◇中石化河南油建工程有限公司 李 文 趙永偉 敬有超

隨著國(guó)內(nèi)石油及天然氣長(zhǎng)輸管道的發(fā)展建設(shè)，部分管道因介質(zhì)腐蝕或油源及氣源調(diào)整處于停用或閑置等廢棄狀態(tài)。另外，由于城市發(fā)展，原來(lái)已建管道有的已處于城市人口密集區(qū)域，為保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全，需要對(duì)管道部分線路進(jìn)行改線，因此管道廢棄處置已成為普遍問(wèn)題，也成為越來(lái)越突出的問(wèn)題。目前廢棄管道一般有兩種處置方式，一是把老管線從地下挖出拆除，二是對(duì)特殊地段無(wú)法拆除的管道注漿進(jìn)行無(wú)害化處理。本文將依據(jù)荊門(mén)-荊州成品油管道改線工程廢棄管道注漿著重從注漿料的配方實(shí)驗(yàn)、注漿過(guò)程中的壓力曲線的變化、施工工藝等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況描述廢棄管道新型注漿料的應(yīng)用。

1 概述

在工程建設(shè)中對(duì)廢棄管道的處理如采用傳統(tǒng)的開(kāi)挖取管處置方案，雖然可以徹底消除隱患，但存在地面設(shè)施、附著物拆除量過(guò)大、地下隱蔽物處理極其復(fù)雜造成拆除成本過(guò)高，且容易與老百姓引起糾紛沖突等客觀現(xiàn)實(shí)，一般難于徹底實(shí)施；因此廢棄管道也有采用注水的方式，有采用注緩蝕劑的方式，也有臨時(shí)采用注氮封管等方式。這些方案雖可以暫時(shí)保證廢棄管道的安全，但存在管內(nèi)存留物后期安全及二次污染環(huán)境的隱患，因此大部分情況下只能采用注漿的方式進(jìn)行處理。

2 荊荊改線工程概況

荊門(mén)-荊州成品油管道（荊州鑼場(chǎng)-觀音寺段）改線線路工程，全長(zhǎng)45.8公里，均為埋地敷設(shè)。一般線路管道規(guī)格為φ273*6.4，穿越段管線為φ273*7.1材質(zhì)為L(zhǎng)290M，設(shè)計(jì)壓力為6.4MPa，輸油量為110*104t/a，輸送介質(zhì)為汽油、柴油。改線后廢棄管道處置工程共計(jì)11公里，起點(diǎn)位于本工程改線起點(diǎn)關(guān)沮鎮(zhèn)關(guān)沮村318國(guó)道與漢宜高鐵交叉處旁，終點(diǎn)位于柳林州油庫(kù)荊州站。廢棄管線相繼穿過(guò)G318公路、G50高速、軍陸臺(tái)村、豉湖渠、三板橋、豉湖路、北京路、柳源二路、躍進(jìn)路、穿越荊江大堤進(jìn)入柳林州油庫(kù)荊州站。全線有4公里在主城區(qū)，其余管線基本是穿越魚(yú)塘或水渠，有多條定向鉆，無(wú)法進(jìn)行開(kāi)挖，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況只能劃分為兩段進(jìn)行注漿，一段為7公里，一段為4公里。

3 注漿材料的選擇

根據(jù)分段情況，廢棄管道注漿最長(zhǎng)的長(zhǎng)度達(dá)7km，在國(guó)內(nèi)也沒(méi)有這么長(zhǎng)距離的管道注漿案例，為保證安全有效環(huán)保且注漿充實(shí)率[1]及 結(jié)石率[1]符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，我們選用南京滬聯(lián)新型建材公司的HCC廢棄管道注漿料在混凝土攪拌站進(jìn)行多次試驗(yàn)，在原來(lái)專(zhuān)用注漿料配方的基礎(chǔ)上，根據(jù)管線距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，選用國(guó)外同類(lèi)管道施工成熟的注漿用核心母料，優(yōu)化配方增強(qiáng)注漿料在管線內(nèi)的流動(dòng)性，研制成超長(zhǎng)管道新型注漿料。此注漿料每立方配比為0.1（核心母料）:2（水泥）:8（粉煤灰）:5（水）:0.2（緩凝劑）:0.1（膨脹劑）。

