雷宏峰

北京管道公司管道部

摘要：油氣管道因腐蝕、應(yīng)力變化、缺陷擴(kuò)展等原因會(huì)導(dǎo)致發(fā)生泄漏或斷裂，嚴(yán)重危害運(yùn)行安全。換管是根除管道隱患的重要手段，但需要停輸影響下游用戶。同時(shí)天然氣管道換管時(shí)因放空會(huì)產(chǎn)生比二氧化碳更強(qiáng)“溫室效應(yīng)”。B型套筒作為一種永久修復(fù)技術(shù)，相比換管在上述方面更具優(yōu)勢(shì)。介紹了B型套筒材質(zhì)、燒穿壁厚、施焊操作壓力、焊接工藝、無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)的發(fā)展以及其具有的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：燒穿；施工操作壓力；焊接技術(shù)；PAUT檢測(cè)；B 型套筒

B型套筒修復(fù)技術(shù)是利用兩個(gè)由鋼板制成的半圓柱外殼覆蓋在管體缺陷外，通過(guò)側(cè)縫焊接連接在一起，并在套簡(jiǎn)的末端采用角焊的方式固定在管道上。套筒可保持管道內(nèi)壓，也能承受因管道受到側(cè)向載荷而產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。根據(jù)SY/T 6649―2018《油氣管道管體缺陷修復(fù)技術(shù)規(guī)范》及GB/T 36701―2018《埋地鋼制管道管體缺陷修復(fù)指南》等相關(guān)規(guī)范，B型套筒作為永久性修復(fù)方式，適用于包括泄漏及環(huán)向缺陷在內(nèi)的多種管體和環(huán)焊縫缺陷修復(fù)。

1  B型套筒修復(fù)技術(shù)發(fā)展

1.1  套筒材質(zhì)

對(duì)于高鋼級(jí)長(zhǎng)輸管道缺陷修復(fù)，國(guó)內(nèi)管道企業(yè)普遍采用鋼級(jí)較低的Q345R B型套筒，為了保障修復(fù)后的強(qiáng)度，套筒厚度可達(dá)60 mm、重量0.6 t，現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度高、易出現(xiàn)焊縫缺陷等，同時(shí)厚壁套筒增加了主體管道負(fù)重，進(jìn)而影響管道本質(zhì)安全。近年中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司等科研單位開(kāi)展了X65、 X70 B型套筒及其配套技術(shù)科研攻關(guān)，成功研發(fā)出了性能優(yōu)異的X65/X70高鋼級(jí)B型套筒，并形成了配套的焊接、焊后熱處理以及無(wú)損檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。高鋼級(jí)B型套筒厚度較傳統(tǒng)套筒減薄19%～30%，現(xiàn)場(chǎng)組裝及焊接工作量降低約20%。有效縮短了管道在線修復(fù)用時(shí)，對(duì)保障管網(wǎng)安全、高效、平穩(wěn)運(yùn)行有著積極重要的意義。

1.2  燒穿壁厚

B型套筒在役焊接修復(fù)過(guò)程中，若管道全壁厚金屬熔化，則稱為燒穿；若管壁未熔化金屬的剩余強(qiáng)度不足以抵抗管道內(nèi)介質(zhì)壓力，則出現(xiàn)管道塑性崩潰；兩者均可能造成嚴(yán)重安全事故。為了保障管道修復(fù)過(guò)程安全，就必須防止管道出現(xiàn)上述情況。對(duì)于燒穿，相關(guān)資料有以下規(guī)定或科研成果。

（1）按照標(biāo)準(zhǔn)API 1104《管道和相關(guān)設(shè)施的焊接》規(guī)定，當(dāng)使用低氫焊條及常規(guī)焊接工藝時(shí)，只有在壁厚小于6.4 mm時(shí)，才會(huì)考慮燒穿發(fā)生的可能。

（2）SY/T 6554―2019《石油工業(yè)帶壓開(kāi)孔作業(yè)安全規(guī)程》認(rèn)為當(dāng)壁厚大于12.7 mm時(shí)，不必考慮管道焊接燒穿的發(fā)生，如果壁厚小于6.4 mm，需要特別注意燒穿風(fēng)險(xiǎn)，壁厚處于6.4～12.7 mm時(shí)，可能有燒穿風(fēng)險(xiǎn)。

（3）中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的研究成果表明，當(dāng)熱輸入為1.2 kJ/mm時(shí)，只有壁厚大于7 mm時(shí)，才能避免燒穿發(fā)生。

