废弃油气管道处置的注浆技术-2

1、废弃油气管道处置的注浆技术油气管道的废弃/报废时管道全生命周期管理的一个重要环节，当管道服役年限达到上限或继续输送油气的效益远低于输送成本且管道没有其他潜在用于用途时，废弃处置是不可避免的选择。管道注浆是废弃管道安全环保处置过程中的必要措施，通常在穿越公路、铁路、高速路、地上建筑物及水体的地段用来加固废弃管道或实现封堵隔离。传统灌浆技术在地处理工程领域广泛应用，通常采用液压，气压或电化学的方法，将一些可与岩土体固结的浆液注入到岩土体的空隙、裂缝中去，使其成为强度高、抗渗性好、稳定性高的心结构体，从而改善岩土体的物理力学性质。然而，传统灌浆方法不完全适应于油气管道的注浆处理，二者在注浆目的、施工

2、作业环境复杂，不仅注浆材料消耗量大，且不同管段对注浆材料的要求不同。此外，由于管道占压不便于分段注浆，同时分段注浆耗费的人力、物力及时间成本高，长输油气管道废弃采用注浆技术极为必要。目前，中国对于长距离，大口径埋地管道的注浆方法的研究处于初步阶段。如何确定合适的注浆材料类型及其成分配比，以及采取何种注浆工艺师管道注浆技术的关键。1 注浆材料1.1 材料比选注浆爱丽分为花萼浆液和水泥类浆液两大类：化学类浆液具有稳定性好、可注性强、黏度低、凝胶时间易控等优点，但强度较低、耐久性较差、价格较贵，甚至会对周围环境产生污染，因而注浆加固工程较少采用：水泥类浆液则具有原料来源丰富、价格低、固化强度高等优点

3、，但存在凝胶时间较长且不易准确控制、析水率高、稳定性差及强度增长速度慢等缺点，因而很多应用场合需要采用改性水泥浆液，如采用各种化学添加剂（缓凝剂、膨胀剂、发泡剂、碱水剂等）来改善水泥类浆液的特性，提高稳定性、可注性等。油气管道长距离注浆的材料应该满足以下要求：1）选用的注浆主料价格便宜便于获取，由于长距离注浆消耗的浆料量大，特别是大口径管道（超过600mm）,否则无法满足工程应用需要。2）注浆材料种类应该多样化。由于管道注浆位置往往在野外且周围环境差异较大，单一材料无法满足所有环境条件的应用需求，如穿河流部位不宜采用黏土类的浆料，否则管道腐蚀破裂后浆料极易被冲刷而流失。因此，针对不同注浆管段应

4、采用多样化的注浆材料。3）调配的浆液应该具备流动性高、初凝时间长等基本特性。其中，流动性高是为了适应长距离注浆的需要，而初凝时间长是为了确保现场作业时间足够，避免由于意外事件影响造成有效注浆时间过短，从而导致浆液凝固，无法实现长距离注浆的目标。4）浆液固化后的强度和结实率适中。浆液固化后强度宜根据管道加固的强度需要和今后管道拆除的方便性确定，由于油气管道本身是钢质材料，具有较高的强度，且管道全面腐蚀需要的周期较长，因此浆料凝固后其强度高于周围土壤强度即可，强度太高反而会给今后废弃管道的拆除造成障碍。一般而言，结实率越高越好，不过根据国外长输管道废弃处置的实践经验，埋深1m的油气管道，不引起地面

5、沉降或沉降影响最小的管径是300mm。可见，油气滚到的注浆并不需要完全填充，存在一定范围内的空隙可以接受，因此结实率指标可适中确定。选择水泥作为主料，固化剂。粉碳灰、粉土、黏土、膨润土作为辅料，葡萄糖酸钠缓凝剂、UEA膨胀剂、萘系高效减水剂等添加剂，开展注浆材料比选试验，确定可行材料的成分配比和适应范围，为油气管道注浆提供材料保证。1.2 比选试验注浆材料比选试验以浆液动力黏度小于100mPas、结实率大于90%,凝固后强度大于50KPa为目标，综合考虑充填材料、固化特性及添加剂效果，重点研究纯水泥、水泥-粉煤灰、水泥-粉土、水泥-黏土4类浆液的合理成分配比。试验过程如下：1）材料水固比测试。