本品是在原有成熟注漿料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的試驗(yàn)，減少了對(duì)減水劑、純水泥漿、水泥-粉土泥漿等實(shí)驗(yàn)，主要對(duì)水泥-粉煤灰泥漿的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又加入核心母料進(jìn)行了配比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示水泥-粉煤灰泥漿，在水固比為2.0，水泥/粉煤灰質(zhì)量比為2:8，緩凝劑為0.2%，膨脹劑為10%時(shí)，得到水泥-粉煤灰泥漿3h黏度為1.5μ/MPa·s左右，28d齡期強(qiáng)度為20MPa左右，充實(shí)率達(dá)到95%以上，結(jié)實(shí)率超過(guò)90%。在實(shí)驗(yàn)中也添加了一定比例的緩凝劑，根據(jù)實(shí)驗(yàn)緩凝劑對(duì)水泥-粉煤灰漿液黏度的控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于純水漿液，當(dāng)緩凝劑摻入量在0.5%時(shí)，水泥-粉煤灰漿液在10h左右的流動(dòng)性較差，若緩凝劑摻量增加到2%，漿液在10h后依然保持較好的流動(dòng)性，而在加入0.1%的核心母料后其黏度僅僅為1.5μ/MPa·s[2]，截錐流動(dòng)度試驗(yàn)達(dá)到420mm，普通注漿材料流動(dòng)度只能達(dá)到260mm。

材料的指標(biāo)如下表所示：

HCC注漿料性質(zhì)

材料流動(dòng)性

材料的特點(diǎn)如下所示：

（1）超大流動(dòng)性。用截錐流動(dòng)度試驗(yàn)達(dá)到420mm（普通灌漿料為260mm）以上，能夠滿足超長(zhǎng)管道注漿要求。

（2）實(shí)驗(yàn)配出的的漿料如同果凍一般，各類(lèi)材料形成一個(gè)整體，經(jīng)過(guò)48小時(shí)觀察，漿體不分離、不泌水，確保漿體順利流淌。

（3）大膨脹，24小時(shí)膨脹率超10%，確保注漿管道密實(shí)，不會(huì)形成空隙帶，保證漿體與原管道形成一個(gè)整體。

（4）有強(qiáng)度，28天強(qiáng)度達(dá)到20MP以上，抗折、抗震。

（5）壽命長(zhǎng)，不變異，不氧化、老化。注漿后，管道壽命等同于混凝土，無(wú)后顧之憂。

4 注漿過(guò)程中管線高差起伏問(wèn)題的分析

本工程廢棄管線服役年代較長(zhǎng)，工程資料不足因此本工程管道起伏不能明確的測(cè)出，而且有的廢棄管道是定向鉆穿越魚(yú)塘或渠底或道路，高差較大，導(dǎo)致注漿時(shí)填充率不能很好的保證，而管道內(nèi)的空間又自行封閉，所以要想了解具體情況就需要通過(guò)數(shù)據(jù)把管道內(nèi)的情況表現(xiàn)出來(lái)。

為了保證管道充實(shí)率，研究注漿過(guò)程中的管道內(nèi)壓力的變化，在注漿管道口處安裝一塊壓力表或者用注漿泵車(chē)自帶的壓力表進(jìn)行觀察并隨時(shí)記錄壓力變化，以此反應(yīng)漿料在管道內(nèi)流動(dòng)狀況、阻力情況及注漿結(jié)束時(shí)間的判斷等各種問(wèn)題，以便以后遇到相關(guān)工程和意外情況，能夠及時(shí)進(jìn)行分析和處理。