（4）美國(guó)愛(ài)迪生焊接研究院（EWI）的研究結(jié)果顯示，當(dāng)焊條直徑為3.2 mm，電流為110 A，熱輸入0.9 kJ/mm時(shí)，不會(huì)發(fā)生燒穿的安全壁厚為4 mm。

2022年，北京管道公司維搶修中心完成了陜京一線多處管道壁厚為7.1 mm的B型套筒帶壓修復(fù)，據(jù)了解國(guó)內(nèi)已有企業(yè)實(shí)施5 mm管道的B型套筒帶壓修復(fù)。

1.3  施工操作壓力

B型套筒帶壓修復(fù)壓力對(duì)管道運(yùn)行及施工安全有著重大影響。GB/T 28055―2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》、GB/T 36701―2018《埋地鋼制管道管體缺陷修復(fù)指南》、SY/T 6649―2018 《油氣管道管體缺陷修復(fù)技術(shù)規(guī)范》等規(guī)定，在運(yùn)行的天然氣或成品油管道上焊接時(shí)，其施工操作壓力不應(yīng)超過(guò)0.4倍的最大允許操作壓力，且輸送介質(zhì)充滿管道。但由于規(guī)定的允許壓力較低，影響了管道正常運(yùn)行，因此管道企業(yè)在B型套筒修復(fù)時(shí)施焊壓力大都未采用該規(guī)定，而是采用上述國(guó)標(biāo)或行標(biāo)中關(guān)于超出0.4倍最大允許操作壓力后的計(jì)算方法，以減少對(duì)管道運(yùn)行影響及天然氣放空量。

（1）國(guó)標(biāo)行標(biāo)推薦壓力計(jì)算方法。GB/T 28055―2011等國(guó)標(biāo)行標(biāo)規(guī)定：如果焊接施工操作壓力超出0.4倍最大允許操作壓力時(shí)，管道允許的帶壓施焊的最高壓力均執(zhí)行公式（1）：

式中：P為管道允許帶壓施焊的壓力，MPa；σs為管材的最小屈服極限，MPa；t為焊接處管道實(shí)際壁厚，mm；c為因焊接引起的壁厚修正量，取值見(jiàn)表 1，mm；D為管道外徑，mm ；F為安全系數(shù)，取值見(jiàn)表 2。

表 1 國(guó)標(biāo)行標(biāo)推薦壁厚修正量

表 2 國(guó)標(biāo)行標(biāo)推薦安全系數(shù)

（2）集團(tuán)公司推薦壓力計(jì)算方法。《國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)動(dòng)火作業(yè)管理暫行細(xì)則》《在役管道環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)排查治理工作指南》關(guān)于壓力計(jì)算執(zhí)行公式（1）計(jì)算方法，但參數(shù)c和F的取值不同，其中c取3.5 mm，F(xiàn)取0.5或0.6（原油、成品油管道取 0.6；天然氣、煤氣管道取0.5）。   

1.4  焊接技術(shù)

（1）目前高鋼級(jí)管道的B型套筒修復(fù)焊接工藝規(guī)程中都增加了回火焊道、退火焊道、中頻加熱焊后消氫等技術(shù)手段，以細(xì)化焊接接頭晶粒，消除應(yīng)力與降低硬度，改善焊縫組織和力學(xué)性能，加速焊縫中氫的擴(kuò)散逸出，降低焊縫和熱影響區(qū)中的氫含量，防止產(chǎn)生冷裂紋。

（2）雖然B型套筒用高等級(jí)鋼替代Q345鋼后，其焊接工作量有所減少，但仍比換管的焊接工作量高出幾倍，勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接時(shí)間長(zhǎng)，焊接質(zhì)量受焊工體力影響大。為解決上述問(wèn)題，西氣東輸?shù)裙艿拦��?019年以來(lái)開(kāi)展了B型套筒自動(dòng)焊研究。B型套筒自動(dòng)焊技術(shù)具有表面成型好、焊接質(zhì)量高、減少勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省焊接用時(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前該技術(shù)已大規(guī)模應(yīng)用于高壓力、高鋼級(jí)、大口徑長(zhǎng)輸天然氣管道的缺陷修復(fù)[1]。《在役管道環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)排查治理工作指南》中明確規(guī)定B型套筒修復(fù)時(shí)自動(dòng)焊比例不低于10%。

