长输管道改迁连头“五位一体处置”工艺探索应用

盛峰 王浩瑜 霍思彤 巨萌 乔根才

1中国石油长庆油田公司第一输油处

2中国石油青海油田公司钻采工艺研究院

长庆油田靖咸管道2001年9月投产运行，是长庆油田陕北地区原油南下的“动脉”线路。建设时期管道所经地段多为耕地或山区，管道附近无其他构（建）筑物，安全间距符合规范要求。近年来，管道周边建设项目不断增多，管道遭受各种形式占压的情况愈发频繁。为消除管道安全隐患，对管道进行局部迁建工程日益增多。在新建局部管道投产前，新建管道与续用管道碰口连头[1]、废弃管道的处置，是新建管道投产前的最后两项重要步骤。在现行法律法规、标准规范及安全和环保要求越来越严苛的情况下，如何保证新建管道的安全连头、废弃管道的妥善处置[2]，成为亟待解决的重要课题。

1 国内外管道封堵技术现状

长输油气管道在服役期间因工艺改造、维抢修等原因需要动火作业，现普遍采用管道封堵技术，可使管道在不清空、不停输的情况下完成动火作业[3-4]。国外油气管道封堵技术研究始于20 世纪20年代，其技术已经非常成熟。其中智能封堵应用较为广泛，其原理是：在收发球工艺流程中投入智能封堵器[5-6]，该封堵器具有遥控定位、遥控封堵、遥控解封的功能[7]，智能球到达封堵点后，远程遥控封堵，封堵器通过金属扇形装置挤压管壁，金属扇形上有橡胶圈进行密封封堵，施工完成后远程遥控解封[8]。我国油气管道封堵技术起步较晚，但是经过多年的快速发展，已能制造各类高压封堵器、开孔器等相关封堵设备，并成功应用于西气东输、兰成渝、陕京线等大口径长距离油气管道。目前带压开孔封堵技术在国内应用较为广泛，其原理是：在需要更换的管道上下游带压开孔，安装封堵器封堵管道，施工作业结束后解除封堵，最后安装封堵盘与盲板封死管道上的开孔[9-12]。

2 带压开孔封堵技术应用

带压开孔封堵技术在长庆油田靖咸输油管道上多次成功应用，主要应用于管道局部改迁工程中管道局部新建与续用管道的动火连头作业[13-14]。作业中分别在续用管道的上游与下游连头位置各设置一个封堵器，封堵成功后，依据改迁段管道的高程情况，在改迁段管道的地势低洼处开设收油孔，使用吸污车回收改迁段管道内留存的原油[15]。待改迁段管道原油全部回收后，采用机械切割的方式断开改迁段管道，再进行新建管道与续用管道的连头焊接。其工艺流程与工艺原理分别如图1与图2所示。

图1 靖咸管道带压开孔封堵技术工艺流程Fig.1 Process flow of pressure opening and plugging technology in Jingxian pipeline

图2 靖咸管道带压开孔封堵技术工艺原理示意图Fig.2 Schematic diagram of process principle of pressure opening and plugging technology in Jingxian Pipeline

随着管道局部改迁工程的愈发频繁，以及废弃管道处置安全环保要求更加严格，这套工艺的缺陷也逐渐暴露：

（1）可靠系数相对较低。管道上游连头位置与下游连头位置每处只设置了一处带压封堵装置，若一处管道封堵器出现封堵不严的情况，整个新建管道投产的程序将受到牵连，无法继续进行，同时对新建管道碰头的焊接作业也带来巨大安全隐患。

（2）安全环保隐患仍然存在。管道局部迁建的根本目的在于消除该段管道面临的安全环保风险，其实质是移出该段管道内的风险源——原油。老工艺采用在管道开孔后使用吸污车回收的方法来解决这一问题，但面对高程起伏数公里乃至数十公里的管道，这一方法无法保证对管道内的原油全部回收，更无法对管道内壁的积蜡进行清除。改迁管道内原油的清除工作留有“死角”，改迁管道的安全环保风险依然存在。

（3）管道生产运行受到影响。因未达到设置旁通管路的条件，故在作业期间整条管道都暂停运行，以配合新建局部管段的投产工作。一处封堵器封堵不严密，新建管段投产程序就无法继续；改迁管道内的原油回收未完，改迁管道无法与续用管道断开，新建管段投产程序就无法继续。新建管段不能及时投产，整条管道的运行便无法恢复。在冬季运行时期，管道长时间停输后再启动还会面临“凝管”的风险，凝管事故的抢修又会消耗管道运营企业的人力、物力成本。

随着国家安全生产、环境保护相关法律法规的相继出台实施，以及行业工艺标准要求的不断提高，对老工艺的改良优化势在必行。

3 管道连头“五位一体处置”工艺

管道连头“五位一体处置”工艺包括带压封堵、密闭收油、投球清管、氮气封存、连头投运五部分，“五位一体处置”工艺流程与工艺原理分别如图3与图4所示。

图3 管道连头“五位一体处置”工艺流程Fig.3 Process flow of the"five-in-one disposal"technology for pipeline joints

图4 管道连头“五位一体处置”工艺原理示意图Fig.4 Schematic diagram of process principle of the"five-in-one disposal"technology for pipeline joints

