牛志勇，蔡亮，崔尚琳，張凱靈，呂林林，趙海霆

（1. 中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000）

（2. 中航油京津冀物流有限公司，天津，300300）

（3. 中油國(guó)際管道公司中緬油氣管道項(xiàng)目曼德勒管理處，北京 100029）

（4. 中國(guó)石油西南油氣田公司輸氣管理處，四川 成都 610000）

（5. 中國(guó)石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

1 前言

長(zhǎng)輸管道是我國(guó)第五大運(yùn)輸行業(yè)，具有高效、安全、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。由于建設(shè)施工階段中焊接缺陷、機(jī)械損傷以及運(yùn)行階段中腐蝕、第三方破壞等因素，導(dǎo)致管道缺陷發(fā)生油氣泄漏事故。焊接是管體不可接受缺陷修復(fù)的主要方法[1]。在役管道焊接是一種高效、經(jīng)濟(jì)的修復(fù)方法，具有保證管道運(yùn)行連續(xù)性、修復(fù)時(shí)間效率高等優(yōu)點(diǎn)，是管道維搶修技術(shù)的發(fā)展方向。在役管道焊接應(yīng)采用專門(mén)安全措施，保證焊接質(zhì)量安全以及操作者人身安全。由于高鋼級(jí)管線鋼管和設(shè)計(jì)壓力提高，對(duì)在役管道焊接工藝提出了更高要求。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外在役管道焊接技術(shù)現(xiàn)狀，分析影響在役管道焊接質(zhì)量因素，提出了在役管道焊接工藝評(píng)定要求。研究成果對(duì)于保障我國(guó)長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行和改進(jìn)管道維搶修工作具有重要意義。

2 國(guó)內(nèi)外在役管道焊接技術(shù)現(xiàn)狀

在役管道焊接不同于新建管道焊接作業(yè)，在役管道焊接是在管內(nèi)有介質(zhì)（原油、成品油或天然氣）流動(dòng)情況下進(jìn)行。美國(guó)最早開(kāi)始在役管道焊接研究工作并制定了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，例如美國(guó)Battelle焊接研究所系統(tǒng)開(kāi)展在役管道焊接最小壁厚、溫度、應(yīng)力等方面研究。美國(guó)石油協(xié)會(huì)制定API Std 1104-2013《管道及相關(guān)設(shè)施的焊接》，規(guī)定了在役管道焊接工藝評(píng)定規(guī)程以及焊工資質(zhì)認(rèn)定程序等。

目前較為公認(rèn)的在役管道焊接安全措施和注意事項(xiàng)：

（1）在役管道焊接過(guò)程中，管道內(nèi)必須充滿油品或氮?dú)猓淮嬖谌魏握羝臻g。

（2）在役管道焊接前，應(yīng)對(duì)所焊管道部位進(jìn)行壁厚檢測(cè)。

（3）搶修焊縫離管體環(huán)焊縫的距離不得小于兩個(gè)熱影響區(qū)加上20mm的位置進(jìn)行施焊。

（4）焊接時(shí)不允許在主體管道上引弧，焊接過(guò)程中不允許焊條停留在一個(gè)位置，避免燒穿管道。

（5）焊接加強(qiáng)圈內(nèi)圈和外圈時(shí)，應(yīng)交替焊接，避免應(yīng)力集中。

（6）搶修焊接應(yīng)一次完成，中間不應(yīng)停止

在役管道焊接主要型式是補(bǔ)焊、補(bǔ)板、管道全包圍對(duì)開(kāi)三通焊接、加強(qiáng)套管焊接、管道支管以及加強(qiáng)圈焊接等。原油管道在線焊接，焊接處管內(nèi)壓力宜小于管道允許工作壓力的0.5倍，且原油充滿管道；天然氣或者成品油管道在線焊接，焊接處管內(nèi)壓力宜小于管道允許工作壓力的0.4倍，且成品油充滿管道。上述原則對(duì)于大多數(shù)情形較為保守，如在線焊接管道壓力不滿足上述要求，應(yīng)按照下式確定管道焊接壓力，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

