油气管道穿越钢制套管密封端设计

傅坚阳，龙世华，赵海峰，程浩力，张敬祎，金惠，王华

（1. 杭州市城乡建设设计院股份有限公司，浙江杭州 310004）

（2. 中国石油工程建设有限公司北京设计分公司，北京海淀 100085）

（3.中国石油冀东油田公司，河北唐山 063200）

（4 中国石油冀东油田西部分公司，陕西榆林 719000）

前言

套管穿越技术广泛应用于各类管道及电力通信电缆穿越[1]，在长输管道及集输管道工程建设过程中则普遍应用于公铁路及河流穿越等穿越中[2]。当混凝土套管不易获取时，钢制套管通常会被采用在油气管道项目穿越工程中，在海外油气管道项目中，钢制套管普遍被使用，一般情况下为减少土壤和水的侵入而导致的管道及钢套管腐蚀失效[3-5]，钢制套管两端都进行密封。因此，安全可靠的套管密封方式，成为油气输送安全的重要保证并受到广泛的关注，良好的套管密封方式设计，不仅利于管道安全，更利于施工，同时对推进“标准化设计”、“工厂化预制”、“模块化施工”、“机械化作业”的工程建设“五化”工作中的大有裨益。

1 常见套管封堵结构及存在的问题

由于套管内钢管面临着腐蚀失效问题，众多学者对套管内解决腐蚀失效的填充电解质、采用阴极保护防治措施及封堵形式等措施进行了研究[6-8]。国内石油天然气标准规范也对封堵等措施作了相应规定。

GB 50423-2013《油气输送管道穿越工程设计规范》[9]在第7.1.3规定“穿越铁路或二级及以上公路时，应采用顶进套管、顶进箱涵或水平定向钻穿越方式，并满足路基稳定性的要求。当套管或涵洞内空间充填细土将穿越管段埋人时，可不设检漏管及两端的封堵”，第7.3.1条规定“采用涵洞、套管等保护方法穿越公路、铁路时。宜采用钢筋混凝土涵洞、钢筋混凝土套管或者钢质套管。”

GB 50424-2015《油气输送管道穿越工程施工规范》[10]第8.1.4条规定“穿越管段与套管端部的环形空间应按设计要求进行封堵，其长度应大于200mm”，常规操作方式为当套管或涵洞内充填细土将穿越管段埋入时，不设排气管及两端的严密封堵。当套管或涵洞内输气穿越管段是裸露时，设排气管且两端严密封堵。由于取材及施工的便利性，国内油气管道项目道路穿越常采用钢筋和混凝土顶管，混凝土套管密封的典型做法（图1）是采用红砖及沥青麻丝封堵。当不采用封堵时（图2），则套管内回填细土/细砂或泥浆。

图1 典型混凝土套管安装封堵示意图

图2 典型混凝土套管安装内填充示意图

由于海外油气管道项目，钢筋混凝土套管的使用受到很大限制，因而经常采用钢制套管穿越。加拿大国家标准CAN/CSA-Z662-15 《Oil and gas pipeline systems》[11]第4.12.3.3条“Cased crossings”规定，套管末端同输送管之间应适当密封。海外油气田集输及外输管道穿越设计中应用更广泛的美国石油协会标准API RP 1102 《Steel Pipelines Crossing Railroads and Highways》[12]其第5.9节“Casing Seals”明确规定，为减少土壤和水的侵入，套管两端应进行密封。常采用的密封形式为高密度辐射交联热收缩材料制造的柔性端部密封套（图3）。

图3 典型钢制套管安装封堵示意图

由于目前常用的钢制套管密封为纯柔性结构，钢制套管和管道之间有较大的环形空间，柔性密封套在安装完成后，管沟回填时单侧受到土壤挤压，遇到硬质土块、碎石、树枝回填土中等常见的夹杂物，容易破损失效，使得管道套管内灌入大量积水或泥沙。因此，结合现场工程实践，设计了一种钢套管端部密封部件，缩小了钢制套管端部和管道之间的环形空间，且取材容易，便于安装和维护。以一条8”(DN 200)的油气集输干线，穿越用钢制套管为16”(DN 400)的项目为例，说明封堵端优化设计方案。

2 钢制套管封堵优化设计

2.1 套管加工

将DN400平焊法兰焊接于钢制套管管端，即完成钢制套管端部的制作（图4），以便同密封部件连接。

图4 套管端部设计及加工示意图

当采用大开挖预埋套管时，可以预先在预制场地批量焊接套管端部法兰，以便降低现场作业坑内作业时间及安装工作量，降低作业风险。

当采用钻孔或顶进施工时，可以先安装一端的法兰面，当套管完成穿越后，在进行另一端的焊接安装。

2.2 封堵端加工

密封端采用同DN400平焊法兰大小一致的圆形钢板（或方形钢板）制作，钢板完成裁取后开φ275mm圆孔，开孔位置需要考虑管道安装绝缘支撑后，在套管内的高度；圆钢板完成开孔后作为管道套管端法兰的配对法兰，端部管托套管（输送管管托）穿过配对法兰孔并完成焊接固定后形成密封端装置（图5）。

图5 封堵端设计及加工示意图

2.3 封堵安装

钢套管及输送管在套管内就位后，输送管在钢套管端口位置包裹保护橡胶片，密封部件端套上法兰密封橡胶垫片，穿过套上输送管，同钢套管端用螺栓连接密封（图6）。

图6 钢套管和封堵端组装示意图

当封堵端安装完成后，封堵端同输送管接触部位采用油气储运线路防腐工程常用的热收缩套（高密度辐射交联热收缩材料）缠绕密封（图7），以达到密封效果。

图7 管道封堵端密封安装示意图

3 结论

采用油气集输及油气储运的工程中常用的钢管、钢板、热收缩套等材料制作钢制套管密封装置，通过配对法兰同钢套管用螺栓连接，安装简便，在提高安装效率的同时，减少了连头安装点坑底作业时间及风险，密封装置采用钢板钢管制作，提高了强度，同时密封装置管托管同输送管采用热收缩套包裹密封，提高了密封性，在油气集输及油气储运项目中钢质管道带管道套管穿越道路、水域等障碍物时对管端的密封具有一定的实用性。