3.1 带压封堵

改进的带压封堵技术是在改造管段的上游点与下游点各设置两具封堵器[16]，同时通过下游点两具封堵器的三通建立旁通管路[17-19]。这种做法的考量主要有：①上游点与下游点各设置两具封堵器双向封堵管道，封堵的可靠性大大提高，动火焊接的安全性也相应提高；②改造管段要断开与续用管道的连接，必须将改造管段内留存的原油全部回收后方可断管，两具封堵器之间约10 m 管段内存油量大大减少，环保压力减轻，原油回收效率提高；③因未在上游点设置旁通管路，改造管段所在管道系统无法实现作业期间的“不停输”，但下游点设置的旁通管路为将改造管段全段留存的原油转移至下游续用管道创造了条件；④这样的技术路线更适合长距离新建管段与续用管道的动火连头作业[20]。

3.2 密闭收油

改造管段要与续用管道断开，必须将断管位置处的原油全部回收后才能进行断管操作。以往的做法是在断管位置处管道上方开孔作为收油孔，使用吸污车回收断管管段内的原油。这种回收方式，原油自管道内经吸污车再转移至油罐车的过程中，存在着原油落地环保风险高、原油回收效率低、回收作业耗时长等缺陷。

为改进传统吸污车回收原油的缺陷，使用一种密闭式收油器来回收管道内原油。密闭式收油器由手轮转动装置、螺杆、连管、导管等零部件组成（图5）。在原油密闭回收时，将密闭式收油器安装于预先开设好的管道收油孔之上，用导管连通阀门连接封堵器压力平衡阀，连管连通阀门连通压缩氮气。通过旋转手轮使螺杆行至最低行程，导管通过收油孔伸至管道底部；随后经由连管向管道内注入氮气。随着氮气的不断注入，管段内压力不断升高，断管管段内与续用管道内部压差不断增大，断管管段内原油在压力作用下经导管及封堵器压力平衡阀转移至续用管道中。密闭收油技术实现了断管管段原油的密闭回收，杜绝了现场原油外泄，充注的氮气也置换了管内可燃气体，提高了后续动火焊接的安全性。

图5 密闭式收油器示意图Fig.5 Schematic diagram of the airtight crude oil recovery unit

3.3 投球清管、氮气封存与连头投运

在完成管道的带压封堵与密闭收油后，改造管段断开与续用管道的连接，废弃管道与新建管道的处置可同步开展。带压封堵所设置的四具封堵器及下游点设置的旁通管路为废弃管道与新建管道的同步处置创造了条件，两项作业同步进行、互不干扰。

废弃管道采取氮气吹扫、清管器清扫的方式进行清扫，管道内的原油与积蜡全部通过下游点设置的旁通管路转移至下游续用管道，极大地减少了常规的原油回收工作量；同时吹扫所通入的氮气也实现了对管道内可燃气体的置换，随后对废弃管道予以封存，从而实现对废弃管道“清扫”与“封存”的一体化处置。

在废弃管道进行处置的同时，新建管道的连头焊接工作亦同步进行。待废弃管道封存及新建管道连头完成后，解除封堵器的封堵，新建管道随即投产。

4 现场工程应用

4.1 工程案例

2017年5月，靖咸输油管道铜川市段新建管道连头投产作业，改线段原线路长20 km以上，新建管道长度40 km以上，改线管道与新建管道规格均为DN300，设计压力6.3 MPa。此次管道连头作业采用“五位一体处置”工艺，达到了安全动火连头、原油密闭转移的良好效果，实现了新建管道的顺利投产与废弃管道的妥善处置（图6），管道连头“五位一体处置”工艺在靖咸管道首次成功应用。

图6 废弃管道处置成效Fig.6 Effect of the abandoned pipelines disposal

4.2 应用评价

管道连头“五位一体处置”工艺在长庆油田靖咸管道局部新建管段投产工程的多次应用实践表明，“五位一体处置”工艺的优势非常明显：

（1）新建管道连头投产与废弃管道无害化处置同步进行，一体化完成处置，极大地节约了管道运营企业的组织成本，大幅降低了全段管道的停输时间，提高了管道输送效率。

（2）原油回收工作量大幅减少，节约作业时间，动火焊接作业更加安全；作业现场全程“不见油”，原油转移全密闭，工艺流程更加环保，消除了原油落地风险。

（3）经过清管器清扫后的废弃管道可更加彻底地消除安全环保隐患，对于安全环保风险低的地区，清管后氮气封存的管道已达到就地封存的要求；对于高风险地区，为废弃管道的进一步无害化处置降低了难度。

5 结束语

针对原油长输管道局部迁建日益增多的情况，提出了管道连头“五位一体处置”工艺，并进行了现场应用。根据实际应用情况，新建管道连头投产与废弃管道无害化处置一体化完成，作业全程原油密闭转移，工艺更加安全环保。该工艺为原油长输管道局部新建管道的安全投产提供了新的方法，为管道安全环保隐患的消除提供了有力的技术支持。

“五位一体处置”工艺进一步改进优化的方向为：

（1）废弃管道无害化处置引入管道化学清洗、联合清洗、注浆封存等工艺[21]，实现高风险地区废弃管道的一次性无害化处置，彻底消除废弃管道安全环保隐患。

（2）采用更多类型的清管器进行试验应用，避免清管器卡阻情况的发生，提高废弃管道清管作业一次成功率。