Backtow technique of underwater optical cable together with pipeline in horzontal directional drilling in rocky area
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摘要: 西气东输二线东段管道沿线地质复杂，为了解决定向钻穿越施工问题，针对西气东输二线锦江定向钻穿越现状，采用水下光缆与主管道同步回拖技术进行施工。结合工程实例，阐述了水缆的选择、光缆固定方式、定向钻成孔质量控制、应力释放与缠绕、风险预测及防范措施等，对施工中光缆的受力情况进行了分析，其设计回拖力为6.894 kN，仅为主管道回拖力的1.19%。水缆同步回拖技术在该工程的成功应用，在国内尚属首次，有效缩短工期约20%，施工成本比传统穿越钢套管降低约80%。该技术可以有效应用于穿越岩石等复杂地质结构，具有较好的经济效益和社会效益以及较高的推广价值。Abstract: The geological conditions along the eastern section of the Second West-to-East Gas Pipeline are complex. To solve the technical issues in HDD, the backtow technique of underwater optical cables together with main pipeline was adopted referring to the current crossing situation in Jinjiang HDD Project of the Second West-to-East Gas Pipeline. This paper, based on the project case, describes the selection of underwater optical cables, fixing mode of optical cables, borehole quality control of directional drilling, strain release and winding, risk prediction and prevention, etc, and analyzes the stress condition of optical cables in construction, and its designed backtow force is 6.894 kN, only 1.19% of that of the main pipeline. This technique is the first successful application in China, which effectively shortens the construction period up to 20%, and saves construction cost by 80% compared to traditional crossing with steel casing. It is considered that this technology can be effectively applied in crossing complex geological structures like rock, with good economical and social benefits and high promotion value.
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管道凹坑大多是由于第三方损伤、岩石障碍或土壤运动引起的。长输管道凹坑不仅会影响管道完整性, 而且当凹坑过深时还会阻碍内检测器及清管器的通过[1-2]。国外对凹坑的适用性评价和回弹试验等方面进行了研究, ASME B31.8-2012《Gas transmissionand distribution piping systems》认为: 与焊缝共存的凹坑缺陷深度大于2% OD(管道外径)时即会危害管道的安全, 应采取修复措施或进行适用性评价; 若与焊缝交互的凹坑深度超过4% OD, 需移除凹坑所在管节。但实际上凹坑去除约束后, 由于弹性变形的回弹, 凹坑均会发生不同程度的回弹。如API 1156-1997《Effectsof smooth and rock dents on liquid petroleum pipelines》中关于凹坑试验的结果表明: 对于单个且无约束的平滑凹坑, 在去除载荷之后, 凹坑将会发生回弹。在这一过程中凹坑的回弹量(凹坑回弹后的深度与凹坑深度的比值)较大, 约为2/3。但API 1156-1997试验的结果只针对于径厚比超过68的管道, 事实上径厚比小于68的管道其回弹特性会有所不同, 且不同钢质对凹坑的回弹量影响也较大。国外通过凹坑全尺寸疲劳试验、打压试验、应变分析以及有限元模型等方法, 分析腐蚀、裂纹以及焊缝残余应力对管道凹坑的影响[3-8]。国外在管道凹坑回弹量方面进行了较多的研究, 但是大多数试验均采用X52等低等级钢[9-10]。国内对凹坑回弹方面的研究较少, 对不同钢质、类型及深度的凹坑回弹情况缺少进一步的认识。同时, 在役管道凹坑适用性评价中多是基于深度准则, 往往会出现评价过于保守、修复量过大的情况。为了对管道凹坑适用性进行评估, 同时降低评估结果的保守性, 选取国内某X65钢制输油管道(通过内检测发现存在较多凹坑, 凹坑最大深度达9.6% OD)进行全尺寸回弹试验, 研究不同类型凹坑与回弹量的关系, 同时将其与现场开挖验证结果相对比, 进而分析回弹量的差异性和影响因素。
1. 凹坑回弹试验
1.1 试验装置及试验材料
根据管道凹坑缺陷回弹试验要求, 设计并制作凹坑回弹试验装置(图 1), 主要由支架、施加压力装置、承压板、压头、管道等组成。为了分析X65钢管道不同类型凹坑的回弹量, 采用半球形压头压制平滑凹坑, 采用锥形压头压制尖锐凹坑, 压头尺寸可根据预制凹坑的尺寸确定。试验用管道长11.5 m, 外径820 mm, 壁厚9.5 mm。