管道內(nèi)部情況（理想圖）

通過(guò)施工前多次進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)與模擬實(shí)驗(yàn)，本工程所選用的新型注漿材料均勻，不沉淀、不泌水、不離析，緩凝時(shí)間長(zhǎng)，所以在施工的過(guò)程中，注漿料完全可以看成是流體，在此基礎(chǔ)上，對(duì)過(guò)程中的材料進(jìn)行受力分析：①材料本身的重力；②材料行進(jìn)所需要的外壓力；③材料與管道所產(chǎn)生的摩擦力；④注漿球與管道的摩擦力；⑤大氣壓力。

4.1 材料本身的重力

整個(gè)施工過(guò)程，根據(jù)管道的走向在定向鉆穿越段，注漿料運(yùn)行分為下降階段、水平階段和上升階段三個(gè)階段。

（1）下降階段。從A點(diǎn)到C點(diǎn)水平高度逐漸下降。所以，整個(gè)過(guò)程壓力均勻的下降。

其中，F(xiàn)為重力，Ρ為注漿料密度，H為管道落差，S為管道直徑計(jì)算。

（2）水平階段。從C點(diǎn)到D點(diǎn)水平高度相同。所以，整個(gè)過(guò)程壓力增量為0。

（3）上升階段。從D點(diǎn)到F點(diǎn)水平高度逐漸上升。所以，整個(gè)過(guò)程壓力均勻的上升。

4.2 材料行進(jìn)所需要的外力

整個(gè)施工過(guò)程，泵車(chē)施工流量固定，不考慮管道起伏因素的影響，流體均勻向前所需的外壓力隨著時(shí)間而均勻的增加。

4.3 材料與管道所產(chǎn)生的摩擦力

整個(gè)施工過(guò)程，隨著管道內(nèi)流體材料總量均勻的增加，但材料與管道的摩擦力成幾何變量增加。

4.4 注漿球與管道的摩擦力

整個(gè)施工過(guò)程，注漿球在運(yùn)行中受力均勻，全程無(wú)變化，受力恒定。

4.5 大氣壓力

根據(jù)查閱圖紙本工程定向鉆穿越管道總落差在14米左右，下降階段有大氣壓力阻擋。前期均勻增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)6.8米，達(dá)到1個(gè)大氣壓力的最大值。之后，隨著材料的增加，摩擦力越來(lái)越大，大氣壓力均勻加少，直到工程結(jié)束。所以，整個(gè)施工過(guò)程，大氣壓力一直存在，阻止注漿料沉降到管道底部，使被注漿的廢氣管道產(chǎn)生空洞。而下降階段后7.2米就需要注漿球工藝來(lái)輔助，對(duì)材料進(jìn)行阻擋。

管道中所有力的合力，如下圖所示。

根據(jù)工程全程時(shí)間內(nèi)的曲線監(jiān)測(cè)情況，就可以推斷出來(lái)管道的起伏情況、注漿管道剩余的長(zhǎng)度、注漿結(jié)束的時(shí)間、管道進(jìn)出口的高低差、以及注漿可能遇到的問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算，還可以知道：管道清洗的是否干凈及管道的填充率等。此曲線還可以為工程提供施工指導(dǎo)，找出工程出現(xiàn)意外的原因進(jìn)行處理。

5 注漿施工工藝

（1）注漿前管線的清洗。本工程管線原運(yùn)行介質(zhì)為成品柴油或成品汽油，為保證管線注漿的流動(dòng)度，在注漿前先對(duì)管線進(jìn)行清洗，先用直板皮碗組合清管器對(duì)整條廢棄管線全線進(jìn)行清管，推出管內(nèi)積淀的油泥等雜物，清管次數(shù)不少于2次，然后再用壓縮空氣把管內(nèi)水用清管器推出管線，不能在管線存太多的積水，稀釋已配好的漿料影響注漿的效果。

