譚 笑，徐蔥蔥，馬江濤，張 妮

中國(guó)石油管道分公司管道科技研究中心 （河北 廊坊 065000）

中俄東線天然氣管道工程擬建長(zhǎng)度為3 052 km，設(shè)計(jì)管徑為1 422 mm，設(shè)計(jì)壓力為12 MPa，采用X80級(jí)鋼管。由于中俄東線天然氣管道具有長(zhǎng)距離、高鋼級(jí)、大口徑、高壓力及穿越高寒凍土地區(qū)的特殊性，使其生產(chǎn)運(yùn)行的不確定因素增多，風(fēng)險(xiǎn)更高、維搶修的難度增大，其中在線焊接和維搶修方面的技術(shù)國(guó)內(nèi)仍缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)。

1 高強(qiáng)鋼在線焊接

1.1 環(huán)境要求

目前，采用傳統(tǒng)“冷操作”的修復(fù)方式需要先停止管道運(yùn)行，降壓、放空后再施工，但停輸會(huì)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失，并且容易造成環(huán)境污染。因此在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能在運(yùn)行的管道上進(jìn)行在線焊接修復(fù)[1]。

1）在最低焊接溫度方面，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)普遍認(rèn)為焊接施工的環(huán)境溫度不應(yīng)低于焊接工藝規(guī)程的規(guī)定溫度。①國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)環(huán)境溫度＜0℃，環(huán)境濕度＞90%，風(fēng)速＞5 m/s且無有效防護(hù)措施時(shí)，不得進(jìn)行焊接作業(yè)；NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》規(guī)定了焊件溫度不應(yīng)低于-18℃；②國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)API RP 2201—2003《石油石化工業(yè)安全帶壓開孔規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)大氣溫度低于-45℃，除非采取了特殊的應(yīng)對(duì)措施（如提供臨時(shí)防風(fēng)帳篷、小型加熱器等），否則不應(yīng)進(jìn)行管道在線焊接；③俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153—112—014—97《石油產(chǎn)品干線輸送管道事故和故障處理規(guī)程》則允許在環(huán)境溫度-40℃及以上的條件下進(jìn)行焊接維修工程。

2）國(guó)內(nèi)目前的高強(qiáng)鋼管道焊接施工中的環(huán)境要求是：①大氣相對(duì)濕度小于90%；②自然環(huán)境溫度高于5℃；③低氫型焊條電弧焊，風(fēng)速小于5 m/s；④自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊，風(fēng)速小于8 m/s；⑤熔化極氣保護(hù)電弧焊，風(fēng)速小于2 m/s。

可見，國(guó)內(nèi)X80鋼管道的施焊環(huán)境溫度按-5℃控制，當(dāng)環(huán)境溫度在-5～5℃之間時(shí)通常采取的方法是：將預(yù)熱溫度提高20～30℃，或者焊后用石棉被覆蓋焊道等[2]。而國(guó)外通常只有在環(huán)境溫度低于-45℃時(shí)才不能進(jìn)行在線焊接，且焊接過程中對(duì)空氣濕度沒有特殊要求。因?yàn)閲?guó)外認(rèn)為只要焊條的保存條件良好、預(yù)熱溫度達(dá)到要求，就可以及時(shí)進(jìn)行焊接；若空氣濕度較高，可以將焊條存放在專用干燥保溫箱中；如果外界風(fēng)速超過8～10 m/s時(shí)，則使用防風(fēng)防雨帳篷進(jìn)行焊接（圖1）。

由此可見，國(guó)內(nèi)對(duì)于高強(qiáng)鋼在線焊接的環(huán)境溫度標(biāo)準(zhǔn)和做法較國(guó)外嚴(yán)格。中俄東線天然氣管道工程的維搶修在線焊接可以參考國(guó)外工程實(shí)踐做法，采用有效的措施保障焊接安全。

1.2 降壓停輸

維搶修焊接時(shí)介質(zhì)的影響主要在于介質(zhì)的存在和流動(dòng)會(huì)帶走預(yù)熱和焊接時(shí)的熱量，從而容易產(chǎn)生裂紋。而采取管道停輸、降壓、放散、吹掃等操作，則會(huì)造成輸送管道停產(chǎn)、減產(chǎn)，進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 防風(fēng)防雨帳篷內(nèi)焊接

