钢质管道的非焊接连接方式

李记科

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.西安三环科技科发总公司，西安710077）

钢质管道的非焊接连接方式

李记科1,2

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710077；2.西安三环科技科发总公司，西安710077）

介绍了钢质管道的非焊连接方式。指出传统管道焊接连接时,内表面接头处防腐质量难以保证，有必要开发其他的管道连接方式。介绍了Zap-Lok®接头、Haelok接头、适应内衬HDPE管集成了电熔连接内衬层的机械压接接头。Zap-Lok®接头曾有保持管道内表面防腐层完好应用的大量业绩；电熔连接内衬层的机械压接接头，专门为内衬HDPE管的钢管设计，且通过了加拿大油气管道系统CSA Z662-11标准的验证试验。此两种连接方式能有效解决油田集输管道内腐蚀问题，具有广阔推广前景。

管道；连接方式；Zap-Lok®接头；Haelok接头；内衬HDPE管；电熔连接

管道用于输送油气介质或者水，对管道最基本的要求是密封性（不能出现泄漏）、承压能力（周向载荷），并且要能承受一定的轴向载荷（拉伸及压缩），有时还需要抗介质的腐蚀性。

管道焊接连接是目前油气管道敷设最常用的钢管连接方式。焊接接头质量可靠、焊接施工技术成熟，在大直径主干线的建设中，输送介质已经过处理，基本不存在管道内腐蚀问题，所以焊接连接仍将是管道建设中不可或缺的连接方式。

油田生产中的集输管道，尤其是从井口出来的单井管道，输送介质未经过处理，往往具有较强的腐蚀性。有采用非金属管材的集输管道，但也有一些因为使用温度、压力强度或经济性等其他原因不得不采用钢管的。钢制集输管道普遍采用焊接方式连接。集输管道外径较小（≤168 mm），即使对钢管内壁进行涂、镀层处理或内衬非金属层，因为焊接施工中的高温影响，很难保持内表面接头处腐蚀防护层的完整性，即钢制集输管道很难使用涂、镀层处理或内衬非金属层这种防腐蚀措施，腐蚀是造成该类钢质管道破坏的最主要原因。为了解决钢质集输管道的内防腐问题，有必要探讨钢质管道的非焊连接方式。

在对海底输送管道的维护修复中，经常用到对钢质管道的非焊接方式连接。钢质管道的非焊接连接方式主要可分为螺纹连接、卡箍连接、法兰连接和过盈压接。承插方式也是一种连接方式，但此连接的密封性、承压能力或承受轴向载荷的能力较差，本研究不做深入讨论。

1 螺纹连接

GB/T 9711—2011《石油天然气工业管线输送系统用钢管》仅对L175P/A25P的PSL1钢管（对应于“美国石油学会输送管规范API SPEC 5L 45th edition[2]”中对L175P/A25P的PSL1钢管）要求管端加工为螺纹端，采用螺纹连接，如图1所示。L175P是含P的低钢级的钢，易于切削机加工而难于焊接，可见管道输送对螺纹连接的定位为使用压力不高、要求不严的场所。这样的规定并不是否认螺纹连接的可靠性，这与GB/T 9711或API SPEC 5L肯定对输送管潜在的最主要的焊接连接方式相关。GB/T 9711或API SPEC 5L认为输送管就是用于焊接的管子，不管是对输送管化学成分的要求，如低的碳含量和碳当量，或者管端形式的要求，如所谓平端的要求实际上是保留1.6 mm钝边、加工成30°坡口的管端形式。实际上将油井管看作是竖着的管道，其服役条件比输送管还要苛刻，所用的连接方式正是螺纹连接。自从特殊扣[3]设计了可以实现金属密封的“鼻子”后，螺纹连接的气密封性及综合性能得到了极大提升，如图2所示。

图1 普通输送管螺纹连接示意图

图2 油套管特殊扣连接示意图

2 卡箍连接

卡箍连接[4-7]也称沟槽连接，一种最常见的卡箍连接方式是维特利连接，如图3所示。待连接钢管两端各压制或者加工一环型凹槽，2瓣或者多瓣的卡箍通过螺栓螺母完成压紧连接，卡箍内有密封圈，通过卡箍压密封圈紧实现连接密封。一般情况下，直径在426 mm以下的卡箍为2瓣，只需要2个螺栓；直径在426 mm以上的卡箍为多瓣，如4瓣时则需要4个螺栓来锁紧。卡箍连接的承压能力不高（一般≤1.0 MPa），在建筑、消防等系统中使用较多。

图3 卡箍式连接示意图

3 法兰连接

除了焊接以外，法兰连接是管道连接最常见的形式。法兰连接时通常将法兰盘与待连接管道焊接，然后在两个法兰盘间加上密封垫，用螺栓加力紧固连接在一起。法兰连接拆卸方便、强度高、密封性能好。适宜于较大直径（50～315 mm）管道的连接。

