阮亦根, 阮 哲,王棟杰,盧建國

(1.中國石化浙江石油分公司,浙江 杭州 310002;2.中海油研究總院工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100027;3.中國石化工程建設(shè)公司,北京 100029)

1 工程概況

2018年8月14日,某成品油管道(簡稱A管道)處于停輸保壓狀態(tài),下午14點(diǎn)54分,中控發(fā)現(xiàn)出站壓力和進(jìn)站壓力下降,并立即核查,于15點(diǎn)06分確認(rèn)第六出站方向90 km+420 m處管道發(fā)生泄漏,后經(jīng)巡線員現(xiàn)場核實(shí),管道被G60高速公路拓寬工程地質(zhì)勘探鉆破,破損點(diǎn)埋深21.2 m,為定向鉆穿越管段。

A管道破損段非開挖定向鉆施工時(shí)間為2013年9月21日至11月20日,全長約615 m,入土角13°,出土角8°,最大穿越深度約23 m。采用Φ406.4×8.7 mm鋼管,材質(zhì)為L415,3PE防腐；三級(jí)擴(kuò)孔至Φ850 mm。管道破損點(diǎn)與定向鉆入土點(diǎn)水平距離約135 m,與出土點(diǎn)水平距離約480 m；東側(cè)10 m為X502縣道；南側(cè)15 m為G60高速公路；西側(cè)20 m為高邊坡水渠；北側(cè)9 m為口徑Φ1 016 mm輸氣管道(簡稱B管道),11.2 m為口徑Φ813 mm輸氣管道(簡稱C管道)，25 m為數(shù)棟民房,搶修作業(yè)空間十分受限(圖1)。

圖1 管道破損點(diǎn)周邊環(huán)境示意圖

2 破損管道搶修技術(shù)方案

2.1 管道破損點(diǎn)地質(zhì)狀況

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,地層主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土混碎石、卵石、全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化炭質(zhì)砂巖組成；定向鉆管道水平段選擇在④3層中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中穿越(圖2)。

2.2 破損搶修方案比選

根據(jù)管道破損點(diǎn)現(xiàn)場周邊環(huán)境,初步確定四套搶修方案(見表1)。

圖2 定向鉆管道所在地層圖

序號(hào)方案優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1采用直徑2m鋼套筒,機(jī)械在套筒內(nèi)旋挖至管道破損點(diǎn)上方1m左右,再人工開鑿至破損點(diǎn)下方1m進(jìn)行破點(diǎn)修復(fù)。對周邊環(huán)境影響較小,施工周期短,費(fèi)用節(jié)省。人工下井20m開鑿難度大;處于井下含油氣、受限空間、有毒有害氣體環(huán)境,動(dòng)火作業(yè)修復(fù)管道,安全風(fēng)險(xiǎn)極高。2在原管位縱深地質(zhì)層,重新進(jìn)行定向鉆穿越敷設(shè)新管道對地面環(huán)境影響較小,施工周期較短,施工質(zhì)量保障,新管道線位清楚,投資相對節(jié)省。北15m內(nèi)有在運(yùn)行的B、C管道,南15m內(nèi)還需要讓G60高速公路拓寬,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,管道敷設(shè)空間十分狹小,定向鉆施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。3重新規(guī)劃路由,溝埋敷設(shè)新管道施工質(zhì)量保障,新管道線位清楚。需穿越公路、橋涵、水渠,拆遷民房,周邊影響及投資較大,施工周期長,政策協(xié)調(diào)難度極大。4將定向鉆管道割斷,用夯錘錘松,滑輪組將破損管道抽出,同時(shí)將新管道回拖替換。安全風(fēng)險(xiǎn)可控,費(fèi)用相對節(jié)省,工期短。破損管道能否拉動(dòng)未知,新回拖的管道防腐層質(zhì)量不好控制,管道軌跡難以精確定位。