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6150.2—2011《鋼制管道封堵技術(shù)規(guī)程第2部分：擋板-囊式封堵》規(guī)定允許管道帶壓施焊的壓力通過公式進(jìn)行計(jì)算，天然氣或成品油管道焊接處管內(nèi)壓力，宜小于此處管道允許工作壓力的0.4倍；對(duì)20世紀(jì)80年代前建設(shè)的管道的在線焊接，介質(zhì)壓力不宜大于3.0 MPa，管壁厚度不應(yīng)小于5 mm。

ASME B31.8—2012《氣體輸送和分配管道系統(tǒng)》規(guī)定對(duì)于所有的對(duì)接環(huán)焊縫，如果發(fā)現(xiàn)不可接受的缺陷，則需要在停輸情況下對(duì)管道缺陷進(jìn)行焊接維修。但在以下情形下，可以對(duì)此類管道缺陷進(jìn)行在線焊接：如果焊接處沒有發(fā)生泄漏，可以在降壓情況下對(duì)管道進(jìn)行在線焊接，降壓的標(biāo)準(zhǔn)為管道運(yùn)行壓力不產(chǎn)生超過管道最小額定強(qiáng)度20%的環(huán)向應(yīng)力，并且需要確保管道缺陷處在進(jìn)行打磨之后，管道壁厚仍大于3.2 mm。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)СТО Газпром 2-3.5-454—2010《天然氣主干道使用規(guī)則》根據(jù)管道缺陷占壁厚的百分比確定在線焊接的降壓幅度，當(dāng)缺陷深度達(dá)到管壁厚度的30%，天然氣管道中的壓力不低于規(guī)定工作壓力的30%。

由此可見，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中，當(dāng)管道出現(xiàn)不可接受的缺陷時(shí)，需要停輸進(jìn)行焊接；若管道缺陷占壁厚的百分比確定滿足要求，則可以根據(jù)壁厚進(jìn)行降壓在線焊接。中俄東線的維搶修焊接可以借鑒國(guó)外高強(qiáng)鋼焊接方法，進(jìn)一步細(xì)化在線焊接的降壓停輸要求。

1.3 預(yù)熱條件

通常焊前預(yù)熱能防止高強(qiáng)鋼的脆裂性。在焊接高強(qiáng)鋼時(shí)預(yù)熱可以避免基體金屬的開裂，并可減緩低溫范圍內(nèi)馬氏體鋼的冷卻速率，而什么時(shí)候預(yù)熱必須由焊接工程師判斷。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)管道材料的性能、焊件厚度、焊接條件、施工現(xiàn)場(chǎng)氣候條件，通過焊接工藝評(píng)定確定是否需要進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后預(yù)熱處理；GB 50236—2011《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》規(guī)定，焊前預(yù)熱根據(jù)鋼材的焊接淬硬性、焊件厚度、結(jié)構(gòu)剛性、焊接方法、焊接環(huán)境及使用條件等因素綜合確定。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)СНИП III-42-80中規(guī)定只要管道壁厚大于17 mm，則在焊接之前都需要進(jìn)行預(yù)熱?？梢?，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)雖然規(guī)定了焊前預(yù)熱需要考慮環(huán)境溫度、管壁厚度等因素，卻沒有給出定量的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步細(xì)化。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)多年凍土區(qū)管道維搶修作業(yè)規(guī)程，通常凍土區(qū)管道焊接施工必須預(yù)熱，測(cè)溫合格后方能焊接。而國(guó)外的工程實(shí)踐中，當(dāng)管道壁厚小于15 mm，碳當(dāng)量小于0.45%可不進(jìn)行預(yù)熱。

由此可見，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于焊前預(yù)熱要求不夠詳細(xì)，可以參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)踐做法進(jìn)一步完善。中俄東線管道屬于高寒區(qū)高壁厚管道，因此焊接前進(jìn)行預(yù)熱較為穩(wěn)妥。

2 預(yù)熱

2.1 預(yù)熱方法

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7033—2016《鋼質(zhì)油氣管道失效搶修技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了焊接預(yù)熱方法有火焰加熱和中頻加熱技術(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃或者需要對(duì)層間溫度加以控制，建議采用感應(yīng)加熱器。而國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于預(yù)熱方法沒有明確規(guī)定。

