唐文輝 金永青 敬蜀龍 陳希 黃玉良

中國石油集團(tuán)工程建設(shè)公司北京分公司

1 項目簡介

HDPE（高密度聚乙烯）內(nèi)襯穿管技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，過流斷面的損失很小，適用于大曲率半徑的彎管，可進(jìn)行長距離修復(fù)[1]。此項目注水管線管徑為8～12 in（1 in=25.4 mm）， 設(shè)計壓力為21.5 MPa，材質(zhì)為X65鋼管，二者采用過盈配合。內(nèi)襯穿管主要流程為：鋼管按照要求進(jìn)行分段焊接，每個分段兩頭焊接鋼法蘭，在指定位置開孔并焊接排氣孔，對焊接完的鋼管進(jìn)行相應(yīng)焊縫檢測、清管、試壓、吹掃干燥；HDPE管按照要求熱熔連接完成分段所需長度，對熱熔連接完畢的HDPE管做氣壓試驗，然后對其進(jìn)行縮徑、牽引穿插、回彈、水壓檢測等步驟[2]。

2 設(shè)計基礎(chǔ)

由于該項目為高壓注水管道，內(nèi)部不含氣體，故按照固有抗坍塌襯里設(shè)計。其特點(diǎn)是襯層外表面平滑、厚度較厚，即使在管道內(nèi)部壓力短時間內(nèi)完全泄壓時，襯層軸向和環(huán)向也不會產(chǎn)生坍塌，襯層依然保持強(qiáng)度。如果管道泄壓達(dá)到管道設(shè)計壓力的40%且超過1天，管道需要進(jìn)行排氣；同時，管道也要根據(jù)運(yùn)行情況和檢測需要進(jìn)行定期排氣。

按照固有抗坍塌襯里設(shè)計，并考慮抗管道真空，安全系數(shù)為1.5。該項目抗坍塌應(yīng)力需滿足公式（1）要求，即

式中：Pcrit,rad為管道的抗坍塌應(yīng)力，MPa；Pvacuum為真空壓力，0.1 MPa。

3 HDPE管設(shè)計

原材料：Borsafe HE 3490-LS，顆粒材料經(jīng)過熱擠壓形成管道。

外徑：由于采用固有抗坍塌襯里設(shè)計，外徑需稍大于主管道內(nèi)徑，本項目HDPE管外徑考慮大于主管道內(nèi)徑3～5 mm。

壁厚：考慮徑向抗坍塌設(shè)計、軸向抗坍塌設(shè)計、運(yùn)輸因素，計算過程以12 in注水鋼管為例，鋼管材質(zhì)X65，壁厚10.8 mm[3]。

徑向抗坍塌設(shè)計公式為

式中：Pcrit為坍塌壓力，MPa；c為常數(shù)，取值1；E為5%應(yīng)變時的割線模量，450 MPa（由拉伸試驗獲得）； v為泊松比，取值0.38； SDR為徑厚比（直徑/壁厚=OD/t：OD為HDPE管外徑，mm； t為HDPE管壁厚，mm）；n為指數(shù)，可由下式求得

式中： Δ為缺陷尺寸，2 mm（焊縫余高，如圖1所示）；D為主管道內(nèi)徑，302.2 mm。

由公式（2）計算得SDR≤34.3。

圖1 內(nèi)襯缺陷（本項目僅限左圖）Fig.1 Liner imperfection（only for the left）

軸向抗坍塌設(shè)計公式為

其中

式中：ΔV為HDPE材料的體積膨脹比，經(jīng)試驗確定值為0；α為HDPE管的熱膨脹系數(shù)，取200×10-6℃-1；ΔT為設(shè)計溫度與安裝溫度之間差值的絕對值，℃，由于設(shè)計溫度60℃，安裝溫度23℃，可得ΔT=37℃；Rbend為HDPE管的冷彎半徑，一般最小取40 mm；SF為安全系數(shù)，取1.5。

由公式（5）計算得 εax=0.022 7，而由公式（4） 求得 SDR≤82。綜合公式（2）、（4），可求得SDR ≤34.3。

以該項目12 in注水管線為例，鋼管內(nèi)徑為302.2 mm，考慮過盈配合HDPE內(nèi)襯管外徑選擇305.2 mm。同時，考慮到運(yùn)輸管道變形的需要，一般要求 SDR在26～32之間，保守選擇 SDR=26，HDPE管壁厚t=11.7 mm。

