蔣林林，潘麗紅，韓文禮，張紅磊

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

2.CNPC石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室，天津300451

3.中國(guó)石油華北油田公司基建工程部，河北任丘062552

凍土區(qū)油氣管道保溫技術(shù)現(xiàn)狀

蔣林林1，2，潘麗紅3，韓文禮1，2，張紅磊1，2

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451

2.CNPC石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-涂層材料與保溫結(jié)構(gòu)研究室，天津300451

3.中國(guó)石油華北油田公司基建工程部，河北任丘062552

在國(guó)內(nèi)外油氣管道建設(shè)中，部分管道要穿越凍土區(qū)，對(duì)管道保溫技術(shù)提出了更高的要求。國(guó)內(nèi)在這方面的研究工作與國(guó)外相比，存在較大差距。文章以漠河-大慶段原油管道為例，介紹了國(guó)內(nèi)保溫管道預(yù)制和補(bǔ)口技術(shù)；以阿拉斯加原油管道為例，介紹了國(guó)外架空和埋地管道保溫技術(shù)；從保溫材料和生產(chǎn)線、保溫?zé)崃W(xué)分析和軟件開(kāi)發(fā)等方面介紹了國(guó)外保溫技術(shù)的新進(jìn)展；最后著重分析了管道補(bǔ)口施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了改進(jìn)建議。

油氣管道；凍土區(qū)；保溫管；補(bǔ)口；技術(shù)現(xiàn)狀

近年來(lái)開(kāi)展的油氣管道建設(shè)，部分管道要穿越凍土區(qū)，需要在寒冷環(huán)境下施工。凍土區(qū)管道建設(shè)面臨的工程技術(shù)難題主要是凍脹與融沉。通常防止融沉的做法包括熱管技術(shù)、架空鋪設(shè)、人工制冷法埋設(shè)、安裝地下管道支撐裝置或沿管道鋪設(shè)工作墊層等[1-4]，但對(duì)管道進(jìn)行有效保溫使管道散熱損失合理，是實(shí)施各種防融沉技術(shù)的前提條件。國(guó)內(nèi)最近幾年才開(kāi)始大口徑長(zhǎng)輸管道工程穿越凍土區(qū)的研究，與國(guó)外相比，從材料選擇、方案設(shè)計(jì)到工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)都存在較大差距。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外凍土區(qū)油氣管道的保溫技術(shù)進(jìn)行介紹，旨在為凍土區(qū)油氣保溫管道工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1　國(guó)內(nèi)凍土區(qū)油氣管道保溫技術(shù)狀況

國(guó)內(nèi)穿越凍土區(qū)的油氣管道主要有格爾木-拉薩成品油管道（簡(jiǎn)稱格拉線）、中俄原油管道漠河-大慶段管道（簡(jiǎn)稱漠大線）。格拉線是迄今為止中國(guó)最長(zhǎng)、世界上海拔最高的輸送成品油的固定管道[5-6]。漠大線是國(guó)內(nèi)第一條通過(guò)多年凍土區(qū)的大口徑長(zhǎng)輸原油管道，穿越大興安嶺不連續(xù)多年凍土區(qū)的長(zhǎng)度達(dá)441 km[7]，漠河至加格達(dá)奇之間的凍土、低洼、沼澤地區(qū)超過(guò)70 km管道的設(shè)計(jì)采用了預(yù)制直埋保溫管。以漠大線為例，著重介紹其保溫管的預(yù)制工藝及保溫補(bǔ)口技術(shù)。