（2）注漿口與排氣口設(shè)置見(jiàn)下圖。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況注漿口選在中間行人少，車(chē)輛通行較為方便的一處地方，排氣口分別設(shè)置在廢棄管段的首末端。注漿口采用φ114*6的鋼管，為減少注漿時(shí)漿料的阻力，漿料的出口應(yīng)順著管道的走向，保證漿料暢通無(wú)阻力，注漿口用PN4.0DN100閘閥進(jìn)行控制并與泵車(chē)連接。注漿前在注漿口放置一個(gè)泡沫球，泡沫球要放置在注漿出料口后端，注漿時(shí)漿液推動(dòng)泡沫球向前移動(dòng)保證管線內(nèi)充滿漿液不留空洞，排氣端用δ=16mm*φ 250mm的盲板進(jìn)行封堵，并在盲板上安裝φ60的排氣口。在排氣口安排專(zhuān)人進(jìn)行值守觀察，待漿料液體從排氣口排出時(shí)停止注漿。

（3）注漿料是由當(dāng)?shù)厣袒煺景磁浞竭M(jìn)行攪拌，并安裝專(zhuān)人進(jìn)行檢查驗(yàn)收，保證漿料能夠符合配比要求達(dá)到合格后，再把攪拌均勻的漿料用泵車(chē)?yán)\(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，以混凝土泵為動(dòng)力，將注漿料從泵車(chē)卸入引氣泵的料斗后，利用引氣泵的壓力將注漿料沿管道直接輸送到廢舊管道內(nèi)。

（4）管道注漿最長(zhǎng)段為7km，為保證注漿料充滿管體，在注漿口管端放置隔離球，注漿料從注漿口用引氣泵向管道進(jìn)行注漿，推動(dòng)隔離球前行，計(jì)算注漿料體積，核實(shí)注漿段管材體積，計(jì)算注漿料堆積密度，直到隔離球到達(dá)管線末端，出氣口處看到漿料流出為止；由于管線長(zhǎng)注漿壓力高，注漿料具有壓縮性，漿料壓縮到一定程度才能推動(dòng)前面的漿液向前移動(dòng)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)壓縮比達(dá)10%，因此要讓混凝土攪拌站多準(zhǔn)備一些材料。

廢舊管道處置各段注漿用量表

（5）現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛按漿體總量進(jìn)行預(yù)留。根據(jù)材料的攪拌時(shí)間（30方/小時(shí)）和泵送時(shí)間（60方/小時(shí)）計(jì)算，攪拌站需要同時(shí)使用兩臺(tái)攪拌機(jī)。根據(jù)最長(zhǎng)7公里管道和攪拌站到現(xiàn)場(chǎng)的距離計(jì)算，需要不少于7臺(tái)混凝土運(yùn)輸車(chē)。

（6）注漿過(guò)程中要時(shí)刻關(guān)注注漿口處的壓力變化，判斷注漿料在管道中運(yùn)行情況，注漿時(shí)切記不可斷料，必須連續(xù)注入，停留時(shí)間不可太長(zhǎng)，防止?jié){體管內(nèi)沉淀造成泵壓過(guò)大，漿體凝結(jié)時(shí)間參照施工預(yù)留時(shí)間而定最大灌注壓力不能超出管線設(shè)計(jì)壓力的80%。

6 注漿時(shí)壓力的計(jì)算

普通材料在泵送的過(guò)程中，隨著材料本身物理性質(zhì)，不可避免會(huì)產(chǎn)生分層、離析、泌水乃至沉降等現(xiàn)象，導(dǎo)致管道內(nèi)材料越積越厚，管道逐漸變細(xì)，泵送壓力越來(lái)越大，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)阻塞管道。此次采用的超長(zhǎng)管道新型注漿材料，在48小時(shí)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生沉降和分層等各種現(xiàn)象，所以其性質(zhì)完全可以當(dāng)做牛頓流體，所以符合各種牛頓流體力學(xué)的物理性質(zhì)。施工時(shí)，泵車(chē)所需壓力主要為克服材料前進(jìn)時(shí)與管道所產(chǎn)生的摩擦力。