4 过盈压接

过盈压接的连接方式与承插连接基本相似，但在接头设计中考虑并利用了连接件间的过盈配合，可以使接头承受较大的轴向载荷，这在油田集输管道中的应用很有意义。

4.1 Zap-Lok®接头

Zap-Lok®接头实际就是承插口的连接，如图4所示，是利用连接件间过盈配合的承插式连接。在工厂对钢管的一端通过液压方式胀出“承口”，在另外一端“缩出插口”。现场施工时通过专用设备，将“插口”强力压入“承口”，承口、插口之间的过盈配合完成管道连接。这种连接方式可降低25%～30%的陆地管道建设费用、45%～60%的海上管道建设费用[8]。实际连接时连接件的性能、“承口”的内径、“插口”的外径、相互配合的轴向长度是影响连接可靠性的决定因素，同时对“承口”的内表面、“插口”外表面涂抹专用环氧树脂更能保证连接的可靠性。这种接头不会破坏钢管内表面的防腐层，还可以保证整个管道的防腐性能，这在油田集输管道建设中非常有优势。

图4 Zap-Lok®接头示意图

薄壁管焊接时易于烧穿，为了防止薄壁管焊接时的烧穿，开发了Zap-Lok®接头用于代替对低压薄壁管的焊接。后来贝克休斯公司（Baker Hughes）钢管防腐部门购买了该技术用于对钢管内表面塑性涂覆管的连接。1992年贝克休斯将该技术卖给了私人投资商，后者对该技术进行了广泛推广，开发了专门的Zap-Lok®接头施工机，如图5和图6所示[8]。通过一系列的内压、内压爆破、内压+拉伸试验评价[8-10]，证明该连接技术可靠，该技术已应用于外径Ф50.8～304.8 mm（2～12 in）、 壁厚 17.5 mm（0.688 in）X60 钢级的无缝管和HFW钢管。

图5 Zap-Lok®接头连接机

图6 Zap-Lok®接头陆地施工

对X52钢级、Ф219 mm x 5.6 mm Zap-Lok®接头连接的钢管进行了承压爆破试验和拉伸试验，试验结果见表1、表2[8]。

表1 Zap-Lok®接头连接钢管压力试验结果

表2 Zap-Lok®接头连接钢管拉伸试验结果

Zap-Lok公司曾用这种连接方法在10年内敷设了将近30 000 km管线，20世纪80年代中期，美国Panhomdle、Eastern管道公司，对埋地超过7年的8个接头进行了相关试验，证明了管接头的耐压强度超过管线最低屈服极限，接头整体抗拉强度超过最低强度极限，接头处的环氧密封环非常完好。20世纪80年代末期，中国石油工程技术研究院与辽河油田油建二公司合作进行了管线压接技术研究，在辽河油田进行了相关的工程试验，压接300 m架空管线和4条井口管线获得成功。1994年7月使用该连接技术在大港油田采油二厂敷设了0.5 km规格Ф76 mm×6 mm(16 MPa)内涂层注水生产管线，试验一次合格并且顺利投产，运行正常[11]。

4.2 Haelok接头

2004年瑞士RK HAELOK公司开发了Haelok管道连接接头，该接头可用于碳钢、不锈钢和其他金属材料管道的连接，适用Ф4～Ф164 mm，密封压力最高至 14 MPa，其结构如图7所示。连接器包括两个外挤压环和一个基体。安装时通过专用加载机具安装。专用夹具推动压力环轴向运动，基体密封环收缩、挤压管道最后形成可靠的金属密封面，如图8所示。HAELOK快速连接器具有安装速度快、密封性能可靠、适用较大温度范围的特点，广泛应用于化学和石油工业、制药业、食品业等。

图7 瑞士海尔纳Healok连接器示意图 （左边连接前、右边连接后）

图8 安装前的卡压式连接器

图9 海底管道修复过程示意图

2011年以来，哈尔滨工程大学受海洋石油工程股份公司委托开展有关较大直径管道非焊接连接技术的研究以备海底管道的应急维修，海管维修如图9所示，其接头开发基本思路借鉴Haelok管道连接接头，目前已开发出了连接接头、专用连接工具并对接头性能进行了试验，按照DNVSTANDARD FOR CERTIFICATION-Type Approval Programme标准进行了机械连接器认证[12]。采用Q325B材质加工的连接器，连接直径219.1 mm（8 in）20钢管道材质进行试验，采用接头可满足2 MPa气体介质（试验采用氮气）的密封；水压试验至10 MPa系统未出现压力下降，水压试验至11 MPa接头出现轻微轴向位移、系统发生压力下降、但未出现液体泄漏；试验在2 MPa内压、外载荷75.4 kN的拉伸载荷作用下，接头密封完整（试件没有泄露、压力表读数没有下降、连接器和管道没有相对位移）；连接器在2 MPa内压、单边振幅为 0.097 mm、频率为 20 Hz的振动载荷作用下，经过107次加载后，接头依然密封完整。