1.1漠大線保溫管預(yù)制工藝

漠大線預(yù)制直埋保溫管防腐保溫層由防腐層、保溫層、防護(hù)層組成，其中防腐層采用三層結(jié)構(gòu)聚乙烯（3PE普通級(jí)），保溫層采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（厚80 mm），防護(hù)層采用高密度聚乙烯塑料（厚12 mm）。保溫管預(yù)制采用“管中管”成型、端頭傾斜注料工藝。具體工藝如下：在防腐管外表面等間距安裝支撐塊后，將其穿入高密度聚乙烯外護(hù)管中；轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)泡平臺(tái)，采用液壓法蘭進(jìn)行兩端封堵；調(diào)整發(fā)泡平臺(tái)，使其處于傾斜狀態(tài)，傾角約15°；高壓發(fā)泡機(jī)調(diào)試完成后，在傾斜保溫管的高端處注料，注料完成后將其調(diào)至水平狀態(tài)進(jìn)行發(fā)泡；待泡沫固化后，開(kāi)啟兩端液壓封堵；端頭二次處理，安裝防水帽。

1.2漠大線保溫補(bǔ)口技術(shù)

漠大線穿越凍土、低洼、沼澤地區(qū)，需要冬季施工，保溫補(bǔ)口環(huán)境溫度較低，不適合采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡工藝進(jìn)行保溫層補(bǔ)口。保溫層補(bǔ)口采用預(yù)制保溫瓦塊捆扎的方式進(jìn)行，由3塊120°與主管體同材質(zhì)的硬質(zhì)聚氨酯泡沫瓦塊拼接而成，拼接采用子母扣連接方式，性能指標(biāo)滿足GB/T 29047-2012《高密度聚乙烯外護(hù)管硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管及管件》中相關(guān)規(guī)定?，F(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口工藝為：管道接口預(yù)熱，預(yù)熱溫度50～70℃；管道接口除銹及補(bǔ)口防腐層表面處理；無(wú)溶劑環(huán)氧涂料，黏彈體防腐層補(bǔ)口；安裝聚氨酯保溫瓦3塊拼接成補(bǔ)口保溫層，并加以固定；采用捆扎帶安裝電熱熔套（厚12 mm），電熱熔套兩端與管道防護(hù)層搭接寬度不小于100 mm，接通電源熱熔焊接；電熱熔套軸向搭接焊縫及其兩端與管道外護(hù)層的搭接焊縫均采用黏彈體膠條進(jìn)行密封，再采用聚丙烯膠帶進(jìn)行外防護(hù)。

2　國(guó)外凍土區(qū)油氣管道保溫技術(shù)狀況

國(guó)外油氣管道穿越多年凍土區(qū)的工程較多，包括穿越加拿大西部和美國(guó)阿拉斯加中南部的克努爾（Canola）成品油輸送管道、加拿大羅曼井（Norman Wells）輸油管道、美國(guó)阿拉斯加天然氣管道、美國(guó)阿拉斯加原油管道等。近年來(lái)，凍土區(qū)管道建設(shè)又有了很大進(jìn)展，如俄羅斯的西伯利亞油氣管道，其中東西伯利亞-太平洋原油管道長(zhǎng)度超過(guò)4 000 km，Bovanenkovo-Ukhta輸氣管道長(zhǎng)約1 000 km，管徑達(dá)到1 422 mm（56 in），鋼材為X80；加拿大擬建Mackenzie輸氣管道長(zhǎng)約1 200 km。此外凍土區(qū)的管道建設(shè)還向海底延伸，如BP公司于2001年在阿拉斯加波弗特灣建成連接北極近海油田到陸地的首條海底管道，Bovanenkovo-Ukhta管道工程還包括71 km的海底管道建設(shè)。具有典型性的是1977年建成的阿拉斯加原油管道（TAPS）。

阿拉斯加原油管道通過(guò)永凍土地區(qū)的管道大約有681 km是架空敷設(shè)的，保溫管道架設(shè)在8萬(wàn)多個(gè)裝有散熱片的液氨“熱管”系統(tǒng)的管架上；其余約600 km管道是埋在地下敷設(shè)的，其中有大約6 km的管道采用兩邊帶有冷凍液體伴冷管的敷設(shè)方式[8-10]。

2.1TAPS工程架空管道保溫技術(shù)

