继 2002 年甬沪宁进口原油管道定向钻穿越黄 峙水道施工过程中出现管道变形事故后, 在东北输 油管网改造庆铁老线嫩江穿越施工中, 再次发生管 道变形, 这已经是国内第二次发生定向钻穿越管道 变形事故。 庆铁老线嫩江穿越工程设计压力为 4. 5 M Pa, 管道规格为 711 8. 7 mm , 管材为 L 415 螺旋缝埋 弧焊钢管。穿越水平长度为 1 109 m ( 入、 出土点间 距) , 实际长度为 1 112. 9 m 。入土角为 10 52!, 出土 角为 6 48!。穿越段选用的曲率半径为 1 100 m 。穿 越曲线最低点管顶距河床最低处 17. 9 m 。出、 入土 点高程分别为 127. 3 m 和 126. 7 m , 与管道最低点 最大高差为 33. 3 m 。 依据土体形成的地质时代、 成因、 岩性、 物理力 学性质等特性, 对管道穿越处的地层进行工程地质 分层 , 主要为粉质粘土、 粉细砂和粘土。穿越段管道 选在粘土层中穿过嫩江 , 局部穿过粉细砂层。穿越 工程于 2006 年 5 月 12 日 10 时开钻, 15 日 16 时出 土。 5 月 26 日 12 ∀ 45 开始进行回拖作业, 23 ∀ 45 结束。5 月 29 日, 在对穿越拖拉头进行切割时 , 发 现回拖的管道有变形现象 , 沿管道方向挖掘约 6 m, 发现拖拉头变形 , 第一根管道裸露的 4 m 长的管道 径向成扁平状, 扁平方向为 10 点钟 ~ 4 点钟方向。
壁厚选取偏薄, 成为发生管道径向变形事故的主要 原因。 我国引进定向钻穿越技术以来 , 除黄峙水道穿 越工程和庆铁老线嫩江穿越施工失败外 , 其余几百 项工程都很成功, 这是因为在以往的成功案例中 , 长 输管道的设计压力都很大, 达到 8 MP a、 10 M Pa 、 12 M Pa, 甚至更大。所以, 根据设计压力和钢管的许用 应力计算出的壁厚就会很大 , 也满足管道径向稳定 性的要求。而本工程设计压力仅为 4. 5 M Pa, 没有 核算管道的径向稳定性 , 在这种情况下选取的管道 壁厚不能满足管道的径向稳定性要求。
四、 预防管子径向变形措施
在今后的定向钻穿越设计中, 应充分考虑回拖 中管道受到的外压力问题 , 根据穿越深度和地质情 况 , 适当采取提高管道壁厚、 限制回拖管道时的泥浆 压力等措施 , 以确保设计的安全可靠性。在施工中, 应严格控制出土角, 在距 出土点 40~ 50 m 的位置 上根据出土角挖斜坡 , 尽量减小管道进入钻孔时管 道与钻孔曲线的 夹角, 避 免管道产生较大 的弯矩。 另外, 在回拖时适当地控制泥浆压力 , 以减小管道所 受的外力, 并且适当扩大孔径 , 使管段 在泥浆中回 拖 , 避免管体贴着孔壁而增大管体与管壁的摩擦 , 从 而增大管道的外压 , 并保证防腐层不受损伤。
考
文
献
冰 : 定向钻穿越施 工中管道 回拖抽瘪 问题的分 析
及预防措施 , 石油工程建设 , 2003, 29( 4) 。
( 收稿日期 : 2006 12 11)
编辑 : 杜
娟
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油
气
储
运
2008 年
作
宫 敬
者
介
绍
教授 , 1962 年生, 1982 年本科毕业于抚顺石油学院油气储运专业 , 1995 年获石油大学 ( 北京 ) 油气 储运专业博士学位, 现为中国石油大学( 北京 ) 储运专业博士生导师, 从事油气储运方面的教学和科 研工作。