2.3 搶修方案確定

首先對現(xiàn)場情況進(jìn)行分析：

1)根據(jù)地勘資料研判,水平定向鉆管道主要位于中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層,現(xiàn)場通過定向鉆兩端出入土點(diǎn)開挖洞口觀察,原定向鉆成孔良好,未出現(xiàn)大的坍塌,且孔洞內(nèi)還留有大量原定向鉆施工期間的稠狀泥漿；對于重新在原孔內(nèi)拖拉破損管道和新管道較為有利。

2)管道破損點(diǎn)泄漏的柴油只有少量噴涌到地面,離破損點(diǎn)480 m的定向鉆出土點(diǎn)有部分油品滲出；分析研判是定向鉆鉆道內(nèi)存在空隙,帶壓油品沿著破損管道外壁和鉆道空隙擠壓到出土點(diǎn)方向。

3)定向鉆穿越段地下水豐富、水位較高。

據(jù)此,確定采用方案四,即將定向鉆破損管道拖出,并在原孔內(nèi)回拖新管道,之后與穿越段兩端原有溝埋敷設(shè)管道連頭。

3 破損管道搶修施工技術(shù)

整個(gè)搶修在定向鉆入土點(diǎn)和出土點(diǎn)位置進(jìn)行作業(yè),關(guān)鍵施工技術(shù)是對破損管段兩端帶壓封堵、清管拉拔以及新管線回拖安裝等。

3.1 施工前安全措施

由于管道停輸狀態(tài)保壓較高(破損管段就近站場表壓為2.0 MPa),管道破損后泄漏量和泄漏范圍較大,泄漏的油品易燃易爆；事故發(fā)生后立刻進(jìn)行區(qū)域警戒，關(guān)閉破損點(diǎn)上下游線路截?cái)嚅y,24 h泄漏巡查，油料回收，油氣濃度檢測，人員車輛疏散等。

3.2 帶壓封堵及置換

具體帶壓封堵施工工藝見圖3。

其中需要注意以下幾點(diǎn)：

1)帶壓封堵全過程進(jìn)行可燃?xì)怏w檢測。

2)采用的管件與原管道設(shè)計(jì)壓力等級(jí)一致。

3)使用DM管道檢測儀探測定向鉆管道兩端基本管位、走向和埋深；然后人工開挖探管,確定管位后,再用人工和機(jī)械結(jié)合進(jìn)行作業(yè)坑開挖。

圖3 帶壓封堵施工工藝流程

4)作業(yè)坑施工場地需滿足封堵設(shè)備布置、車輛(油罐車、消防車、吊車)停放、機(jī)械停擺、操作等需要。

5)帶壓封堵管道應(yīng)先開平衡孔,后開封堵口,最后開收油孔。

6)確定封堵嚴(yán)密后,進(jìn)行封堵段抽油作業(yè)。

7)定向鉆管道(破損管段)截?cái)嗲懈钋?封堵段管道用氮?dú)庵脫Q油氣。

8)完成管段切斷后,考慮封堵時(shí)間較長,會(huì)導(dǎo)致皮碗泄漏,主管道兩端口采用封頭滿焊密封；密封前先對焊接連頭口管道內(nèi)側(cè)清理,使用黃油膩?zhàn)用芊?封堵有效長度不應(yīng)小于1.5倍管道內(nèi)徑。

經(jīng)過封堵、截?cái)嗪?破損管段兩端進(jìn)行內(nèi)壁清理,使用黃油膩?zhàn)用芊?黃油膩?zhàn)泳嚯x管口不能小于300 mm,用清洗劑將管口清洗干凈,在黃油膩?zhàn)油鈧?cè)表面噴涂干粉,然后進(jìn)行可燃?xì)怏w檢測,處于危險(xiǎn)警報(bào)含量以下,之后焊接帶有排油、注水口的收發(fā)球筒,進(jìn)行油品置換及清管作業(yè)。

3.3 新管道用材、焊接與檢驗(yàn)

1)新管道采用Ф406.4×12.5 mm、L415鋼管,每支長12 m,冷彎管現(xiàn)場制作,熱煨彎管工廠定制；鋼管、管件采購、制作按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[1-3]。