1）國(guó)內(nèi)工程焊接中常見的預(yù)熱方法有：火焰加熱、電阻加熱和中頻加熱等技術(shù)。工程實(shí)踐中對(duì)于X70及以上高強(qiáng)度材質(zhì)的管道，通常采用中頻加熱或火焰加熱和中頻加熱相結(jié)合的形式；當(dāng)管道內(nèi)部介質(zhì)溫度偏低或介質(zhì)流速過快時(shí)，環(huán)向角焊縫的預(yù)熱采用火焰加熱和中頻加熱相結(jié)合的形式；當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃或者需要對(duì)層間溫度加以控制，通常采用中頻加熱技術(shù)[3]。

2）國(guó)外企業(yè)通常采用火焰加熱技術(shù)作為常用的預(yù)熱方法。該方法容易操作，移動(dòng)性好，加熱設(shè)備的成本低，火焰預(yù)熱技術(shù)如圖2所示。而中頻加熱技術(shù)則具有預(yù)熱效率高、不損傷防腐層、不易產(chǎn)生氫致裂紋等優(yōu)勢(shì)，是加熱效果較好的預(yù)熱方法，但是由于價(jià)格貴、耗能高，設(shè)備移動(dòng)不便，因此更適用室內(nèi)密閉環(huán)境的管道焊接預(yù)熱，而不適用于野外現(xiàn)場(chǎng)預(yù)熱。如果管道焊接冷卻條件和材料回火非常關(guān)鍵，也會(huì)使用電阻預(yù)熱。為了完成管道及焊接元件的加熱，可以采用利用感應(yīng)加熱裝置、電阻式電加熱器、聯(lián)合作用的加熱器進(jìn)行加熱，若供電中斷或加熱設(shè)備發(fā)生故障，允許在工作結(jié)束之前利用環(huán)形火焰加熱裝置進(jìn)行加熱。對(duì)于中俄東線的高鋼級(jí)管道，采用火焰預(yù)熱和中頻加熱相互配合是較為理想的預(yù)熱方式。

圖2 火焰預(yù)熱技術(shù)

2.2 預(yù)熱溫度

由于管輸介質(zhì)的吸熱作用，在線焊接預(yù)熱至較高溫度有一定困難。盡管如此，國(guó)內(nèi)外管道焊接規(guī)程仍然要求預(yù)熱，并規(guī)定了預(yù)熱溫度，但在預(yù)熱溫度規(guī)定中并未區(qū)分環(huán)境溫度和壁厚。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)СНИП III—42—80中規(guī)定只要管道壁厚大于17 mm，則在焊接之前都需要進(jìn)行預(yù)熱；РД 558—97《天然氣管道修理恢復(fù)作業(yè)的焊管工藝指導(dǎo)性文件》中對(duì)于預(yù)熱溫度的規(guī)定，針對(duì)不同環(huán)境溫度、厚度及碳當(dāng)量明確規(guī)定應(yīng)采取的不同預(yù)熱溫度，當(dāng)管道壁厚小于15 mm、碳當(dāng)量小于0.45%時(shí)，可不進(jìn)行預(yù)熱。其中碳當(dāng)量在某種程度上可以匹配鋼級(jí)，對(duì)于X80鋼的碳當(dāng)量應(yīng)在0.41%～0.46%。

預(yù)熱主要的作用是使氫充分?jǐn)U散，同時(shí)控制開裂敏感組織的形成。因此對(duì)于X80管道預(yù)熱溫度達(dá)到93～121℃就足夠了。如果受條件限制，如低溫、高流速、薄壁厚等，預(yù)熱溫度達(dá)不到太高，則需要延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間以保證氫充分?jǐn)U散。最低預(yù)熱溫度必須達(dá)到56℃以上，多數(shù)企業(yè)對(duì)于高強(qiáng)鋼管道預(yù)熱要求都在100℃及以上[4]，然而在實(shí)際操作中這一預(yù)熱溫度實(shí)現(xiàn)難度較大。

