冻土区油气管道保温技术现状

蒋林林，潘丽红，韩文礼，张红磊

1.中国石油集团工程技术研究院，天津300451

2.CNPC石油管工程重点实验室-涂层材料与保温结构研究室，天津300451

3.中国石油华北油田公司基建工程部，河北任丘062552

冻土区油气管道保温技术现状

蒋林林1，2，潘丽红3，韩文礼1，2，张红磊1，2

1.中国石油集团工程技术研究院，天津300451

2.CNPC石油管工程重点实验室-涂层材料与保温结构研究室，天津300451

3.中国石油华北油田公司基建工程部，河北任丘062552

在国内外油气管道建设中，部分管道要穿越冻土区，对管道保温技术提出了更高的要求。国内在这方面的研究工作与国外相比，存在较大差距。文章以漠河-大庆段原油管道为例，介绍了国内保温管道预制和补口技术；以阿拉斯加原油管道为例，介绍了国外架空和埋地管道保温技术；从保温材料和生产线、保温热力学分析和软件开发等方面介绍了国外保温技术的新进展；最后着重分析了管道补口施工过程中存在的问题，提出了改进建议。

油气管道；冻土区；保温管；补口；技术现状

近年来开展的油气管道建设，部分管道要穿越冻土区，需要在寒冷环境下施工。冻土区管道建设面临的工程技术难题主要是冻胀与融沉。通常防止融沉的做法包括热管技术、架空铺设、人工制冷法埋设、安装地下管道支撑装置或沿管道铺设工作垫层等[1-4]，但对管道进行有效保温使管道散热损失合理，是实施各种防融沉技术的前提条件。国内最近几年才开始大口径长输管道工程穿越冻土区的研究，与国外相比，从材料选择、方案设计到工程应用经验都存在较大差距。本文对国内外冻土区油气管道的保温技术进行介绍，旨在为冻土区油气保温管道工程的设计和施工提供参考。

1　国内冻土区油气管道保温技术状况

国内穿越冻土区的油气管道主要有格尔木-拉萨成品油管道（简称格拉线）、中俄原油管道漠河-大庆段管道（简称漠大线）。格拉线是迄今为止中国最长、世界上海拔最高的输送成品油的固定管道[5-6]。漠大线是国内第一条通过多年冻土区的大口径长输原油管道，穿越大兴安岭不连续多年冻土区的长度达441 km[7]，漠河至加格达奇之间的冻土、低洼、沼泽地区超过70 km管道的设计采用了预制直埋保温管。以漠大线为例，着重介绍其保温管的预制工艺及保温补口技术。

1.1漠大线保温管预制工艺

漠大线预制直埋保温管防腐保温层由防腐层、保温层、防护层组成，其中防腐层采用三层结构聚乙烯（3PE普通级），保温层采用硬质聚氨酯泡沫塑料（厚80 mm），防护层采用高密度聚乙烯塑料（厚12 mm）。保温管预制采用“管中管”成型、端头倾斜注料工艺。具体工艺如下：在防腐管外表面等间距安装支撑块后，将其穿入高密度聚乙烯外护管中；转运至发泡平台，采用液压法兰进行两端封堵；调整发泡平台，使其处于倾斜状态，倾角约15°；高压发泡机调试完成后，在倾斜保温管的高端处注料，注料完成后将其调至水平状态进行发泡；待泡沫固化后，开启两端液压封堵；端头二次处理，安装防水帽。

1.2漠大线保温补口技术

漠大线穿越冻土、低洼、沼泽地区，需要冬季施工，保温补口环境温度较低，不适合采用现场发泡工艺进行保温层补口。保温层补口采用预制保温瓦块捆扎的方式进行，由3块120°与主管体同材质的硬质聚氨酯泡沫瓦块拼接而成，拼接采用子母扣连接方式，性能指标满足GB/T 29047-2012《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》中相关规定。现场补口工艺为：管道接口预热，预热温度50～70℃；管道接口除锈及补口防腐层表面处理；无溶剂环氧涂料，黏弹体防腐层补口；安装聚氨酯保温瓦3块拼接成补口保温层，并加以固定；采用捆扎带安装电热熔套（厚12 mm），电热熔套两端与管道防护层搭接宽度不小于100 mm，接通电源热熔焊接；电热熔套轴向搭接焊缝及其两端与管道外护层的搭接焊缝均采用黏弹体胶条进行密封，再采用聚丙烯胶带进行外防护。