2)在焊接施工前進(jìn)行焊接工藝評定,根據(jù)評定合格的焊接工藝,編制焊接工藝規(guī)程[4]。焊接方式根據(jù)搶修工程線路現(xiàn)場條件,每10支管道焊接成一個(gè)拖管單元,整條定向鉆管道分五段進(jìn)行預(yù)制。采用手工電弧焊,下向焊操作[5],地面組焊,所有焊縫都采用100%X射線照相檢驗(yàn)和100%超聲波探傷檢驗(yàn),對于檢驗(yàn)不合格焊口只允許一次返修,返修不合格必須割口[6-7]。

3.4 新管道清管、測徑及試壓

1)清管與測徑 每一拖管單元試壓前后分別進(jìn)行清管、測徑；五個(gè)單元焊接回拖后,整體試壓前后再分別進(jìn)行清管、測徑；試壓管段兩端設(shè)臨時(shí)清管器收發(fā)裝置,清管球選擇過盈量為管內(nèi)徑的5%～8%,采用帶鋁質(zhì)測徑板清管器,測徑板直徑為管道內(nèi)徑的90%,測徑板通過無變形、皺褶,判定為合格,清管、測徑壓力小于管線設(shè)計(jì)壓力[7-10]。

2)試壓 在出土點(diǎn)設(shè)表,清管、測徑過程中進(jìn)行試壓；強(qiáng)度試驗(yàn)壓力取1.5倍設(shè)計(jì)壓力,嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力；試壓水質(zhì)為無腐蝕性潔凈水,pH值為6～9[7-10]。

3.5 破損管道拉拔

選擇現(xiàn)場條件較好的定向鉆出土端,設(shè)置夯錘不斷錘擊破損管道,定向鉆入土端設(shè)置鉆機(jī)帶動(dòng)滑輪組牽引破損管道,進(jìn)行夯管試拖。

1)夯錘、拖拉設(shè)備選型。

Φ406.4×8.7 mm、L415鋼管的最低屈服強(qiáng)度為415 MPa,最低抗拉強(qiáng)度為520 MPa[11]；夯錘最大的錘擊力不大于415 MPa,滑輪組最大拉力不大于520 MPa,據(jù)此選擇合適的夯錘機(jī)和滑輪組。

2)破損管道回拖。

破損管道最初定向鉆施工時(shí),采用Φ406.4×8.7 mm主管道和Φ114×6 mm光纜鋼套管一起自由回拖；考慮到Φ114光纜鋼套管可能纏繞破損管道,將增加破損管道回拖阻力,且光纜鋼套管未做防腐,強(qiáng)度有所下降,為防止光纜鋼套管在回拖過程中可能拉斷,本次只回拖Φ406.4×8.7 mm破損管道。

在出土端設(shè)置不同壓力等級(jí)夯錘,錘擊破損管道,破損管道受到錘擊后管壁上的泥漿、碎土松動(dòng),如此持續(xù)2 min,然后在入土端用鉆機(jī)牽引滑輪組(共5股組)拉拔；逐步增大錘擊壓力和牽引拉力,在300 MPa壓力錘擊過后,鉆機(jī)牽引拉力顯示4.2 MPa(實(shí)際拉力為4.2×5 MPa)時(shí),破損管道被拉動(dòng)；這時(shí)停止錘擊,單用鉆機(jī)牽引滑輪組拉拔,破損管道也被拉動(dòng)了,鉆機(jī)牽引拉力顯示3.1 MPa(實(shí)際拉力為3.1×5 MPa)。

停止夯拉,在破損管道與新管道之間焊接長12 mΦ457×9.5 mm短管(圖4),作為新管道回拖擴(kuò)孔；入土端鉆機(jī)牽引滑輪組重新開始拉拔,牽引拉力顯著增大。當(dāng)鉆機(jī)牽引拉力顯示7.4 MPa(實(shí)際拉力為7.4×5 MPa)時(shí),破損管道和新管道一起被拉動(dòng)；隨著破損管道被拉出長度的增加,鉆機(jī)牽引拉力逐步下降。壓力記錄見表2。