國(guó)內(nèi)企業(yè)主要通過以下措施達(dá)到預(yù)熱的溫度要求：①使用火焰加熱或中頻加熱的預(yù)熱方法；②使用感應(yīng)加熱器（管壁較薄時(shí)可采用電加熱器）、環(huán)形管口加熱器、電加熱帶作為預(yù)熱設(shè)備；③采用焊接保溫棚作為保溫措施。

國(guó)外企業(yè)使用如下預(yù)熱設(shè)備、預(yù)熱工藝以及保溫促方法使達(dá)到預(yù)熱要求。①預(yù)熱設(shè)備：當(dāng)預(yù)熱溫度無法達(dá)到要求時(shí)，使用感應(yīng)加熱設(shè)備、氣體火焰噴燈進(jìn)行預(yù)熱，氣體火焰噴燈設(shè)備的熱功率比感應(yīng)加熱器大；②保溫方法：需要確保預(yù)熱在避免受低溫、大氣降水和風(fēng)影響的焊接保溫棚內(nèi)進(jìn)行，管道焊接區(qū)域加熱點(diǎn)周圍應(yīng)蓋上熱絕緣物質(zhì)，如保溫石棉。如果焊接溫度仍達(dá)不到規(guī)定要求，可以采取以下措施達(dá)到焊接預(yù)熱的溫度要求：①采取火焰預(yù)熱時(shí)，增加熱輸入（比如增加預(yù)熱火炬的數(shù)量）；②使用丙烷氣代替燃?xì)庾鳛轭A(yù)熱火炬的能源，若仍無法達(dá)到預(yù)熱溫度，嘗試使用乙炔作為燃料；③適當(dāng)降低管輸介質(zhì)的流速；④根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)手段與方法，調(diào)整管道載荷與焊接工藝規(guī)程，從而達(dá)到焊接工藝要求。中俄東線管道焊接施工時(shí)可以借鑒國(guó)外做法來保證焊接溫度。

3 修復(fù)技術(shù)

3.1 快速堵漏

國(guó)內(nèi)管道企業(yè)對(duì)于管道變形泄漏時(shí)通常采用機(jī)械式封堵三通、B型套筒、扣管帽、堵漏器、對(duì)開夾具等技術(shù)進(jìn)行快速堵漏，其他技術(shù)堵漏壓力和響應(yīng)速度等對(duì)D1422 mm高壓力管道適用性有限。

俄羅斯管道企業(yè)使用帶壓開孔技術(shù)作為主要的快速堵漏技術(shù)（圖3），該工藝包括夾芯板、熱壓機(jī)械等插件設(shè)備，針對(duì)小泄漏采用維修套筒進(jìn)行堵漏，對(duì)于天然氣干線管道則不實(shí)施快速堵漏維修。美國(guó)天然氣工藝研究院以及PRCI推薦使用螺栓夾具或堵漏夾具作為臨時(shí)的快速堵漏設(shè)備，該螺栓卡具既可以安裝在發(fā)生泄漏區(qū)域的管道上，也可以焊接在管道上。

圖3 快速封堵技術(shù)

因此，對(duì)于中俄東線D1422 mm高壓力天然氣管道，建議開發(fā)如螺栓型夾具等更加便捷有效的快速堵漏夾具來進(jìn)行管道的快速堵漏。

3.2 永久堵漏

目前，國(guó)內(nèi)企業(yè)通常采取套袖作為永久堵漏措施，但對(duì)于高鋼級(jí)高壓力的天然氣管道是否可以采用套袖進(jìn)行永久修復(fù)，尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

ASME B31.8-2012以及《美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)》規(guī)定：在停輸?shù)那闆r下，可以使用換管方法作為永久修復(fù)方法；如果不能停輸管道，則使用全包圍焊接套筒維修管道。如果管道運(yùn)行壓力低于最小屈服強(qiáng)度的40%，且管道由機(jī)械管接頭進(jìn)行連接時(shí)，則可以不使用全包圍焊接套筒；使用補(bǔ)板方法時(shí)，管道材質(zhì)強(qiáng)度不能高于276 MPa。中俄東線天然氣管道采用的X80鋼的強(qiáng)度約為552 MPa，因此不宜使用補(bǔ)板進(jìn)行修復(fù)。