1.5  無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

B型套筒角焊縫以往只能用磁粉或著色探傷檢測(cè)表面和近表面缺陷，無(wú)法檢出焊縫內(nèi)部裂紋、氣孔、夾雜等焊縫內(nèi)部缺陷。近年隨著相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)（PAUT）的發(fā)展，可通過(guò)超聲聲場(chǎng)的計(jì)算仿真來(lái)適應(yīng)角焊縫檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)全覆蓋[2]。目前國(guó)內(nèi)多家研究單位根據(jù)B型套筒焊縫的特點(diǎn)，編制特殊的PAUT檢測(cè)工藝并制作加工專用的對(duì)比試塊，通過(guò)反復(fù)進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)和檢測(cè)工藝驗(yàn)證，角焊縫內(nèi)部缺陷基本都能檢測(cè)。為了保證有效檢出延遲裂紋，在焊縫冷卻后、24小時(shí)及48小時(shí)分三次同時(shí)進(jìn)行磁粉、超聲、相控陣檢測(cè)，進(jìn)一步確保焊接質(zhì)量。

2  B型套筒修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

長(zhǎng)期以來(lái)，換管被認(rèn)為是修復(fù)管道缺陷最徹底的方式，隨著B(niǎo)型套筒修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，其優(yōu)勢(shì)與換管相比越發(fā)明顯：一是在換管施工過(guò)程中因舊管道往往存在較大的焊口錯(cuò)位，強(qiáng)力組對(duì)難以杜絕，使得被修復(fù)的環(huán)焊縫除承受介質(zhì)的正常壓力外還需承受額外的安裝應(yīng)力；二是換管修復(fù)增加了焊口數(shù)量，而環(huán)焊縫是整個(gè)管道系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，換一次管相當(dāng)于給管道系統(tǒng)至少增加一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；三是換管修復(fù)的焊口焊縫無(wú)法試壓，相當(dāng)于新建管道的“金口”，焊口組對(duì)間隙、坡口尺寸等參數(shù)難以保證，焊接難度大，焊接質(zhì)量不易保證；四是換管需全線或部分管段停輸，對(duì)管道下游用戶影響較大且影響管輸量；五是換管需對(duì)至少一個(gè)閥室管段內(nèi)的天然氣全部放空，大口徑管道換管一次天然氣放空量可達(dá)百萬(wàn)立方米以上，研究表明天然氣引起溫室效應(yīng)的能力是二氧化碳的20倍以上，國(guó)家雙碳目標(biāo)實(shí)施后，天然氣排放控制越來(lái)越嚴(yán)。2021年某管道企業(yè)在換管修復(fù)作業(yè)時(shí)天然氣放空被國(guó)外衛(wèi)星遙測(cè)到，引起了國(guó)際社會(huì)關(guān)注。

實(shí)驗(yàn)表明Ｂ型套筒角焊縫所能承受的極限彎矩約為管道母材的69.4%[3]。在費(fèi)用方面，以管徑1016 mm管道為例，采用B型套筒修復(fù)環(huán)焊縫裂紋缺陷的費(fèi)用約30～40萬(wàn)元，而換管費(fèi)用約需200～300萬(wàn)元，兩種修復(fù)方式費(fèi)用相差懸殊。    

3  結(jié)語(yǔ)

自2017年國(guó)內(nèi)管道企業(yè)開(kāi)展大規(guī)模的環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)排查以來(lái)，管道缺陷數(shù)量激增，B型套筒修復(fù)技術(shù)應(yīng)用案例成倍增長(zhǎng)。實(shí)踐證明，B 型套筒作為一種管道缺陷永久修復(fù)方式，適用修復(fù)的缺陷類型較為廣泛，包括管道的腐蝕、裂紋、機(jī)械損傷、焊縫缺陷、管體劃傷、金屬損失、碳弧燒傷、夾渣或分層、凹陷以及泄漏性缺陷，修復(fù)成本低，可靠性高。隨著B(niǎo)型套筒的材料質(zhì)量、焊接質(zhì)量、檢測(cè)質(zhì)量等進(jìn)一步提高，其在長(zhǎng)輸管道缺陷修復(fù)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳娟，宋錦，張悅，等.鋼質(zhì)管道B型套筒自動(dòng)焊接技術(shù)及其應(yīng)用[J/OL].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2021，網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址：ttps://kns.cnki.net/kems/detail/13.1093.TE.20210527.1509.002.html.

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[3]成志強(qiáng)，胡聰，段金偉，等. B型套筒角焊縫力學(xué)性能模擬實(shí)驗(yàn)[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2021，43(6)：111-118.

作者簡(jiǎn)介：雷宏峰，1971年生，碩士，高級(jí)工程師，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），現(xiàn)從事管道管理、環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)排查等工作。聯(lián)系方式：01084884298，leihf01@pipechina.com.cn。