6、对于每种原材料，选取不同水固比的浆液，测试其黏度、胶结后的结实率，选取黏度较小、结实率较高的组别进行后继试验。2）添加剂效果测试。在调研添加剂基本作用的基础上，通过试验室测试，分析其对浆料的性能改善效果，明确合适的添加剂量。由于添加剂基本只与水泥进行物理和化学反应，因此测试只针对纯水泥浆液进行。最终，选取效果好的添加剂进行后继试验。3）浆液性能测试。针对不同原材料、不同材料配比、不同添加剂量的浆液，分析3h内流动性随时间的退化程度，最后找出流动性保持最好的组别；进一步测试浆液的泌水率、结实率以及一定龄期后无侧限抗压强度，最后找出综合性能最好的材料成分配比。4）性能深化测试。对于3h流动性能仍旧

7、较好的浆液，考虑长时间施工的需要，进一步测试其长达10h的流动性保持情况和浆液的静置分层情况，得出浆液的最终适应情况。试验结果为：1）减水剂的渗入对浆液流动性具有负面影响，部予采用。2）对于纯水泥浆，在水固比为0.60.7、缓凝剂渗入量为0.25%、膨胀剂渗入量为10%左右时，得到纯水泥浆3h后的黏度为1000mPa.s,28天龄期强度为10MPa，结实率超过90%。3）对于水泥-粉土泥浆，在水固比为1.4、水泥/黏土质量比为1:9、缓凝剂渗入量为0.25%、膨胀剂渗入量为10%时，得到水泥-粉土泥浆3h后的黏度为500mPa.s,28天龄期强度约为70KPa,结实率超过90%。4）对于水泥-

8、粉煤灰泥浆，在水固比为2.0、水泥/粉煤灰质量比为4:6、缓凝剂为0.2%、膨胀剂为10%时。5）对于水泥-黏土泥浆，在水固比为1.8、水泥/黏土质量为1:9时，得到水泥-黏土泥浆3h后黏度为800mPa.s左右，28天龄期强度为90kPa左右，结实率超过90%。可见：纯水泥浆液缓凝剂渗入不足或过量、均会对浆液流动性产生不利影响；缓凝剂对水泥-粉煤灰浆液黏度的控制效果远远好于纯水浆液，当缓凝剂渗入量在0.5%时，水泥-粉煤灰浆液在10h左右的流动性较差、若缓凝剂掺量增加到2%,浆液在10h后依然保持较好的流动性，其黏度仅仅为420mPa.s；水泥-粉土浆的黏度一直较低水平，且随时间延长,期增长

9、幅度非常小,即使减小水固比,其浆液的黏度变化依然不大,因此对于水泥-粉土浆液，实际工程中可再根据现场情况适当减小水固比或不渗入缓凝剂和膨胀剂。综上，水泥-粉土和水泥-黏土浆料适合强度要求较低管段的长距离填充，水浆浆料适合距离管道的高强度填充，以及位于水体区域的管段填充；水泥-粉煤灰浆料适合非穿越水体的各类管道的填充。2 注浆设备选型注浆是将配置好的浆液输送到被注对象的过程，其中浆料搅拌器和注浆泵是注浆过程的关键设备，其合理选型对于注浆的成败至关重要。2.1搅拌器搅拌器是混合不同浆料的设备，常用的搅拌器类型有推进式、浆式、涡轮式、锚式、框式、螺带式等，其结构、性能各不相同，适应的工况差异较大。其

10、中，推进式搅拌器适合低粘度（黏度小于2000mPa.s）料液混合，浆式搅拌器和涡轮式搅拌器适合中等黏度（黏度小于5X104mPa.s）料液混合。在管道注浆实际过程中，浆液的黏度一般均小于1000mPa.s,因此宜采用推进式搅拌器、浆式搅拌器或涡轮式搅拌器，具体选型号可根据浆液黏度、搅拌目的、搅拌器造成的流动状态来确定。2.2 注浆泵往复泵和转子泵是注浆工程常用的流体输送设备。往复泵是通过活塞、柱塞或隔膜在泵缸内往复支线运动输送液体或使之增压的容积泵，泵的性能不随压力和输送介质黏度的变化而变化等优点，转子泵是旋转式的容积泵，由静止的泵体和旋转的转子组成，靠旋转转子的挤压作用将液体排出，同时在流体