俄羅斯管道企業(yè)對(duì)于管道修復(fù)區(qū)段，采用不同的管道修理方法。修理方法的選擇取決于幾何參數(shù)、使用條件等，如果更換部分管道，可以將套袖、補(bǔ)板等方法用作高質(zhì)量的永久性措施。英國(guó)天然氣企業(yè)使用環(huán)氧填充套管技術(shù)作為修補(bǔ)各類管道缺陷的方法（圖4、圖5），該修復(fù)技術(shù)適用于：①D100～1 422 mm管徑的各種管道；②管道最大承壓10 MPa；③耐溫3～100℃；④修復(fù)各類缺陷，如腐蝕、裂紋、壓痕、不規(guī)則焊道等。

圖4 環(huán)氧填充套管示意圖

圖5 環(huán)氧填充套筒修復(fù)

環(huán)氧填充套管修復(fù)技術(shù)能永久性修復(fù)缺陷的最大范圍為：管壁缺損和裂紋的長(zhǎng)度不限，最大深度可達(dá)壁厚的90%，平均深度可達(dá)80%；扭曲變形可達(dá)管徑的9%的同時(shí)，管壁缺損或裂紋達(dá)壁厚的12%；焊道管壁損失或裂紋達(dá)管道周長(zhǎng)的60%[5]。該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于：①通常不需要降低管道運(yùn)行壓力；②套管材料等級(jí)和壁厚匹配或優(yōu)于管體；③環(huán)形空間寬度的允許誤差為3～40 mm；④解決了套管固定或潛在的應(yīng)力集中問題。

由于環(huán)氧填充套筒修復(fù)技術(shù)具有以上優(yōu)勢(shì)，對(duì)于中俄東線大口徑高鋼級(jí)管道，建議采用此技術(shù)進(jìn)行管道永久修復(fù)，并開展環(huán)氧填充套筒修復(fù)技術(shù)的相關(guān)研究。

4 高強(qiáng)鋼切割

國(guó)內(nèi)目前采用的切割技術(shù)主要包括：手動(dòng)切割、機(jī)械切割、水射流切割、火焰切割和等離子切割等技術(shù)。

國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了4種主要的管道切割技術(shù)：機(jī)械切割、手動(dòng)切割、等離子切割以及手動(dòng)和機(jī)械化電弧切割，以及每一種切割設(shè)備具體使用的切割設(shè)備。CSA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用乙炔火焰或機(jī)械切割設(shè)備對(duì)管道進(jìn)行切割。使用乙炔火焰時(shí)，必須進(jìn)行氮?dú)庵脫Q；若無法進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，使用機(jī)械切割設(shè)備，且必須保證管道內(nèi)氣體緩慢流動(dòng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控管道內(nèi)壓力。在切割工作開始之前，或者隨著管道切割的進(jìn)行，需要定期使用可燃?xì)怏w檢報(bào)警裝置檢測(cè)切割現(xiàn)場(chǎng)的氣體濃度；當(dāng)管道切割完之后，立即使用合適的材料封閉切割端口。針對(duì)管道切割，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)既有原則性規(guī)定，又有詳細(xì)要求，具有一定的借鑒意義。

對(duì)于中俄東線D1422 mm大口徑管道的施工階段切割，采用火焰切割較為合適；而對(duì)于維搶修階段的切割則需要使用適當(dāng)?shù)睦淝懈钤O(shè)備。目前較為先進(jìn)的切割設(shè)備主要有水射流切割和分瓣式切割等，其中水射流切割速率較慢，僅為60 mm/min；分瓣式切割機(jī)用途廣泛，能在受限空間內(nèi)使用，不產(chǎn)生熱影響區(qū)，能完成倒角、開坡口和切割作業(yè)，適用的管徑也在1 219 mm～1 829 mm，分瓣式切割設(shè)備如圖6所示。

圖6 分瓣式切割設(shè)備

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)對(duì)于大口徑高強(qiáng)鋼天然氣管道的在線焊接與維搶修技術(shù)的研究與應(yīng)用起步較晚，缺乏運(yùn)行以及維搶修的經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)還不是很完善。研究維搶修技術(shù)國(guó)內(nèi)外技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的差異，將為管道事故快速響應(yīng)和高效處置提供強(qiáng)有力的支持，為中俄東線天然氣管道的安全高效運(yùn)行提供有力保障。