CN104358928A - 一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，解决了现有技术中高温埋地油气输送管道补偿器效能低下，在管道转弯处只能通过大幅增加补偿器数量的问题，在埋地管道补偿器和弯管处形成了人为创造的形变空间。提高了补偿器效能和管线自身抗二次应力能力，可大大减小补偿器的设置数量，节约了一部分对补偿器的投资以及制造、运输、施工周期。

Description

一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法

技术领域

本发明涉及油气领域，特别是涉及一种提高高温埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法。

背景技术

在油气工业中，管道是最常用的输送工具，为了节省地面空间和减少意外对地面人和物的伤害，油气输送管道通常被埋在地下，在长期的使用过程中，管道经历了冷暖交替，管道由于膨胀和压缩而产生的横向应力对管道的使用寿命有很大影响，使管道破裂、渗漏；地下的管道收到地面上的重物碾压而产生的纵向应力和瞬间作用力使管道不堪重负。

目前，关于应力方面的问题主要出现在供热管道中，而供热管道应力补偿采取的方式主要有设置补偿器、无补偿器方式（需设置锚固墩）、预应力安装（一次性补偿器）、敞沟预热安装。结合工程实际情况，就上述几种方式的可操作性进行说明，如下：

（一）设置补偿器：在线路自然弯管不能吸收应力的情况下，补偿器的设置是必要的。

（二）无补偿器方式（需设置锚固墩）：在管线必要位置设置锚固墩，通过计算管线二次应力、土壤反约束力确定锚固墩的大小及设置间距。

（三）预应力安装（一次性补偿器）：即在除一次性补偿器附近管线的沟槽外，其余部分的管沟可立即回填。在首次加热过程中，当一次性补偿器补偿量达到补偿段所要释放的热膨胀量时，再把一次性补偿器焊死。最终实现管线的整体焊接。

（四）敞沟预热安装：该方法是从缩小管线温差的角度出发对应力进行补偿作用。

随着经济的发展，采集油气设施及油气输送逐渐发展，油气管道铺设工程所面临复杂地形的趋势逐渐扩大。特别是在天然气管道输送过程中，因为输送时埋地管道具有高温，应力补偿成为管道施工重要的指标之一。

对于运行温度高的埋地天然气管道，线路敷设的基本原则是尽量直线敷设，但在进、出天然气站场，穿越公路，两管同沟敷设交汇等处不可避免的存在管道线路转弯，并且有可能是大角度转弯（具体多少度为大角度，以应力分析确定，下同）。而管线由建成到投产运行、或是由生产中处于长时间停止运行到重新启动运行，管道本体温度会从管道周围土壤环境温度上升到较高的管内介质温度，这个过程导致管道金属本体有一个急剧的温度抬升。又或是管道由正常运行到长时间停止运行，管道本体温度会从管内介质温度降至管道周围土壤环境温度，这个过程导致管道金属本体有一个急剧的温度降。

当高温埋地天然气管道铺设在一些复杂地形中时，尤其是铺设在松软地质、沙土地形甚至是沙漠地形中时，根据金属热胀冷缩的自然现象，在沙土中长距离敷设的管道直管会沿管道轴向两端膨胀或是反向收缩。这对处于直管两端的弯管产生了很强的拉伸应力或是压缩应力，超过了弯管的许用应力，导致弯管被挤破裂或是被拉裂。

因此，高温埋地天然气输送管道在转弯处应力补偿的需求远远大于通常铺设。而对于上述针对应力采取补偿的方式，在松软地质、沙土地形等复杂地形中使用时，会产生如下的缺点：

（一）设置补偿器：由于埋地后受土壤约束的原因，补偿器形变空间受限，其吸收应力的作用实际被降低。仅靠设置补偿器来吸收管线二次应力效果不佳，如要求二次应力必须低于某规定值的情况下，只能通过增加补偿器的数量来满足要求值，不经济且增加工程周期。

（二）无补偿器方式（需设置锚固墩）：锚固墩一般设置于线路端部或弯管处，数量多，体积大，只能是现浇混凝土，在沿管道走向的施工带上现浇混凝土施工难度较大，特别是在沙漠地区敷设的管道，沙土的反约束力不强，不能固定尺寸较小的锚固墩，导致其外形尺寸将会很大，混凝土用量大大增加，因此该方式或是不经济，或是效果不佳。

