向应力在正常穿 越深度 小于14m 时均小于临界应力 pcr 4 395 6 kPa 能够满足管道自身强度需求 考虑到PE管穿越时可 能存在 泥沙抱管 等不可预见性因素 同时考虑城镇 建设等方面影响 建议尽量减小穿越深度 5结论 a PE管穿越是城镇燃气管道敷设的一种新型方 式 选择400D的曲率半径能够满足一般地质条件的 需要 管道穿越长度随着管径的增大而增加 具有较 好的应用前景 b 定向钻穿越技术的应用应与工程地质条件相结 合 本研究的计算数据仅推荐在粘土层等良好地质条件 下使用 对于其他地质条件 由于缺乏实际穿越经验 本 研究不做探讨 在实际穿越工程中 应根据不同地质条 件随时调整穿越长度及深度 保证PE管穿越安全 参考文献 1 秦光 人口稠密地区的输气管道设计 J 天然气与石油 2010 28 6 1 3 2 洪国 燃气用PE管水平定向钻进若干问题探讨 J 煤气 与热力 2009 29 6 30 33 3 潘志军 李蓉 黄涌生 等 用滚轮支架进行PE管穿插套 管的施工技术 J 煤气与热力 2011 31 2 B29 B38 4 苏琪 水平定向钻进技术在城镇燃气管道的应用 J 煤气 与热力 2011 31 2 A39 A42 5 蒋增伙 PE塑料的综合性能及PE管在燃气管网中的应用 J 天然气与石油 1998 16 3 63 67 P E 管外径 m m 穿越长度 m P E管外径 m m 穿越长度 m 9 01 0 02 0 01 9 0 1 1 01 2 02 5 02 2 0 1 6 01 6 03 1 52 6 0 表2适用于不同管径的安全穿越长度 穿越深度 m 径向应力 j P a 穿越深度 m 径向应力 j P a 71 7 7 21 12 0 3 0 81 8 3 61 22 0 9 5 91 9 0 11 32 1 6 0 1 01 9 6 61 42 2 2 5 表3PE管穿越径向受力计算数据 26 SELECTED ABSTRACTS NATURAL GAS AND OIL BIMONTHLY Vol 30 No 2 Apr 2012 allowance shall be considered for calculation results of steady state working conditions obtained by formula method and HYSYS Meanwhile formula method and HYSYS are unable to realize simulation of transient conditions so SPS soft ware is recommended for such simulation of oil pipelines Design pressure of pipeline system shall be ultimately deter mined according to its max operating pressure in abnormal conditions in order to assure the safety and reliability of the pipeline KEYWORDS Oil pipeline SPS Technology Analysis Selection of Safety Accessories in High Sour Crude Oil Tank Huang Chongshun Zhu Ningning SINOPEC Zhongyuan Oilfield Company Puyang Henan 457165 China NGO 2012 30 2 14 16 ABSTRACT In order to avoid natural fire incidents of safety accessories in high hydrogen sulfide crude oil storage tank it is necessary to make clear the root causes of fire accidents and identify influencing factors of natural fire During normal operation of the safety accessories steel is corroded by hydrogen sulfide and the end product of the anode is fer rous sulfide When oil dispatching operation flowis large plenty of fresh air will enter tank for supplement through such safety accessories which will result in rapid oxidation of ferrous sulfide in such places as breathing valves hydraulic valves and flame arresters Heat released from rapid oxidation of ferrous sulfide will accumulate rapidly and lead to fur ther oxidation and combustion ofelementarysulfur and result in fire accordingly Generally if oxide and elemental sulfur can be cleared away in time from such safety accessories natural fire accidents in the safety accessories can be avoided properly Therefore preventive measures shall be taken pertinently so as to avoid natural fire accidents in the safety ac cessories It may be best that materials with hydrogen sulfide corrosion resistance are selected for fabricating safety ac cessories in crude oil tanks KEYWORDS Tank accessories Hydrogen sulfide Corrosion Measure Research and Practice of Pigging Operation in Western Section of West East Gas Pipeline 2 Zhao Xiaochuan Guan Zhiwei Nan Yufeng PetroChina Beijing Oil and Gas Control Center Beijing 100101 Chi na NGO 2012 30 2 17 22 ABSTRACT Analyzed and studied are practices of pigging operation in western section of West East Gas Pipeline 2 Taking pigging operation in the pipeline segment from Zhangye to Yongchang and pipeline segment from Yandun to Hongliu for an example discussed deeplyis hydrate blockage likelyoccurringin piggingoperation Summarized is expe rience in pigging operation of long distance pipelines with large diameters and relative software is adopted to analyze and study actual process parameters of such pipelines Analysis and study results show that hydrate inhibitor injection into pipelines in pigging process has obvious effect and the pigging effect is optimum if hydrate inhibitor injection volume is 25 Associated solutions are put forward for pigging operation which will provide valuable reference for future pigging operation KEYWORDS Western section ofWest East Gas Pipeline 2 Natural gas Pigging Operation Practice Research Selection of Cross Curvature Radius and Length of PE Pipe Wang Bo Sun Hongbo Zhu Guocheng Xi an ChangqingTec