* 065000, 河北省廊坊市金光道 22 号 ; 电话 : ( 0316) 2075489。
第 27 卷第 2 期
刘
刚等 : 定向钻穿越回拖管道径向变形原因分析
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出土点位置对管道的法向力等多种力的合力, 从而 产生过大的弯矩。若管道选用的壁厚安全系数不够 大, 就有可能在此时发生径向变形。 3、 意外原因 在回拖管道过程中可能出现的意外情况有自然 灾害、 人为破 坏、 违章操作、 受硬物挤压、 出 现负压 等。自然灾害和人为破坏首先被排除, 回拖管的变 形处的外防腐层完好 , 没有划痕, 受硬物挤压的可能 性被排除。 在定向钻穿越黄峙水道施工中, 为了减小回拖 阻力 , 在管内注水作为配重 , 管内水的流动活塞 , 使 得管道前端产生了负压, 加之外压力的作用使管道 失稳变形∃1% 。在这次事故中 , 管道内部产生的负压 起了决定性的作用。而在庆铁 老线嫩江穿越 工程 中, 未采用注水配重的 方式, 即 没有产生负压 的可 能, 因此可排除负压影响。 约有 320 m 穿越段经过细砂层 , 穿越地段深度 20 m 内饱和砂 土的液化等级为轻微 ~ 中等液化。 在钻导向孔或回拖管道过程中 , 若出现违章操作, 穿 越曲线通过的细砂层受到过大的扰动, 钻孔就可能 发生塌孔 , 回拖时泥浆压力过大, 也会导致管道在回 拖过程中受到过大的外力而失稳变形。 4、 管材和椭圆度 对穿越管道进行了取样, 分析了化学成分 , 完全 符合 L 415 管材要求。经现场精确测量管道的椭圆 度核实, 也符合标准。因此, 不存在因管材和椭圆度 不达标而导致 力学性 能偏 低, 而造成 管道 变形 的 问题。
分析认为, 在庆铁老线嫩江穿越工程中出现的 问题, 主要归咎于设计的安全可靠性。该工程完全 按照 GB 50253- 2003 &输 油管道工 程设计规 范∋ 、 &原油和天然气管道穿跨越设计规范 ( ( ( 穿越工程∋ 进行设计。本工程设计入土角、 出土角以及设计曲 率半径均满足规范要求。选取的 8. 7 mm 壁厚的钢 管的刚度、 强度和稳定性也都符合规范要求。 穿越管道设计规范中没有关于钢管径向稳定性 的计算方法, 现有的埋地管道径向稳定性的计算方 法不适用于定向钻穿越。由于设计规范的不完善 , 设计过程中没有对管道径向稳定性进行核算, 导致
和施工过程进行了分析, 认为设计选取的管子壁厚偏薄以及施工中可能存在不可预见的外力等因 素是造成管子变形的主要原因 , 指出应根据穿越的深度和地质情况 , 采取增加管子壁厚、 限制回拖 的泥浆压力等措施, 以确保管道设计的安全可靠。 主题词 长输管道 定向钻穿越 管子 回拖 径向变形 原因 分析
一、 前
谭力文 刘智勇 潘武汉 傅伟庆 赵荣生 郝建斌 俞 龙
ห้องสมุดไป่ตู้
李云昌 刘 刚
黄维秋
卢金树 韩洪升 郑 猛