2　国外冻土区油气管道保温技术状况

国外油气管道穿越多年冻土区的工程较多，包括穿越加拿大西部和美国阿拉斯加中南部的克努尔（Canola）成品油输送管道、加拿大罗曼井（Norman Wells）输油管道、美国阿拉斯加天然气管道、美国阿拉斯加原油管道等。近年来，冻土区管道建设又有了很大进展，如俄罗斯的西伯利亚油气管道，其中东西伯利亚-太平洋原油管道长度超过4 000 km，Bovanenkovo-Ukhta输气管道长约1 000 km，管径达到1 422 mm（56 in），钢材为X80；加拿大拟建Mackenzie输气管道长约1 200 km。此外冻土区的管道建设还向海底延伸，如BP公司于2001年在阿拉斯加波弗特湾建成连接北极近海油田到陆地的首条海底管道，Bovanenkovo-Ukhta管道工程还包括71 km的海底管道建设。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过永冻土地区的管道大约有681 km是架空敷设的，保温管道架设在8万多个装有散热片的液氨“热管”系统的管架上；其余约600 km管道是埋在地下敷设的，其中有大约6 km的管道采用两边带有冷冻液体伴冷管的敷设方式[8-10]。

2.1TAPS工程架空管道保温技术

架空铺设的管道，采用约250 μm厚的环氧粉末涂层作为防腐层，采用95 mm厚的玻璃棉毡作为保温层，采用镀锌铁皮作为外护层。为防止保温层滑动，架空管道在原有环氧粉末涂层上涂了一层复合无机涂料，使其与外面的保温层相黏结。常规支撑架和固定支撑架上所用的保温材料，都是采用模铸形成了半圆壳式，保温材料采用聚氨酯泡沫分层铸成，中间夹有一层玻璃纤维，以增加强度。两个管架之间直管段的保温材料做成板状。每块保温板采用3种不同密度的玻璃纤维制成，与管道直接接触的是一种高密度的玻璃纤维，其他两种是中等密度纤维和半硬质纤维层，构成主要保温层。保温板之间紧密对接，在接口外面用一条低密度玻璃纤维层箍紧，外包一圈镀锌铁皮，起着搭接作用，搭接部分采用锥形螺丝固定。镀锌板上钻渗水孔，用于排除内部积水，安装时置孔于管道底部。两节直管段保温层之间的搭接方式有刚性和柔性之分，刚性连接先采用玛蹄脂密封胶密封，再用低密度玻璃纤维压紧，然后采用270 mm宽的薄钢带箍紧，钢带两侧与镀锌铁皮搭接的部分采用螺栓固定；柔性连接采用低密度玻璃纤维制成的波纹状伸缩节与两侧直管的保护层用不锈钢钢带箍紧，再用螺栓与两侧的镀锌铁皮进行固定[10]。

2.2TAPS工程埋地管道保温技术

埋地铺设的管道，采用约250 μm厚的环氧粉末涂层作防腐层，视土壤性质在环氧粉末涂层之外再包覆一层胶黏带，采用75～100 mm厚的聚氨酯泡沫作为保温层，其性能指标为：密度56 kg/m3；常温下的径向抗压强度不小于0.25 MPa，轴向抗压强度不小于0.16 MPa；导热系数小于0.029 W/（m·K）。外护层采用5 mm厚的硬质聚乙烯塑料。聚氨酯保温层均喷涂沥青防水密封层。保温层根据管径大小由3～4块保温瓦组成，保温瓦外部是硬质聚乙烯保护套，聚乙烯保护套的直缝处有一道翻边，保温瓦拼起来即形成管道保温层。保温瓦的轴向接头处，采用100 mm宽的聚乙烯带箍紧。所有轴向的法兰接缝和起箍紧作用的聚乙烯带都用聚乙烯焊条焊接，确保系统的绝对密封。

2.3冻土区管道保温技术新进展

2.3.1保温材料和生产线

Bovanenkovo-Ukhta埋地管道采用不同的保温措施，第一段管道总体无保温层，只在穿越溪流、河流和航道处，管道有环状保温层，由泡沫聚苯乙烯材料采用挤出法形成；第二段管道全部采用保温层；第三段与第一段相同。海底管道采用保温层。

除了比较传统的管道保温材料用于冻土区管道的保温外，一些新材料也得到进一步开发，如基于苯乙烯热塑弹性合金（Styrenic Alloy）的保温材料已形成新型保温系统[11]，适用于深水和极地地区的管道保温。

蜂窝混凝土（Cellular Concrete，也称发泡混凝土，Foam Concrete）[12]，其原料为波特兰水泥、水、发泡剂，可根据强度要求，加入适量粉煤灰、纤维等材料，一般不含砂石骨料。作为保温材料，其特点是质轻（湿密度400～600 kg/m3）、强度高（28 d抗压强度0.71～1.98 MPa）、耐火、耐用（使用寿命比发泡保温材料约高4倍），导热系数0.075～0.097 W/（m·K），此外高pH值（9.4～13）可有效防止钢管受腐蚀。施工方式包括预制或现场浇注，适用于寒冷和极寒冷地区管道和设备的保温。