架空鋪設(shè)的管道，采用約250 μm厚的環(huán)氧粉末涂層作為防腐層，采用95 mm厚的玻璃棉氈作為保溫層，采用鍍鋅鐵皮作為外護(hù)層。為防止保溫層滑動(dòng)，架空管道在原有環(huán)氧粉末涂層上涂了一層復(fù)合無(wú)機(jī)涂料，使其與外面的保溫層相黏結(jié)。常規(guī)支撐架和固定支撐架上所用的保溫材料，都是采用模鑄形成了半圓殼式，保溫材料采用聚氨酯泡沫分層鑄成，中間夾有一層玻璃纖維，以增加強(qiáng)度。兩個(gè)管架之間直管段的保溫材料做成板狀。每塊保溫板采用3種不同密度的玻璃纖維制成，與管道直接接觸的是一種高密度的玻璃纖維，其他兩種是中等密度纖維和半硬質(zhì)纖維層，構(gòu)成主要保溫層。保溫板之間緊密對(duì)接，在接口外面用一條低密度玻璃纖維層箍緊，外包一圈鍍鋅鐵皮，起著搭接作用，搭接部分采用錐形螺絲固定。鍍鋅板上鉆滲水孔，用于排除內(nèi)部積水，安裝時(shí)置孔于管道底部。兩節(jié)直管段保溫層之間的搭接方式有剛性和柔性之分，剛性連接先采用瑪蹄脂密封膠密封，再用低密度玻璃纖維壓緊，然后采用270 mm寬的薄鋼帶箍緊，鋼帶兩側(cè)與鍍鋅鐵皮搭接的部分采用螺栓固定；柔性連接采用低密度玻璃纖維制成的波紋狀伸縮節(jié)與兩側(cè)直管的保護(hù)層用不銹鋼鋼帶箍緊，再用螺栓與兩側(cè)的鍍鋅鐵皮進(jìn)行固定[10]。

2.2TAPS工程埋地管道保溫技術(shù)

埋地鋪設(shè)的管道，采用約250 μm厚的環(huán)氧粉末涂層作防腐層，視土壤性質(zhì)在環(huán)氧粉末涂層之外再包覆一層膠黏帶，采用75～100 mm厚的聚氨酯泡沫作為保溫層，其性能指標(biāo)為：密度56 kg/m3；常溫下的徑向抗壓強(qiáng)度不小于0.25 MPa，軸向抗壓強(qiáng)度不小于0.16 MPa；導(dǎo)熱系數(shù)小于0.029 W/（m·K）。外護(hù)層采用5 mm厚的硬質(zhì)聚乙烯塑料。聚氨酯保溫層均噴涂瀝青防水密封層。保溫層根據(jù)管徑大小由3～4塊保溫瓦組成，保溫瓦外部是硬質(zhì)聚乙烯保護(hù)套，聚乙烯保護(hù)套的直縫處有一道翻邊，保溫瓦拼起來(lái)即形成管道保溫層。保溫瓦的軸向接頭處，采用100 mm寬的聚乙烯帶箍緊。所有軸向的法蘭接縫和起箍緊作用的聚乙烯帶都用聚乙烯焊條焊接，確保系統(tǒng)的絕對(duì)密封。

2.3凍土區(qū)管道保溫技術(shù)新進(jìn)展

2.3.1保溫材料和生產(chǎn)線

Bovanenkovo-Ukhta埋地管道采用不同的保溫措施，第一段管道總體無(wú)保溫層，只在穿越溪流、河流和航道處，管道有環(huán)狀保溫層，由泡沫聚苯乙烯材料采用擠出法形成；第二段管道全部采用保溫層；第三段與第一段相同。海底管道采用保溫層。

除了比較傳統(tǒng)的管道保溫材料用于凍土區(qū)管道的保溫外，一些新材料也得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，如基于苯乙烯熱塑彈性合金（Styrenic Alloy）的保溫材料已形成新型保溫系統(tǒng)[11]，適用于深水和極地地區(qū)的管道保溫。