接頭設(shè)計由鋼法蘭、內(nèi)襯法蘭搭接頭、限位環(huán)、緊固件組成（圖2）。

圖2 接頭示意圖Fig.2 Schematic diagram of connection

鋼法蘭：1 500 lb（1 lb=0.454 kg）帶頸對焊法蘭，凸面，材質(zhì)為ASTM A694.F65，焊接端壁厚與鋼管壁厚一致，突臺面內(nèi)側(cè)需加工6 mm的內(nèi)倒角，便于后期HDPE管穿插，避免對HDPE管產(chǎn)生切割力。

內(nèi)襯法蘭搭接頭：材料為HDPE100，外徑與鋼管內(nèi)徑一致，壁厚與HDPE管厚度相同，法蘭面與鋼法蘭凸臺直徑一致。

限位環(huán)：安裝于兩鋼法蘭之間，用于鎖緊HDPE搭接頭，內(nèi)徑比凸臺面外徑大2 mm，材質(zhì)選取A106管材或定制鍛件。

緊固件：材質(zhì)為ASTM A193 Gr.B7/ASTM A194 Gr.2H，材料為電鍍鋅+氟碳漆。

由于此項目為注水管線，水中無伴生氣，考慮安裝過程和運(yùn)行中需要停產(chǎn)維修，每個接頭兩側(cè)設(shè)排氣孔，排氣孔開在主管道上尺寸不大于3 mm，排氣孔外側(cè)對稱位置焊接1 500 lb 0.5 in法蘭支管臺，外接盲法蘭。在HDPE管穿插完畢回彈過程中，主管道和HDPE管之間空隙氣體被不斷排出，最終二者完全貼合。

內(nèi)襯層一次作業(yè)安裝長度應(yīng)根據(jù)地形、連接點(diǎn)、彎頭、管道內(nèi)部情況確定；內(nèi)襯管單位截面上的拉力，包括摩擦力、彎管附加力、縮徑附加力的綜合，不得超過HDPE管屈服強(qiáng)度的50%，由此可計算得出最大牽引長度；摩擦力的大小取決于牽引過程中是否加油脂，如果在HDPE管外涂抹適量的植物油脂，可以極大地減小摩擦力，從而增大牽引長度。

4 施工要求

（1）施工機(jī)具：包括吊車、平板車、挖掘機(jī)、發(fā)電機(jī)、四級滾輪縮徑機(jī)、HDPE管熱熔機(jī)、空壓機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、切管機(jī)、清管設(shè)備、打壓泵等。

（2）鋼管清管：用鋼絲刷清管器進(jìn)行清管，保證管道內(nèi)部無焊渣、異物殘留，發(fā)射泡沫清管器掃除管道內(nèi)殘留水，保持管道內(nèi)部干燥、清潔。

（3）HDPE管焊接：采用對接熱熔連接工藝，并按照要求做熱熔工藝評定和焊工持證上崗。焊接過程中注意控制HDPE管壁厚，不允許對口時壁厚超過2 mm。焊接完畢后打磨HDPE管內(nèi)、外側(cè)焊縫，同時在HDPE管穿插末端側(cè)焊接HDPE搭接頭[4]。

（4）氣壓試驗：HDPE管焊接完畢后需檢查熱熔連接是否有缺陷，通常需要在縮徑前做氣壓試驗。在不超過0.3 bar壓力下保壓3 h，管線要適當(dāng)固定，熱熔接口涂抹肥皂泡判斷是否泄漏。

（5）縮徑：使用四級滾輪縮徑設(shè)備對HDPE管進(jìn)行縮徑，注意管道牽引過程中下方安裝滑輪減小摩擦，防止劃傷管道[5]。

（6）穿繩：用空壓機(jī)發(fā)射連接好細(xì)鋼繩的清管器到末端，將末端的卷揚(yáng)機(jī)牽引繩由鋼繩帶回到HDPE管端（牽引繩的抗拉能力不得小于最大牽引力的4倍），牽引HDPE管試驗管段，檢查試驗管段在穿過鋼管過程中是否有損傷，要求最大刻痕深度不超過0.5 mm或5%HDPE管厚度的最大值。

（7）穿管：在對試驗管段檢查合格后正式牽引內(nèi)襯管，牽引過程注意控制速度，控制卷揚(yáng)機(jī)牽引力，原則上速度每分鐘不超過30 m。在HDPE管從末端穿出后，松掉牽引繩，在合適位置焊接另一個HDPE搭接頭，等HDPE搭接頭回縮后即可完成穿管[6]。

（8）回彈：采用輔助壓力回彈HDPE管，逐級升壓并穩(wěn)定一段時間，查看排氣孔排氣情況，如無排氣，繼續(xù)升壓，最大壓力達(dá)到HDPE管自承壓能力的1.5倍，穩(wěn)定至不再排氣即完成回彈。