根據(jù)牛頓粘性定律[3]，單位面積上所受的內(nèi)摩擦力τ=F/A=μ*du/dy，其中du/dy為速度梯度，μ為比例系數(shù)（粘度）。

所以，流體層接觸面上的內(nèi)摩擦力F=A*μ*du/dy。

驗(yàn)證：本產(chǎn)品已用在孟州改線工程中成功使用，該工程管道長(zhǎng)度2.2公里，直徑φ426mm，理論計(jì)算管道最大壓力為2.0MPa，實(shí)測(cè)泵車(chē)壓力為2.1MPa，誤差允許。所以公式完全可以反映實(shí)際情況。

計(jì)算：本工程廢棄管道分段注漿，其中最大長(zhǎng)度為7公里，直徑273mm，

已知：泵車(chē)最大壓力為5.0MPa，一般施工不允許長(zhǎng)時(shí)間處于最大壓力60%以上，所以，壓力一般不允許達(dá)到3.0MPa。管道設(shè)計(jì)壓力為6.4MPa，所以施工壓力不會(huì)達(dá)到管道設(shè)計(jì)壓力，一般也不會(huì)達(dá)到泵車(chē)最大施工壓力。

經(jīng)果計(jì)算泵車(chē)所產(chǎn)生的壓力是完全能夠克服注漿輸送過(guò)程中漿料與管體的摩擦阻力，而且管線經(jīng)過(guò)清洗、吹掃、推球已把管壁的附著物帶出管體，漿料是完全不可能阻塞滯留在管線內(nèi)。

7 注漿過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及處理措施

（1）注漿過(guò)程中主要有以下原因產(chǎn)生注漿管道阻塞：①管道內(nèi)殘存物多油垢重；②管道過(guò)長(zhǎng)、有轉(zhuǎn)彎；③材料本身問(wèn)題，泌水，離析，分層。

第1種情況管道內(nèi)已進(jìn)行清洗，并推球掃水清除管道內(nèi)壁的附著物。

第2種情況長(zhǎng)輸管線所有的轉(zhuǎn)角所用的彎頭基本上都是采用的大倍徑熱煨彎管，轉(zhuǎn)彎處不會(huì)產(chǎn)生死角，影響漿料行走。

第3種情況注漿料在注漿前進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)符合達(dá)到要求后再進(jìn)行使用。

（2）如果產(chǎn)生材料堵塞管道，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可使用以下處理方案。

卸壓。注漿過(guò)程中如果壓力急劇增加，可以先讓泵車(chē)倒轉(zhuǎn)，卸掉壓力，再重新注漿。

加壓。如果管道中有積液等意外情況，導(dǎo)致管道注漿壓力不夠，可以在開(kāi)口位置再開(kāi)新口，兩臺(tái)泵車(chē)一起注漿。

反吸，出口處備一臺(tái)負(fù)壓泵運(yùn)輸車(chē)，強(qiáng)力反抽確保管道通暢。

8 開(kāi)挖驗(yàn)證

充盈度情況的驗(yàn)收——100%填充率

注漿結(jié)束5個(gè)月后，在注漿管段的相對(duì)高點(diǎn)開(kāi)挖割管進(jìn)行注漿效果驗(yàn)證，管道充盈度超過(guò)95%，可見(jiàn)注漿效果良好。

9 結(jié)論

（1）注漿是廢棄油氣管道處置過(guò)程中的必要措施之一，其目的主要防止就地廢棄的管道產(chǎn)生不安全因素而采取的技術(shù)措施，其中注漿材料、注漿設(shè)備和方法的選擇是注漿技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

（2）本工程廢棄管道注漿所采用新型注漿材料，在充分清洗管道，保證管線內(nèi)良好的流動(dòng)性，采用了純壓力注漿的方式，實(shí)現(xiàn)了小管徑長(zhǎng)距離的管線輸送漿料的先例。

（3）長(zhǎng)距離管線注漿必須要保證管線流動(dòng)性，水泥、粉煤灰、核心母料為主要材料的漿料是可以實(shí)現(xiàn)的。

（4）注漿效果經(jīng)過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證漿液固化后的強(qiáng)度、結(jié)實(shí)率指標(biāo)，漿料的充實(shí)度均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。