式中P在線焊接管道壓力，MPa；σs管材最小屈服強(qiáng)度，MPa；t焊接處管道壁厚，mm；c因焊接引起的壁厚修正值，一般取值2.4mm；D管外徑，mm；F安全系數(shù)，原油成品油管道取值0.6，天然氣管道取值0.5。

封堵管件焊接時(shí)，管道內(nèi)液體流速不大于5m/s，氣體流速不大于10m/s。國(guó)內(nèi)在役管道焊接管內(nèi)介質(zhì)流速推薦值，液體流速不大于2m/s，氣體流速不大于7m/s。

3 影響在役管道焊接質(zhì)量的因素

在役管道焊接主要存在兩方面風(fēng)險(xiǎn)：焊接電弧灼傷穿透管壁造成破裂，也就是燒穿風(fēng)險(xiǎn)；二是產(chǎn)生氫致裂紋風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 管壁燒穿

美國(guó)Battelle焊接研究所開(kāi)展焊接數(shù)值模擬研究，管內(nèi)介質(zhì)流速增加時(shí)，不發(fā)生燒穿的可焊壁厚也隨之增加。提出6.4mm是防止燒穿的臨界壁厚。該研究成果被美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API Std 1104采納，針對(duì)X65鋼級(jí)及以下管道壁厚大于6.4mm，使用低氫焊條、設(shè)定合理的焊接參數(shù)不會(huì)產(chǎn)生燒穿問(wèn)題。

一般認(rèn)為管道內(nèi)壁溫度超過(guò)臨界點(diǎn)，可能增加管壁燒穿的可能性。美國(guó)愛(ài)迪生焊接研究所（Edison Welding Institute，EWI）研究結(jié)論是：在役管道焊接采用低氫焊條和纖維素焊條，保證焊接處管內(nèi)壁溫度不高于980℃和760℃不會(huì)發(fā)生燒穿。該結(jié)論適用范圍有限，特別是特別是X80高鋼級(jí)管線鋼管徑厚比更高，焊接時(shí)管道溫度均高于1000℃。該方法對(duì)于小管徑管道判定燒穿較為適宜。

3.2 氫致裂紋

氫致裂紋危害性在于降低管道機(jī)械承壓性能，造成管道延遲失效，具有不可預(yù)見(jiàn)性?；痉椒ㄊ鞘褂玫蜌浜笚l，焊接前徹底清理雜質(zhì)、水分和油漬。在役管道焊接易形成較硬的焊接熱影響區(qū)，這類(lèi)區(qū)域?qū)渲铝鸭y比較敏感。特別是X65以上管線鋼管形成淬硬熱影響區(qū)可能性更大，一般將熱影響區(qū)硬度作為管道氫致裂紋失效的評(píng)價(jià)指標(biāo)，API Std1104規(guī)定是在役管道焊接硬度不應(yīng)超過(guò)HV350。通過(guò)對(duì)焊縫金屬和熱影響區(qū)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，可以預(yù)測(cè)是否有氫致裂紋傾向。

4 在役管道焊接工藝評(píng)定

針對(duì)影響在役管道焊接質(zhì)量的因素，氫致裂紋與流速有關(guān)，與壓力無(wú)關(guān)；管壁燒穿與壓力有關(guān)，與流速無(wú)關(guān)。管道在線焊接工藝評(píng)定應(yīng)分別考慮管壁燒穿和氫致裂紋因素。API Std 1104規(guī)定了推薦采用模擬試驗(yàn)方法，并指出用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬不能替代焊接工藝評(píng)定；焊接試驗(yàn)條件應(yīng)與管道運(yùn)行條件相同（保證帶壓和一定流速）。在役管道焊接工藝評(píng)定方法分為一階段和兩階段模式。

一階段模擬指完全模擬管道壓力和流速，搭建管道回路，配備電機(jī)和大功率泵?；蛘咴谶\(yùn)行管道跨接試驗(yàn)管段，使用截?cái)嚅y控制開(kāi)閉，焊接結(jié)束后測(cè)試焊接接頭力學(xué)性能。該方法可以真實(shí)反映在役管道焊接條件，但費(fèi)用很高，連接試驗(yàn)管段對(duì)管道運(yùn)行造成風(fēng)險(xiǎn)等。