（9）水壓試驗：與氣壓試驗相同，逐級升壓，最終達(dá)到鋼管設(shè)計壓力的1.25倍，并穩(wěn)壓24 h，無泄漏及明顯壓力降為合格。

5 穿管注意事項

采用HDPE內(nèi)襯穿管技術(shù)一次性穿管長度在600～800 m之間，試壓之前管道已經(jīng)逐漸達(dá)到過盈配合，此后發(fā)生泄漏修復(fù)將極其困難，為保證內(nèi)襯作業(yè)的一次成功，實(shí)施過程務(wù)必注意以下事項：

（1）穿管長度不宜過長，每個穿越段盡量避免存在兩個及以上的連續(xù)大角度彎頭。當(dāng)穿越段有彎頭時，盡量將彎頭布置在穿越段起末點(diǎn)附近，最好位于穿插的末端[7]。

（2）鋼管焊接過程中需保證焊接工藝符合要求，內(nèi)焊縫余高不要超過2 mm，且不得存在焊渣、焊瘤；內(nèi)襯穿管前可做管道內(nèi)檢測，如不符合要求，需采用管道清洗除瘤技術(shù)。

（3）HDPE內(nèi)襯管的熱熔焊接和焊縫打磨必須由專業(yè)人員操作，由生產(chǎn)廠家進(jìn)行培訓(xùn)并取得崗位證書。

（4）HDPE內(nèi)襯管在牽引過程中宜考慮在襯管外表面涂抹少量油脂減小摩擦阻力，避免內(nèi)襯管承受過大拉力[8]。

（5）鋼管在試壓完畢后需進(jìn)行排水、清管、干燥等作業(yè)，在襯管穿插前保證管道內(nèi)部的清潔，襯管在進(jìn)入鋼管前保證與地面沒有接觸，避免對管道內(nèi)部的二次污染[9]。

（6）在采用輔助壓力、溫度措施脹管時，壓力必須緩慢升高，尤其是采用壓縮空氣作為介質(zhì)脹徑時，過高過快的壓力有可能導(dǎo)致內(nèi)襯管發(fā)生脆裂，原材料的快速脆裂、慢速脆裂指標(biāo)必須符合規(guī)范要求。

（7）鋼管系統(tǒng)整體避免出現(xiàn)尖銳角邊，比如鋼法蘭內(nèi)徑要做6 mm導(dǎo)圓角，排氣孔的開孔采用機(jī)械開孔，并從管道內(nèi)部檢查開孔處是否有刺，如有需要打磨處理。

6 整體試壓數(shù)據(jù)

考慮上述注意事項后，該項目內(nèi)襯管道整體試壓順利完成，試壓曲線如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)試壓曲線Fig.3 Curve of system pressure test

由圖3可知，內(nèi)襯管道在24 h內(nèi)保持住所要求的試壓壓力，順利通過24 h強(qiáng)度試壓（1.25倍線路設(shè)計壓力），HDPE內(nèi)襯管整體設(shè)計、施工流程通過現(xiàn)場驗證。

7 結(jié)論

（1）HDPE內(nèi)襯穿管技術(shù)填補(bǔ)了碳鋼管耐腐蝕差的缺陷，減小了管道的摩阻系數(shù)。在原管線內(nèi)襯HDPE管形成鋼塑復(fù)合管道，能在原管道承壓能力基礎(chǔ)上，使壓應(yīng)力更趨均勻分布，堵塞泄漏點(diǎn)，加強(qiáng)薄弱管段，阻斷介質(zhì)腐蝕，綜合提高管道使用性能[10]。

（2）該文引入了內(nèi)襯管徑向坍塌和軸向坍塌理論，為內(nèi)襯管壁厚計算提供了依據(jù)。對于不含氣體介質(zhì)的管道，此SDR值是可以通用的，不需要針對每個項目單獨(dú)計算。

（3）此項目聚乙烯管使用的是標(biāo)準(zhǔn)管材級別，需借助輔助壓力進(jìn)行回彈，優(yōu)點(diǎn)是對內(nèi)襯管回拖時間選擇上比較靈活，但回彈過程借助外力時間較長，可以研究改性的聚乙烯材料增大其自動回彈能力。

（4）除采用冷彎管外，線路上存在大角度變化的還可以采用法蘭連接的工廠注塑彎頭，即彎頭兩端先焊接好鋼法蘭，并在工廠內(nèi)對彎頭內(nèi)部分兩層注入黏接層和保護(hù)層；現(xiàn)場彎頭與管道法蘭連接，突面外用限位圈加固。