1.2 试验步骤
(1) 在管道上标记出需要制作凹坑的位置, 然后将该管道摆放在支架上, 使待制作的凹坑缺陷处正好位于支架正下方。
(2) 根据需要预制的凹坑, 选择不同的压头类型(锥形压头或半球形压头), 并将压头顶部(截面积较小部)与管道待制作凹坑缺陷处中心位置接触。
(3) 在压头底部(截面积最大部)放置承压板, 再将施加压力装置施放于承压板之上, 调整施加压力装置或承压板高度, 使支架、施加压力装置、承压板、压头及管道固定为一体。
(4) 在保证支架不变形、不移动的情况下, 启动施加压力装置, 通过承压板将力传递到压头上, 控制压头移动距离, 达到预制凹坑深度时停止。
(5) 释放装置压力, 记录凹坑反弹后的深度值, 并计算凹坑回弹量。每个压制凹坑的位置间相距一定的距离, 防止对凹坑压制过程有干扰。
1.3 试验结果
不同位置(管体或螺旋焊缝)和不同压头类型的凹坑卸载后的回弹率试验结果(表 1)表明: 在相同深度下, 平滑凹坑比尖锐凹坑的回弹量高; 平滑凹坑随着压制深度的增大, 回弹量减小; 与管体上的凹坑相比, 螺旋焊缝上的平滑凹坑回弹量大。
表 1 不同深度凹坑的回弹试验结果
为了分析管道沉降、地面位移等因素对凹坑回弹量的影响, 模拟了反复加载试验(表 2)。T-7-1~T-7-5的试验是在管道管体的同一位置反复加载: T-7-1试验为当凹坑深度达到预制深度13% OD时, 不移除压头, 保持加载18 h, 然后移除压头卸载; T-7-2~T-7-5试验是在T-7-1基础上反复进行压制-回弹试验, 每次均加载至凹坑深度13% OD左右时卸载, 没有持续受压过程。试验结果表明: 随着凹坑反复压制次数的增加, 凹坑回弹量呈减小的趋势, 但变化并不明显。与表 1中T-5试验结果相比, 其回弹量也有减小的趋势。
表 2 管体凹坑反复加载回弹试验结果
管道凹坑阶段压制过程的模拟试验: T-8-1试验过程为加载至3.44% OD时卸载回弹, 然后继续施压至凹坑深度增大到6.15% OD; 保持受压状态一段时间后, 再继续施压直至深度达12.9% OD, 然后卸载回弹。与表 1中T-3、T-5试验结果相比, 其回弹量变化不大。
对表 1、表 2中的凹坑回弹量进行统计分析, 结果表明: 其中8个采用半球形压头压制13% OD的凹坑试验, 其平均回弹率为48.1%, 其方差为0.17%;另外2个采用锥形压头进行的凹坑试验, 其平均回弹率为42.86%, 方差为0.07%。
2. 开挖验证结果
为了验证凹坑全尺寸回弹试验的结果, 对该管道的24处底部凹坑开挖验证结果进行统计比较。凹坑的初始深度数据采用内检测数据, 回弹后的深度为开挖验证去除石质支撑后测量获得。24处凹坑的深度范围为4% OD~10% OD, 开挖结果表明其平均回弹率为44.38%, 方差为3.67%。可见, 凹坑开挖验证与全尺寸回弹试验结果的回弹量平均值接近(图 2)。
对开挖验证中4处回弹量低于30%的凹坑进行分析, 发现凹坑回弹量的大小受到以下因素的影响: ①凹坑处存在较高的椭圆变形, 凹坑去除石质支撑后回弹量小。②凹坑处防腐层破损, 且外部有划伤或腐蚀。此凹坑可能是管道建设时造成, 回弹量在初期已经释放, 因此凹坑回弹量较小。③凹坑形貌复杂。由于凹坑底部石质支撑形状各异, 产生的凹坑形貌十分复杂, 不是单纯的平滑或尖锐凹坑; 同时, 存在凹坑沿轴向长度超过1 m或两处凹坑距离相近的情况, 这些因素都会影响凹坑的回弹量。可见, 由于凹坑回弹量受其实际形貌、椭圆变形、凹坑处压力、划伤等金属损失因素的影响, 现场开挖验证的凹坑回弹率较全尺寸试验结果显示出更大的离散性。
凹坑开挖验证的回弹量包括由于管道内压产生的凹坑回圆量, 因此图 2中出现了回弹量大于回弹试验结果的情况。可见, 回圆量与凹坑处管道压力的大小有关。
对比凹坑回弹试验与开挖验证结果发现:
(1) 平滑型凹坑回弹量随着凹坑深度的增加而降低, 尖锐型凹坑的回弹量比平滑型凹坑略低。两种情况下凹坑的回弹率均超过了40%。
(2) 在凹坑处反复加载、卸载, 对平滑型凹坑的回弹量影响较小。
(3) 与螺旋焊缝相关的平滑凹坑的回弹量大于管体上凹坑的回弹量。
(4) 凹坑开挖验证与全尺寸回弹试验结果的回弹量平均值接近。
(5) 凹坑回弹量受其形貌、椭圆变形、凹坑处压力等因素影响。
3. 结束语
通过X65钢制管道全尺寸凹坑回弹试验, 分析不同形貌、不同深度的凹坑回弹情况。采用反复加载和持续加载的情况模拟管道沉降、地面位移等因素对凹坑回弹量的影响。通过对比凹坑全尺寸回弹试验结果与凹坑现场开挖验证结果, 分析了测量结果与试验结果的差异以及影响凹坑回弹量的因素。对于形貌复杂、轴向长度大于1 m、两个或两个以上相邻凹坑以及含划伤等金属损失缺陷的管道凹坑回弹量大小, 需要进一步开展试验研究。
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[1] 安金龙. 水平定向钻穿越回拖力的计算方法及其分析[J]. 石油工程建设, 2007, 34(1): 53-58. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYGJ200801013.htm [2] 闫相祯, 丁鹏, 杨秀娟, 等. 长距离复杂地层水平定向钻穿越管道施工技术[J]. 油气储运, 2007, 26(2): 55-58. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YQCY200702008.htm [3] 刘盛兵, 向启贵, 刘坤. 水平定向钻穿越施工及其风险控制措施探讨[J]. 石油与天然气化工, 2008, 37(4): 353-356. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-STQG200804024.htm [4] 付景龙, 王建华, 黄敏. 定向钻穿越不良地层施工技术新突破[J]. 石油工程建设, 2006, 33(1): 31-35. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYGJ200701012.htm
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