讲师, 1974 年生, 2004 年毕业于大连海事大学轮机工程专业 , 现在浙江海洋学院从事油船安全和污 染控制研究工作 , 大连海事大学博士研究生。 教授, 1950 年出生 , 1981 年硕士油气储运专业, 现为大庆石油学院硕士研究生导师, 现主要从事复 杂流体流动方面的研究工作。 工程师 , 1973 年出生, 1994 年毕业于沈阳化工学院高分子化工专业, 现在辽河油田公司钻采工艺研 究院从事油田化学方面的科研工作。 1982 生 , 2005 年毕业于西南石油大学油气储运专业, 现为西南石油大学硕士研究生 , 从事油气储运 工程工艺与理论方面的研究工作。 1978 年生, 2003 年毕业于北京科技大学金属材料工程专业, 现为北京科技大学材料科学与工程学 院材料学专业在读博士研究生 , 主要从事金属材料腐蚀性能研究工作。 见本刊 2008 年第 1 期作者介绍。 高级工程师 , 1967 年生 , 1991 年毕业于中国石油大学( 华东 ) 化机专业 , 现在中国石油天然气管道工 程有限公司从事储罐、 压力容器等机械设备设计和技术管理工作。 高级工程师 , 1956 年生 , 1984 年毕业于沈阳化工学院化工自动化及仪表专业, 现任兰成渝输油分公 司调控中心 ( 运销科 ) 科长。 高级工程师 , 1973 年生 , 1997 年毕业于西南石油学院石油与天然气储运工程专业, 现任中国石油管 道研究中心防腐技术研究所所长。 高级工程师 , 1965 年生 , 1989 年毕业于西南石油学院油气储运专业, 现任中国石油天然气华东勘察 设计研究院储运室副主任 , 主要从事油气储运工艺设计工作。 高级工程师 , 1957 年生 , 1982 毕业于中国石油天然气管道局职工学院油气储运专业 , 现任中国石油 管道局东北管道公司长吉输油管理处副总工程师兼生产部部长。 助理工程师 , 1979 年生 , 2002 年毕业于北京工业大学交通土建专业, 现在中国石油天然气管道工 程有限公司从事长输管道线路和穿跨越设计工作。
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油
气
储
运
2008 年
线路工程
定向钻穿越回拖管道径向变形原因分析
刘 刚* 罗京新 刘 刚 徐 摘 要 孔德宏 徐 舟
( 中国石油天然气管道工程有限公司 ) ( 中国石油管道机械制造有限责任公司 ) ( 中国石油天然气管道工程有限公司 )
舟等: 定向钻穿越回拖管道径向变形原因分析 , 油气储运 , 2008, 27( 2) 60~ 61 。 针对庆铁老线嫩江定向钻穿越回拖时管子发生径向变形问题 , 对管子变形 、 设计参数
言
二、 管子回拖变形原因分析
施工单位对穿越段管道进行了测试 , 采用直径 为 76. 2 mm 的钻杆 , 从变形端推进 , 在钻杆进入管 道约 430 m( 位于穿越曲线的水平段 ) 后, 无法继续 推进。由于钻机过江困难 , 经研究进行江南出土点 的穿越管端推进钻杆测试。目前可以确定 , 穿越管 道发生径向变形是管道在回拖过程中所受外压超过 了管道自身所能承受的临界外压而失稳造成的。造 成失稳的因素可能是管道壁厚选取偏薄、 施工方案 不合理、 管道在回拖过程中出现意外情况 , 以及管道 自身的材质和椭圆度不达标等。 1、 管道壁厚 与管道所能承受的外压有关的参数只有管径和 壁厚。管径是确定的, 唯一可选择的是壁厚。若管 道壁厚选取偏薄, 在穿越施工中管道不能承受外界 压力而发生径向变形。在嫩江穿越工程中 , 管道壁 厚偏薄是造成管道径向变形的原因之一。 2、 施工方案 在定向钻穿越施工中, 回拖管道前, 将预制好的 管道放进发送沟, 在发送沟中注水, 利用水的浮力减 少回拖时管道的阻力。回拖开始时, 管道在出土点 靠钻杆的拉力被拖进钻孔, 管道与钻孔呈 6 48!。如 果没有有效措施来减小管道与钻孔的夹角 , 此时管 道 受到钻杆的拉力、 钻孔壁对管道的摩擦力和钻孔