近年来国外保温管预制施工技术有了很大的发展。丹麦LOGSTOR的全自动聚氨酯泡沫喷涂技术是世界领先的独家绿色低碳技术，高密度聚乙烯外壳缠绕技术较传统的聚乙烯外护管挤出工艺大幅度提高了生产效率。全自动聚氨酯泡沫喷涂技术和高密度聚乙烯外壳缠绕技术大幅度提高了高密度聚乙烯外护保温管的预制速度，目前国内尚未独立掌握该技术。LOGSTOR热塑材料焊接补口系统技术通过电脑控制的热塑焊接工艺，将补口与高密度聚乙烯外护管紧密焊接在一起，可最大限度地提高补口质量，是目前世界领先的最可靠的补口技术。但尚没有发现上述技术在冻土区保温管道工程中应用的相关报道或资料，尤其是保温补口需要在寒冷环境下施工，该技术的适用性有待验证。

2.3.2冻土区管道的保温热力学分析和软件开发

随着计算机技术的发展，在研究冻土区埋地管道温度场方面，数值模拟方法已成为有效手段，考虑的影响因素越来越全面、细致，不仅可模拟静态的管-土温度场耦合作用；而且可模拟土壤冻融的相变过程，并考虑太阳辐射变化、气温季节变化以及管道地面雪覆盖层的变化等因素。

加拿大GEO-SLOPE公司开发的Geo Studio TEMP/W软件在国际上有较高的知名度，可用于分析由埋地管道传热引起的冻土带冻融问题，评估保温措施的功能和效果，为冻土区管道保温设计提供指导。

Basel Abdalla等[13]近年开发的三维有限元综合模型已成功应用于模拟管道与周围冻土之间的热力学相互作用，给出对传热、土冻融和管道变形计算的更好结果。

3　存在的问题及建议

阿拉斯加原油管道、漠大线以及常用的直埋油气管道保温结构均采用硬质聚氨酯泡沫塑料+聚乙烯塑料。阿拉斯加原油管道埋地保温管道是采用预制好的带聚乙烯外护层的聚氨酯保温瓦拼接而成，外护层采用塑料焊进行焊接，施工技术复杂，施工效率较低。国外现有预制工艺大大提高了施工效率；漠大线的预制直埋保温管用聚乙烯管作外护管、聚氨酯泡沫为保温层，采用“管中管”工艺生产，简化了工艺，补口处采用电热熔套密封，提高了施工效率，代表了国内最新的施工工艺。

聚氨酯泡沫塑料属硬质材料，采用硬质聚氨酯瓦块补口可能存在以下问题：

（1）保温管在预制过程中的留头长度是一个范围值，而不是一个定值，导致补口长度也是一个范围值。聚氨酯保温块补口解决了现场温度低发泡困难的问题，但是保温块的批量生产使保温块的长度是一个定值，补口长度与保温块长度的不一致，给现场安装带来很大的不便，保温块现场切割会影响到保温补口的施工效率和施工质量。在保温管预制过程中严格控制留头长度，使其为一个定值，可使上述情况得到有效改善，但对保温管预制提出了较为严格的要求。

（2）聚乙烯电热熔套和聚氨酯泡沫保温块均属硬质材料，在补口过程中两者很难紧密贴合在一起，缝隙的存在会影响到整个补口的保温效果。

（3）硬质聚氨酯泡沫保温块子母扣连接方式对尺寸要求比较高，在拼接过程中存在结合不紧密的情况，需要进行填缝处理，使施工效率降低，如果不进行处理，则会影响补口的保温效果。

综合目前冻土区油气管道保温技术的现状，针对冻土区保温管道工程提出以下几点建议：

（1）保温管预制在工厂内进行，受施工环境的影响较小，可采用全自动聚氨酯泡沫喷涂技术和高密度聚乙烯缠绕技术来提高生产速度，缩短工期。

（2）热塑材料焊接补口系统技术采用电脑控制焊接工艺，较人工控制可有效提高施工质量，需要验证其在寒冷环境下施工的适用性。

（3）补口处保温材料的选择与管体保温材料的选择相比，较为灵活多样，补口面积较小，对强度要求可适当降低，考虑采用柔性保温材料进行补口，如聚乙烯泡沫塑料、二氧化硅气凝胶保温毡等。柔性保温材料可以在较大范围内适应补口尺寸的变化，现场切割较硬质材料方便，可提高施工效率，改善保温效果。当采用柔性保温材料进行补口时，可以采用单一材料或是复合结构补口，外护层宜选用电热熔套、电热熔套+热收缩套。

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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

蒋林林（1985-），男，山东东营人，工程师，2009年毕业于华中科技大学热能工程专业，硕士，现从事储罐、管道防腐保温的研究工作。

2013-11-21