11、进入侧形成低压，连续地吸入流体，进而实现流体的连续输送；转子泵按其结构可分为齿轮泵、螺杆泵、凸轮泵、挠性叶轮泵、滑片泵及软管泵等，具有流量不随背压变化和自吸功能特性，可输送的截止黏度范围非常宽，适合输送高粘度、高浓度及含颗粒的介质。由于油气管道注浆采用材料黏度较低，且颗粒较少，因此选用往复泵即可。3 注浆方法及其工艺流程3.1纯压力注浆法仅依靠在管道一端施加的压力将浆液注入管道，实现管道填充，时最直接、最简单的管道注浆方法，适用于短距离（一般2km以内）管道的注浆。对于长距离管道的注浆，往往需要切割成短距离的管段进行分段注浆，但过多的分段会耗费大量的人力、物力及时间，甚至由于地理环境的限制（如

12、沼泽地区、建筑物占压等），分段注浆难度难以实施，因此该方法对于占压距离长、长距离穿越环境敏感区地区的管道注浆具有一定的局限性。纯压力注浆工艺流程较为简单，仅在管道一段通过注浆泵将浆液压入管道，直至另一端浆液流出，然后停止注浆，对管道两端密封。3.2 真空辅助压力注浆目前，国际上针对长距离、大口径埋地管道的注浆技术尚无工程应用先例。在此，借鉴后张预应力混凝土结构施工中的真空辅助灌浆技术和长输天然气管道的真空干燥技术，提出长输管道的真空辅助压力注浆方法在后张预应力混凝土结构施工中，真空辅助浆液技术作为一种新技术已经获得广泛应用基本原理是，在孔道的一端采用真空泵对预应力管道进行抽真空，使预应力管道产

13、生-0.08MPa左右的真空度，然后用压浆泵将搅拌好的水泥浆体从孔道的另一端压入，直至充满整条孔道，即通过对浆液的推拉作用，实现孔道的密实填充。该方法有助于提高后张预应力混凝土结构的安全度和耐久性，解决了传统灌浆工艺遗留的问题。然而，小管径、短距离（通常几米到几十米）的预应力混凝土孔道的真空辅助压力灌浆技术是在纯压力注浆技术的基础上增加了抽真空环节，具有技术可行性。其中，真空干燥法是输气管道干燥作业技术之一。但是，真空辅助压力注浆技术在具体的实施上需要根据管内残存油气的程度、注浆的目的，在设备选择和操作工艺进行合理调整。废弃油气管道真空辅助注浆的工艺设备主要包括：负压容器，主要对管道末端抽出的

14、浆液进行缓冲，保护真空泵不被破坏；废浆容器，主要对持续排除的浆液进行临时存储；透明观察管，主要用于观察浆液是否达到管道末端，若负压容器是透明的，则该管可以省略；泡沫球用于真空空间与浆液的隔离，防止浆液行进时过于分散。废弃油气真空辅助注浆工艺流程为：1）准备工作，主要是开挖作业坑、切割管道，将注浆段与其他管道隔离，管道开孔，其中浆液出口开孔距离应大于泡沫球的长度，管道两端封堵，并准备好注浆所有材料和配套设备。2）试轴真空，主要是关闭进浆口阀门和阀门1，打开出浆口阀门和阀门2,启动真空泵，观察压力表的度数，当压力表接近0时，停泵20min,若压力变化小于0.02MPa,则表明管道能基本达到并维持真

15、空;否则标石管道未能完全密封，需在压浆前进行检查，并予以调整。3）拌浆，主要是将准备好的注浆材料倒入储浆罐，通过搅拌器进行搅拌，直至混合均匀。4）压浆，主要启动真空泵，打开进浆口阀门，启动注浆泵，并注意观察管道两端的压力数值;当浆体经过透明高压管并准备达到三通接头时，关闭阀门2，同时打开阀门1，关闭真空泵;观察废浆容器处的出浆情况，当出浆流畅、稳定且稠度与罐体的浆体基本一致时，关闭阀门1，最后关闭掉注浆泵、出浆口阀门及进浆口阀门，完成注浆。5）现场恢复，保留注浆口和出浆液封堵阀门，卸载其他设备单元，并进行设备清洗、管沟回填、地貌恢复等工作。4 现场试验目前，中国尚无长距离油气管道的注浆试验报道