蜂窩混凝土（Cellular Concrete，也稱發(fā)泡混凝土，F(xiàn)oam Concrete）[12]，其原料為波特蘭水泥、水、發(fā)泡劑，可根據(jù)強(qiáng)度要求，加入適量粉煤灰、纖維等材料，一般不含砂石骨料。作為保溫材料，其特點(diǎn)是質(zhì)輕（濕密度400～600 kg/m3）、強(qiáng)度高（28 d抗壓強(qiáng)度0.71～1.98 MPa）、耐火、耐用（使用壽命比發(fā)泡保溫材料約高4倍），導(dǎo)熱系數(shù)0.075～0.097 W/（m·K），此外高pH值（9.4～13）可有效防止鋼管受腐蝕。施工方式包括預(yù)制或現(xiàn)場(chǎng)澆注，適用于寒冷和極寒冷地區(qū)管道和設(shè)備的保溫。

近年來(lái)國(guó)外保溫管預(yù)制施工技術(shù)有了很大的發(fā)展。丹麥LOGSTOR的全自動(dòng)聚氨酯泡沫噴涂技術(shù)是世界領(lǐng)先的獨(dú)家綠色低碳技術(shù)，高密度聚乙烯外殼纏繞技術(shù)較傳統(tǒng)的聚乙烯外護(hù)管擠出工藝大幅度提高了生產(chǎn)效率。全自動(dòng)聚氨酯泡沫噴涂技術(shù)和高密度聚乙烯外殼纏繞技術(shù)大幅度提高了高密度聚乙烯外護(hù)保溫管的預(yù)制速度，目前國(guó)內(nèi)尚未獨(dú)立掌握該技術(shù)。LOGSTOR熱塑材料焊接補(bǔ)口系統(tǒng)技術(shù)通過(guò)電腦控制的熱塑焊接工藝，將補(bǔ)口與高密度聚乙烯外護(hù)管緊密焊接在一起，可最大限度地提高補(bǔ)口質(zhì)量，是目前世界領(lǐng)先的最可靠的補(bǔ)口技術(shù)。但尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)上述技術(shù)在凍土區(qū)保溫管道工程中應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道或資料，尤其是保溫補(bǔ)口需要在寒冷環(huán)境下施工，該技術(shù)的適用性有待驗(yàn)證。

2.3.2凍土區(qū)管道的保溫?zé)崃W(xué)分析和軟件開(kāi)發(fā)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在研究?jī)鐾羺^(qū)埋地管道溫度場(chǎng)方面，數(shù)值模擬方法已成為有效手段，考慮的影響因素越來(lái)越全面、細(xì)致，不僅可模擬靜態(tài)的管-土溫度場(chǎng)耦合作用；而且可模擬土壤凍融的相變過(guò)程，并考慮太陽(yáng)輻射變化、氣溫季節(jié)變化以及管道地面雪覆蓋層的變化等因素。

加拿大GEO-SLOPE公司開(kāi)發(fā)的Geo Studio TEMP/W軟件在國(guó)際上有較高的知名度，可用于分析由埋地管道傳熱引起的凍土帶凍融問(wèn)題，評(píng)估保溫措施的功能和效果，為凍土區(qū)管道保溫設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

Basel Abdalla等[13]近年開(kāi)發(fā)的三維有限元綜合模型已成功應(yīng)用于模擬管道與周?chē)鷥鐾林g的熱力學(xué)相互作用，給出對(duì)傳熱、土凍融和管道變形計(jì)算的更好結(jié)果。