（三）预应力安装（一次性补偿器）：该方式主要针对供热管道而言，而对于天然气管道，并非输送热水或者蒸汽，在管道整体未焊接完成前，没有可用的高温介质对管道进行整体加热。因此不具备实际操作性。

（四）敞沟预热安装：当管道数量多，总体长度长，管道敷设地带为沙漠、戈壁时，施工地点往往偏远。并且管沟表面积大且距离长，需预热的沙土量太大，无法找到经济、合理的方法预热如此大量的沙土。施工不具备可操作性。

而在较硬地质中，因为天然气管道的特殊性，不允许在埋地管道周围有密闭空间，一旦管道泄漏，可能形成爆炸气体聚集的空间。而在埋地油气输送管道施工过程中，一定硬质的沙土回填也会造成类似于沙土地质的效果，因此降低了补偿器的效能。

并且在高温埋地天然气输送管道施工方面，在直管段上设置应力补偿器是必要的，但由于管道是埋地管道，并非地上敷设管道，补偿器也必须埋地。而埋地后的补偿器不能像地上设置的补偿器一样能够灵活进行形变来吸收管道产生的二次应力，导致单个补偿器效能大大降低，为保证总体效果，只能增加补偿器设置数量，但这又导致工程投资增加，工期延后。

因此如何提高单个补偿器的效能并解决高温埋地油气管道转弯处的高应力补偿需求成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，解决了现有技术中高温埋地油气输送管道补偿器效能低下，在管道转弯处只能通过大幅增加补偿器数量的问题，降低了高温埋地油气输送管道施工的成本，延长管道使用寿命。

为实现本发明目的，采用的技术方案如下：

一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：在埋地油气输送管道和/或补偿器外包裹有柔性材料。

进一步地，所述柔性材料的包裹方式为成型夹套包裹或条状材料捆扎包裹或上述两种方式组合。

进一步地，所述成型夹套包裹方式为多个成型夹套块在管道外组合捆扎。

进一步地，所述成型夹套包裹方式为两个半弧形夹套形状的柔性材料块闭合捆扎包裹管道，半弧形夹套内径同防腐后被包裹的管道外径一致；被包裹管道为弯管时，成型夹套曲率半径与弯管曲率半径一致。

进一步地，所述成型夹套块厚度小于等于600mm。

进一步地，所述条状材料捆扎包裹方式为将柔性材料板材切割为条状后，按一定方式捆扎在管道外。

进一步地，所述柔性材料采用阻燃、耐湿、耐蚀，具备一定弹性与缓冲功用的柔性材料。

进一步地，所述柔性材料采用发泡型材料。

进一步地，所述柔性材料采用聚烯烃类发泡材料。

本发明所采用的原理如下：

本发明的技术方案是在充分认识到补偿器的必要性的前提下，为提高埋地管道补偿器的效能而制定的方法。具体原理是给埋地的补偿器和大角度弯管等形变量大的管段营造一个类似地上补偿器的形变空间，但在埋地时该空间不可能凭空产生，即需要用相对柔软的柔性材料填充替代类似地上补偿器形变的空气空间，要求柔性材料既不被回填沙土、土壤等压实，又在管道形变时能够让出形变空间。填充的方式有多种，而最经济可行的便是将柔性材料捆扎在补偿器管道外壁和大角度弯管外壁，随补偿器和弯管埋地敷设后，在其四周自然地形成相对柔软的形变空间。

在天然气管道补偿器和大角度弯管组焊合格并已进行焊接接头防腐后，在二次应力集中或形变量大的地方包裹选定的柔性材料，包裹方式可以是条状的柔性材料均匀地捆扎在管道四周，也可以是根据被包裹管段外形订制的两个半弧形夹套形状的柔性材料块闭合捆扎包裹管道。包裹完成后，管道整体（含弯管、补偿器）埋设于指定深度，然后覆土回填。

对柔性材料本身的选择也很关键，首先应结合工程实际，获得管道最高运行温度、管径大小及其防腐层厚度、弯管曲率半径等参数，以及通过对管线应力分析后，确定的线路大角度弯管和单个补偿器形变允许幅度值。柔性材料选择的条件及原理如下：

a、本发明主要是针对高温管线，获得管道最高运行温度主要是为了选择能够长期承受该温度的柔性材料，其熔点应更高。

b、获得被包裹管线管径大小及其防腐层厚度，主要是为制作半弧夹套状柔性材料块确定内径，确保其内径与防腐后的管道外径一致。如采用标准条状柔性材料，则是用于确定其长度。

c、获得弯管曲率半径，主要是为制作用于包裹弯管处的半弧夹套状柔性材料块，使之曲率半径与弯管曲率半径一致。

d、通过应力分析，获得的线路大角度弯管或单个补偿器形变允许幅度值，则是为了确定包裹管线的柔性材料厚度。理论上应该是弯管或补偿器产生幅度值时受到的应力等于柔性材料被压缩相同幅度值时的压缩外力。