16、，相似的工程案例仅有地下混凝土结构污水管道填充，其方法是将整个管道分段填充且每一段分别多次注浆，即采用分段、分层填充的方式。然而，油气管道与地下城市污水管道不同，油气管道沿地表敷设，随地表起伏，注浆时一旦位于低点的管段浆液凝结，就会阻止浆液的通过，因此无法进行多次注浆或者分层注浆;同时，污水管道是密闭系统，与外界有许多连通，方便分段填充，而长输输气管道是密闭系统，途径的地理环境复杂，短短离分段填充需要对管道大量开挖、切割、焊接注浆接头，费时费力，操作可行性低。可见，油气管道的注浆不同于混凝土污水管道的注浆，有必要通过油气管道的注浆试验，验证长输油气管道不同情况下的注浆工艺的可行性，并积累工程经

17、验。以东北某停输原油管道为试验对象，管径为426mm,试验管段长度为lkm,注浆试验过程如下：1）配备注浆材料，为了避免该停输原油管道试验现场偶发因素造成注浆时间延长，进而致使浆液胶结而无法加注，因此试验要求浆液可满足24h作业需要。最终采用添加缓凝剂、减水剂及悬浮剂的改性水泥，其中缓凝剂和减水剂质量百分比含量为0.02%-0.03%、悬浮剂质量百分比含量0.005%、水和水泥的质量之比为1:1.6，该配比浆体流动性好，初凝、终凝的时间分别超过24h、72h，结实率超过90%,28天后强度大于5MPa,满足长时间注浆作业与90%以上管容填充的需要。2）准备临时场地、临时场地的准备包括修建临时道

18、路（长100m、宽4m）、临时堆料场（长10m、宽10m）,平整约500m2的试验场地，搭建施工围挡及临时工棚等。3）开挖作业坑。由于工作环境条件有限，威力便于现场浆液制备，需要在工作场地开挖一个临时储浆池（长4m，宽4m、深2m）、2个注浆端管口作业坑（长6m，宽3m,深3m），以及10个排气与测试孔作业坑（长2m、宽2m、深2m）。4）管道切割、接口焊接。采用冷切割的方式将待注浆管段与其他管道分离，管段两端焊接盲板进行密封；分别在注浆端和出浆端距管口1m的位置上开设孔径100mm的注浆口各1个，并安装阀门；从注浆端算起，在管道上每隔200m开设1个管径50mm的排气孔，并安装阀门，共计4个

19、。5）设备选型及物料进场。注浆泵选用BW-250型泥浆泵，该泵为卧式三缸往复单作用活塞泵，最大而定泵量不小于250L/min,最大压力7MPa；搅拌器采用自制式搅拌器，由1台85KW发电机组对相关设备供电。6）连接注浆系统。该环节主要完成注浆泵、搅拌器、储浆池、输浆管的物理和电气连接，构成可实现浆液连续泵送的完整系统。7）注浆。启动注浆泵，将调配好的浆液泵入管道中，同时通过设置好的排气孔进行浆液观测，最终历时17h,浆液到达管道末端。该实验共用浆液约140m3,注浆过程中最大泵压0.15MPa。（8）注浆效果试验。6个月后，在注浆管段的相对高点开挖割管进行注浆效果验证，管道充盈度超过90%，可见注浆效果良好。上述注浆试验为进一步优化注浆工艺和开发管道注浆专用装备提供了技术支持，其实践经验如下：1）单台泵对于大口径管道注浆效率较低，应采用多台泵同时注浆，即可以缩短注浆时间，又可以降低对浆液初凝时间的限制，从而便于更多可行材料的选择。2）水泥在众多浆液中流动性并非最好，而该试验中最大注浆压力0.15MPa，若采用流动性更好的浆液，在注浆压力提升