3　存在的問(wèn)題及建議

阿拉斯加原油管道、漠大線以及常用的直埋油氣管道保溫結(jié)構(gòu)均采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料+聚乙烯塑料。阿拉斯加原油管道埋地保溫管道是采用預(yù)制好的帶聚乙烯外護(hù)層的聚氨酯保溫瓦拼接而成，外護(hù)層采用塑料焊進(jìn)行焊接，施工技術(shù)復(fù)雜，施工效率較低。國(guó)外現(xiàn)有預(yù)制工藝大大提高了施工效率；漠大線的預(yù)制直埋保溫管用聚乙烯管作外護(hù)管、聚氨酯泡沫為保溫層，采用“管中管”工藝生產(chǎn)，簡(jiǎn)化了工藝，補(bǔ)口處采用電熱熔套密封，提高了施工效率，代表了國(guó)內(nèi)最新的施工工藝。

聚氨酯泡沫塑料屬硬質(zhì)材料，采用硬質(zhì)聚氨酯瓦塊補(bǔ)口可能存在以下問(wèn)題：

（1）保溫管在預(yù)制過(guò)程中的留頭長(zhǎng)度是一個(gè)范圍值，而不是一個(gè)定值，導(dǎo)致補(bǔ)口長(zhǎng)度也是一個(gè)范圍值。聚氨酯保溫塊補(bǔ)口解決了現(xiàn)場(chǎng)溫度低發(fā)泡困難的問(wèn)題，但是保溫塊的批量生產(chǎn)使保溫塊的長(zhǎng)度是一個(gè)定值，補(bǔ)口長(zhǎng)度與保溫塊長(zhǎng)度的不一致，給現(xiàn)場(chǎng)安裝帶來(lái)很大的不便，保溫塊現(xiàn)場(chǎng)切割會(huì)影響到保溫補(bǔ)口的施工效率和施工質(zhì)量。在保溫管預(yù)制過(guò)程中嚴(yán)格控制留頭長(zhǎng)度，使其為一個(gè)定值，可使上述情況得到有效改善，但對(duì)保溫管預(yù)制提出了較為嚴(yán)格的要求。

（2）聚乙烯電熱熔套和聚氨酯泡沫保溫塊均屬硬質(zhì)材料，在補(bǔ)口過(guò)程中兩者很難緊密貼合在一起，縫隙的存在會(huì)影響到整個(gè)補(bǔ)口的保溫效果。

（3）硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫塊子母扣連接方式對(duì)尺寸要求比較高，在拼接過(guò)程中存在結(jié)合不緊密的情況，需要進(jìn)行填縫處理，使施工效率降低，如果不進(jìn)行處理，則會(huì)影響補(bǔ)口的保溫效果。

綜合目前凍土區(qū)油氣管道保溫技術(shù)的現(xiàn)狀，針對(duì)凍土區(qū)保溫管道工程提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）保溫管預(yù)制在工廠內(nèi)進(jìn)行，受施工環(huán)境的影響較小，可采用全自動(dòng)聚氨酯泡沫噴涂技術(shù)和高密度聚乙烯纏繞技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)速度，縮短工期。

（2）熱塑材料焊接補(bǔ)口系統(tǒng)技術(shù)采用電腦控制焊接工藝，較人工控制可有效提高施工質(zhì)量，需要驗(yàn)證其在寒冷環(huán)境下施工的適用性。

（3）補(bǔ)口處保溫材料的選擇與管體保溫材料的選擇相比，較為靈活多樣，補(bǔ)口面積較小，對(duì)強(qiáng)度要求可適當(dāng)降低，考慮采用柔性保溫材料進(jìn)行補(bǔ)口，如聚乙烯泡沫塑料、二氧化硅氣凝膠保溫氈等。柔性保溫材料可以在較大范圍內(nèi)適應(yīng)補(bǔ)口尺寸的變化，現(xiàn)場(chǎng)切割較硬質(zhì)材料方便，可提高施工效率，改善保溫效果。當(dāng)采用柔性保溫材料進(jìn)行補(bǔ)口時(shí)，可以采用單一材料或是復(fù)合結(jié)構(gòu)補(bǔ)口，外護(hù)層宜選用電熱熔套、電熱熔套+熱收縮套。

[1]袁中立，馮士明，湯彬.凍土地帶管道敷設(shè)方法及保溫技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2004，30（6）:6-9.