4.3 适应内衬HDPE管的卡压接头

管道内腐蚀是油田集输管道损坏的重要形式，为解决管道的内腐蚀，柔性复合材料管获得了广泛应用，但这一般仅限于直径＜152.4 mm（6 in）的管道。直径较大管道，通常采用管道敷设现场钢管内衬塑性管的形式解决管道内防腐蚀问题。现场内衬施工环境差、费用高、工作强度大。Dave McColl[13]介绍了一种适用于内衬HDPE管，集成了电熔连接内衬层的机械压接接头，如图10所示。设计的接头由芯套和压环的配合实现外边钢管的连接、电熔装置完成内衬管的熔接。芯套为压环提供内支撑、通过芯套的搭桥将两根钢管管端连接起来，芯套和压环的设计与钢管产生干涉，对管头的挤压产生接头连接所需的摩擦和密封。钢管连接完成后，内管电熔连接器通电启动熔接内部衬管，整个接头连接完成。为了增加密封性，芯套外表面设计了凸起的齿环，通过芯套、压环、钢管干涉啮合密封。

图10 集成了电熔连接内衬层的机械压接接头

对设计的 Ф168 mm×4 mm(6 in×0.158 in)钢管接头依照CSA Z662-11标准（加拿大标准 油气管道系统）进行了验证试验。拉伸试验在1163 kN载荷时观察到接头有很小位移，随后从离开接头的管体断裂。压缩试验在1140 kN载荷时从扩径部分的管体处局部屈曲。建立于管道在最高压力和最低压力时承受的Von Mises应力幅的疲劳试验，分3组应力幅进行总共7次疲劳试验，结果见表3，其中2次试验因为试样有瑕疵（随后试样去除了该瑕疵）未达要求循环次数，此2次试验结果无效；其余5次试验过程中未发生泄漏、损坏或者其他机械退化（磨损、变形或分离）。该接头通过了弯曲试验。

表3 HDPE管卡压接头疲劳试验结果

进行了氮气密封性试验，结果见表4。静水压爆破试验结果全部通过，结果见表5。氮气密封试验刚开始时压力下降，随后逐渐稳定。压力下降的原因是气体密封试验的试样是经过疲劳试验的试样，试样中有残存水，密封试验中高压下氮气溶于水造成了压力下降，如图11所示。

表4 HDPE管卡压接头氮气密封性试验结果

表5 HDPE管卡压接头静水压爆破试验结果

图11 氮气密封试验压力时间曲线

5 结 语

管道连接除了焊接方式外，还有承插连接、螺纹连接、法兰连接、接箍连接、过盈压接等等。从本研究对不同连接形式进行了介绍，Zap-Lok®接头曾有大量保持管道内表面防腐层完好的应用业绩，适应内衬HDPE管集成了电熔连接内衬层的机械压接接头专门为内衬HDPE管的钢管设计、且通过了CSA Z662-11标准（加拿大标准 油气管道系统）的验证试验，为解决油田集输管道内腐蚀问题，此两种连接方式在油田建设中有广阔推广前景。

[1]GB/T9711—2011，石油天然气工业管线输送系统用钢管[S].

[2]API SPEC 5L 45th，美国石油学会输送管规范[S].

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Weldless Welding Connection Type of Steel Pipeline

LI Jike1,2

（1.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.Xi’an Tri-circle Technology Development Corporation,Xi’an 710077,China）

In this article,it introduced steel pipeline weldless welding connection type.It pointed that when using traditional pipe welding connection,the anticorrosion quality of inner surface joint was difficult to be guaranteed,it was necessary to develop other pipeline connection ways.It also introduced Zap-Lok®joint,Haelok joint,and mechanical joint adapting lining HDPE pipe,which integrated electric smelting connecting inside liner.Zap-Lok®joint kept anticorrosive coating in good application results of the pipe inner surface;mechanical joint designed for lining HDPE pipe,it passed verification test of CSA Z662-11 standard（Canadian standards of oil and gas pipeline system）.The two connection ways can effectively solve the problem of internal corrosion of oil field gathering pipeline,it will have broad popularization prospect.

pipeline;connection type;Zap-Lok®joint;Haelok joint;lining HDPE pipe;electric smelting connection

TG973

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.004

李记科（1965—），主要从事石油管材及装备的监督检验、质量保证、科研和技术服务等工作。

2016-04-02

汪翰云