除上述必要的参数外，结合高温埋地天然气管道的特点，所选用的柔性材料同时应具备以下特性：

e、由于被包裹的介质为天然气管道，考虑到施工及维修的安全性，该柔性材料应具备阻燃性；

f、柔性材料长期埋设于地下，一旦吸水，势必影响材料的可压缩性及材料本身寿命，因此应具备耐湿性，其吸水率应相当低，结合具体材料而定；

g、使用柔性材料的主要目的是补偿器或弯管形变时，材料能够承受其挤压，应具有缓冲性。同时，当补偿器或弯管形变恢复时，材料同样需要具有良好的恢复性能，确保材料所占空间不被周围土壤、沙土挤占，提高材料使用的持续性；

h、在满足以上技术条件下，柔性材料价格应经济合理、制备周期应满足工程进度要求。

柔性材料确定及制备后，需在管线、补偿器、大角度弯管焊接及其防腐工序完成后，在补偿器、大角度弯管二次应力集中或形变量大的管段包裹选定的柔性材料，包裹方式可以是条状的柔性材料均匀地捆扎在管道四周，也可以是根据被包裹管段外形订制的两个半弧形夹套形状的柔性材料块闭合捆扎包裹管道。捆扎方式最好采用不锈钢钢带一次性焊接捆扎，也可采用钢丝、铁丝密集捆扎，捆扎后对钢带、钢丝、铁丝进行防腐层包裹处理，防止埋于地下锈蚀断裂。包裹完成后，管道整体（含弯管、补偿器）埋设于指定深度，然后覆土回填。

本发明对柔性材料的外形尺寸有具体要求。通常成型模具默认为标准方形模具，成型后的尺寸是有长宽高的立方板材，厚度不超过110mm，通过再切割形成条状。如采用订制特殊外形尺寸的柔性材料，则成型模具需专门订制，并结合具体尺寸要求，对成型机行程进行改良。即便如此，成型后的半弧夹套最大厚度不得超过600mm。

优选方案：

（1）对柔性材料成型厚度要求δ≤110mm的工程项目，建议选择制造标准尺寸的板材，然后进行适当切割，并采用标准尺寸包裹方式。

（2）对柔性材料成型厚度要求110mm<δ≤600mm的工程项目，需对成型机进行适当改良（提出要求，由柔性材料供货商改良），建议选择订制的半弧夹套状柔性材料，并采用成型夹套壳包裹方式。

（3）对柔性材料成型厚度要求δ>600mm，同样需对成型机进行改良（提出要求，由柔性材料供货商改良），改良后的成型厚度也不能超过600mm，此时选择订制厚度110mm<δ≤600mm的特殊板材，然后进行适当切割，并采用类似标准尺寸包裹方式的分层包裹方式，以满足最终的厚度要求。

本发明的有益效果表现在：

本发明的最终结果是在埋地管道补偿器和弯管处形成了人为创造的形变空间。有了形变空间，补偿器可以在受力后进行相应的形变，其效能随之提高。同时也将该方法运用到管线本身的大角度弯头处，提高了管线自身应对二次应力集中的能力。随着补偿器效能和管线自身抗二次应力能力的提高，可大大减小补偿器的设置数量，节约了一部分对补偿器的投资以及制造、运输、施工周期。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图中，1半弧夹套成型包裹件，2管道，3条状材料捆扎包裹层。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，采用柔性材料夹套成型包裹油气输送管道，分为上下两个半弧夹套成型包裹件1。半弧夹套成型包裹件1采用聚丙烯作为主要材料制备而成，输送管道外径为273mm，因此半弧夹套成型包裹件1内径为273mm；根据管道应力补偿计算，半弧夹套成型包裹件1的厚度为300mm，在此厚度下，弯管或补偿器产生幅度值时受到的应力等于柔性材料被压缩相同幅度值时的压缩外力。