文獻(xiàn)[2]采用兩階段模擬試驗(yàn)法，以蘭成渝管道為例，研究了管道在線焊接修復(fù)與搶修方法，包括管道上焊接套管、支管和三通等部件，其中動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)M管道有流量下的焊接，靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)M管道帶壓情況下的焊接，分別驗(yàn)證影響管道焊接質(zhì)量的氫致裂紋問(wèn)題和管壁燒穿問(wèn)題。該方法減少了在實(shí)際運(yùn)行管道開(kāi)展焊接試驗(yàn)的不安全因素和風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了建設(shè)模擬管道及設(shè)施的費(fèi)用，證明兩階段模擬法適用于液體管道在線焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

以我國(guó)運(yùn)行超過(guò)30年的東北管網(wǎng)補(bǔ)焊、補(bǔ)板搶修焊接工藝試驗(yàn)為例，鋼級(jí)16Mn，管徑720×8.9mm，輸送介質(zhì)為原油，最高運(yùn)行壓力為4.5MPa，在線焊接時(shí)壓力降至2MPa以下，流速1-2.15m/s。通過(guò)控制焊接工藝參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在役管道焊接質(zhì)量及安全是可以保證的，主要結(jié)論如下：

（1）在低流速和低運(yùn)行壓力情況下，可以不考慮流速和壓力對(duì)燒穿和硬度的影響。

（2）對(duì)于點(diǎn)腐蝕坑堆焊，采用直徑3.2mm的低氫焊條，采用焊接工藝參數(shù)（焊接電流105A），持續(xù)焊接時(shí)間不超過(guò)60s，允許焊接腐蝕坑管材的最小剩余厚度為4.9mm。如一次未完成堆焊，需要繼續(xù)填補(bǔ)焊接，等待焊縫金屬冷卻至150℃以下并清除焊渣后進(jìn)行。

（3）盡量采用較小焊接線能量、多層多道焊接。焊接應(yīng)從腐蝕坑或腐蝕面的邊緣開(kāi)始焊接，形成圓形或橢圓形焊道，并逐層向中心推移，最后焊接腐蝕坑或腐蝕面的中心部位。每道圓形或橢圓形焊道的起弧點(diǎn)不應(yīng)在同一位置。

（4）相鄰點(diǎn)腐蝕坑以及點(diǎn)腐蝕坑與環(huán)焊縫的最小距離為21mm。

（5）對(duì)于面腐蝕坑進(jìn)行多道堆焊焊接，采用焊接工藝參數(shù)（焊接電流小于105A），允許焊接腐蝕坑管材的最小剩余厚度為4.9mm。每條焊道層間溫度應(yīng)低于150℃，且每層焊道的焊接熔渣清除干凈。

（6）試驗(yàn)結(jié)果表明，在立焊位置發(fā)生燒穿的可能性相對(duì)其他位置較大，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱量輸入。

（7）采用補(bǔ)弧板進(jìn)行腐蝕坑補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)板間最小距離、補(bǔ)板與環(huán)焊縫的距離不小于3倍壁厚且大于20mm?？紤]實(shí)際誤差和便于操作，推薦補(bǔ)板間最小距離、補(bǔ)板與環(huán)焊縫的距離不小于100mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

在役管道焊接是管道維搶修技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為降低管道燒穿和氫致裂紋失效，應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外在役管道焊接研究成果制定科學(xué)合理的焊接參數(shù)，輔以嚴(yán)密的過(guò)程監(jiān)控和焊縫檢測(cè)技術(shù)，保證焊縫質(zhì)量安全可靠。生產(chǎn)實(shí)踐證明，在役管道焊接存在不可預(yù)見(jiàn)因素和操作人員技能差異影響，除進(jìn)一步研究高鋼級(jí)管道焊接工藝技術(shù)外，還應(yīng)探索建立在役管道焊接安全管理體系，確保焊接組織、物資、技術(shù)、監(jiān)督等全過(guò)程可控。