表2 管道錘擊、拖拉壓力表

3.6 新管道回拖

破損管道拉出和新管道回拖就位的過程中：

1)注入泥漿。

在破損管道拉拔及新管道回拖的整個(gè)過程中,水平定向鉆出土端(新管道拖進(jìn)洞口)設(shè)置泥漿池,連續(xù)調(diào)制，灌注泥漿,新管道經(jīng)過泥漿浸泡后拖進(jìn)洞口；同時(shí)在管道破損處再高壓注入泥漿,以減輕管道回拖過程的摩擦,保護(hù)新管道防腐層。

2)短管擴(kuò)孔。

Φ457×9.5 mm短管(圖4)連著舊管道一起回拖,同時(shí)給新管道引成了擴(kuò)孔回拖的空間。

圖4 新管道回拖擴(kuò)孔示意圖

3)防腐層評價(jià)。

新管道采用3PE防腐,現(xiàn)場對回拖出來的部分新管道防腐層經(jīng)表面清洗、察看,結(jié)果保持完好；用電火花檢測沒有發(fā)現(xiàn)防腐層漏點(diǎn)；管道連頭后通過兩端就近陰保測試樁進(jìn)行防腐層質(zhì)量評價(jià),經(jīng)專業(yè)的檢測公司檢測,結(jié)果全部合格,其中81.3%管段達(dá)到優(yōu)級(jí)。

4)腐蝕預(yù)防措施。

為防止管道回拖過程中,3PE防腐層機(jī)械損傷,本工程在管段封堵井位置增設(shè)了2組犧牲陽極裝置,以達(dá)到保護(hù)效果。

3.7 可燃?xì)怏w檢測

破損管道拉拔及新管道回拖過程中,需要大量的焊接拖拉頭、破損管道割斷、新管道焊接、安裝收發(fā)球裝置等明火作業(yè),每道工序作業(yè)前須進(jìn)行可燃?xì)怏w檢測。

3.8 新管道兩端焊接、投油

1)新管道連頭。

新管道回拖、清管、測徑合格后,整體進(jìn)行強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗(yàn)及可燃?xì)怏w檢測,采用陀螺儀進(jìn)行管位精準(zhǔn)測量；然后兩端進(jìn)行連頭焊接、檢驗(yàn)。

2)新管道投油。

連頭焊縫檢驗(yàn)合格后,先取出入土端(相對低點(diǎn))封堵塞,開啟入土點(diǎn)下游方向線路截?cái)嚅y,出土端(相對高點(diǎn))封堵器平衡孔排氣并監(jiān)視充油量。當(dāng)平衡孔不再排氣、少量排油后,將平衡孔封堵,再開啟出土點(diǎn)上游方向線路截?cái)嚅y完成投油。

4 結(jié) 語

此水平定向鉆管道破損原孔回拖搶修能夠安全成功,關(guān)鍵條件和因素是：

1)破損管段巖層地質(zhì)穩(wěn)定,定向鉆成孔良好,沒有塌孔或者較少塌孔；

2)地下水豐富,水位較高,使得原始泥漿始終處于濕潤狀態(tài),沒有完全固結(jié)抱死管道；

3)選擇合適的夯錘錘擊和滑輪組牽引,錘擊壓力不大于管道最低屈服強(qiáng)度,牽引拉力不大于管道最低抗拉強(qiáng)度；

4)管道回拖過程中采用Φ457 mm短管擴(kuò)孔,始終在新管道拖進(jìn)洞口、破損點(diǎn)注漿,增加潤滑，減少摩擦，保護(hù)防腐層；

5)新管道回拖前后分別進(jìn)行清管、測徑、試壓,整體連接后進(jìn)行防腐層評價(jià)和犧牲陽極保護(hù)；

6)事故管段恢復(fù)投產(chǎn)后,對該段管道及前后管段進(jìn)行高后果區(qū)識(shí)別、評價(jià)和管理。