[2]Shawn Kenny，St Johns.Working through permafrost:pipelines in arctic terrain[J].Pipelines International，2012（12）：44-45.

[3]金會(huì)軍，喻文兵，陳友昌，等.多年凍土區(qū)輸油管道工程中的（差異性）融沉和凍脹問(wèn)題[J].冰川凍土，2005，27（3）:454-464.

[4]高曉飛，常懷民，孫宏全，等.多年凍土區(qū)管道的若干關(guān)鍵技術(shù)[J].天然氣與石油，2009，27（6）:1-4.

[5]蒲家寧.軍用輸油管線[M].北京：解放軍出版社，2003.126-113.

[6]何瑞霞，金會(huì)軍，呂蘭芝，等.格爾木-拉薩成品油管道沿線凍土工程和環(huán)境問(wèn)題及其防治對(duì)策[J].冰川凍土，2010，32（1）:18-27.

[7]楊思忠，金會(huì)軍，于少鵬，等.中俄輸油管道（漠河-大慶段）主要凍土環(huán)境問(wèn)題探析[J].冰川凍土，2010，32（2）:358-366.

[8]宋芙.美國(guó)阿拉斯加原油管道[J].國(guó)外油氣儲(chǔ)運(yùn)，1994，12（2）: 61-63.

[9]Terry T，McFadden F，Lawrence Bennett.Construction in Cold Regions:A Guide for Planners，Engineers，Contractors，and managers[M].New York：John Wiley&Sons，Inc.，1991.

[10]梁翕章，唐智圓.世界著名管道工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[11]Shiwei Guan，Adam Jackson，Tony Bacon.Thermal Insulation System for Deepwater and Arctic Pipelines Based on Styrenic Alloys[A].24th International Ocean and Polar Engineering Conference[C].Busan，Korea：IOPE，2014.

[12]BDolton，CHannah，CellularConcrete:Engineering and Technology Advancement for Construction in Cold Climates[A].2006 Annual General Conference of Canadian Society for Civil Engineering[C]. Calgary，Canada：CSCE，2006.

[13]JianfengXu，AymanEltaher，Paul Jukes.WarmPipelinein Permafrost:A Sensitivity Study of the Major Thermal Properties [A].proceedings of ASME 29th International conference[C]. Huston，USA:OMAE，2010.793-799.

Current Status of Thermal Insulation Technology of Oil and Gas Pipelines in Permafrost Regions

Jiang Linlin1，2，Pan Lihong3，Han Wenli1，2，Zhang Honglei1，2
1.CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China
2.Research Division of Anticorrosion Coating and ThermalInsulation Structure，CNPC Key Laboratory of Tubular Goods Engineering，Tianjin 300451，China
3.Construction Engineering Department，PetroChina HuabeiOilfield Company，Renqiu 062552，China

In oil and gas pipelines construction，a part of pipelines cross permafrost regions，which need higher thermal insulation technology.There is considerable disparity between China and foreign countries in this research field.This paper introduces the technology of domestic thermal insulated pipe prefabrication and field joint coating by taking Mohe-Daqing Crude Oil Pipeline as an example；the foreign insulation technology of supported and buried thermal pipelines by taking Trans-Alaska Pipeline System as an example；the new foreign thermal insulation technology development in aspects of materials，production line，thermodynamics analysis and software development.Finnaly it analyzes the problems existing in field joint construction and brings forward improvement suggestions.

oiland gas pipelines；permafrost region；thermalinsulated pipe；field joint coating；current status of technology

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.04.010

蔣林林（1985-），男，山東東營(yíng)人，工程師，2009年畢業(yè)于華中科技大學(xué)熱能工程專(zhuān)業(yè)，碩士，現(xiàn)從事儲(chǔ)罐、管道防腐保溫的研究工作。

2013-11-21