将上下两个半弧夹套成型包裹件1闭合捆扎包裹管道2。捆扎方式采用不锈钢钢带一次性焊接捆扎，也可采用钢丝、铁丝密集捆扎，捆扎后对钢带、钢丝、铁丝进行防腐层包裹处理，防止埋于地下锈蚀断裂。包裹完成后，管道整体（含弯管、补偿器）埋设于指定深度，然后覆土回填。

实施例2：

如图2所示，某高温天然气埋地管道敷设工程，施工时管线温度20℃，运行温度100℃，温差达80℃，受二次应力作用，管线大角度弯管处应力超标，可能出现弯管处爆管，影响管道运行安全。最初采取的方式为设置线路“Π”型补偿器（方形补偿器），设置数量为94个，同时要求提高施工时管线温度至40℃。特别是施工时管线温度至40℃的要求，无法找到经济、合理的应对方法。后采取在线路“Π”型补偿器（方形补偿器）、大角度弯管处包裹聚丙烯发泡材料（一种柔性材料，常用于包装行业），可减少“Π”型补偿器（方形补偿器）数量14个，并降低施工时管线温度要求至20℃。

管道2外径为273mm，如采用半弧夹套的柔性材料包裹，其厚度达573mm，需对提前对供货商成型机进行改良。由于工期紧，放弃了半弧夹套包裹方式，遂采用了100mm厚的标准成型板材并切割为条状，最终采用了标准尺寸分3层包裹方式，在管道外形成条状材料捆扎包裹层3，厚度约为300mm。

捆扎方式采用不锈钢钢带一次性焊接捆扎，也可采用钢丝、铁丝密集捆扎，捆扎后对钢带、钢丝、铁丝进行防腐层包裹处理，防止埋于地下锈蚀断裂。包裹完成后，管道整体（含弯管、补偿器）埋设于指定深度，然后覆土回填。

实施例3：

在较硬地质中进行埋地输油管道铺设施工中，根据实际地质详细数据与管道数据结合计算应力补偿所需的形变空间，事先挖掘好管道及柔性材料包裹层所需空间。采用定做柔性材料夹套成型包裹油气输送管道，分为上下两个半弧夹套成型包裹件。半弧夹套成型包裹件采用聚丙烯作为主要材料制备而成，输送管道外径为320mm，因此半弧夹套成型包裹件内径为320mm；根据管道应力补偿计算，半弧夹套成型包裹件的厚度为313mm，在此厚度下，弯管或补偿器产生幅度值时受到的应力等于柔性材料被压缩相同幅度值时的压缩外力。

将上下两个半弧夹套成型包裹件闭合捆扎包裹输油管道。捆扎方式采用不锈钢钢带一次性焊接捆扎，也可采用钢丝、铁丝密集捆扎，捆扎后对钢带、钢丝、铁丝进行防腐层包裹处理，防止埋于地下锈蚀断裂。包裹完成后，管道整体（含弯管、补偿器）埋设于指定深度，然后覆土回填。

上述为本发明的优选实施例，并不是对本发明保护范围的限定，任何对本发明的一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法中步骤进行等质的替换，以及改进或步骤增减，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：在埋地油气输送管道和/或补偿器外包裹有柔性材料。

2.根据权利要求1所述的一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：所述柔性材料的包裹方式为成型夹套包裹或条状材料捆扎包裹或上述两种方式组合。

3.根据权利要求2所述的一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：所述成型夹套包裹方式为多个成型夹套块在管道外组合捆扎。

4.根据权利要求2所述的一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：所述成型夹套包裹方式为两个半弧形夹套形状的柔性材料块闭合捆扎包裹管道，半弧形夹套内径同防腐后被包裹的管道外径一致；被包裹管道为弯管时，成型夹套曲率半径与弯管曲率半径一致。

5.根据权利要求3或4所述的一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：所述成型夹套块厚度小于等于600mm。

6.根据权利要求2所述的一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：所述条状材料捆扎包裹方式为将柔性材料板材切割为条状后，按一定方式捆扎在管道外。

7.根据权利要求1所述的一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：所述柔性材料采用阻燃、耐湿、耐蚀，具备一定弹性与缓冲功用的柔性材料。

8.根据权利要求1所述的一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：所述柔性材料采用发泡型材料。

9.根据权利要求1所述的一种提高埋地油气输送管道应力补偿器效能的方法，其特征在于：所述柔性材料采用聚烯烃类发泡材料。