江濤

中國石化皖能天然氣有限公司（安徽 合肥 250101）

0 引言

天然氣長輸管道跨越不同地區(qū)，面臨的環(huán)境通常較為復雜，陰極保護和外防腐涂層聯(lián)合防護是天然氣長輸管道防腐蝕的重要手段[1]。外防腐涂層作為管道保護的第一層屏障，在防腐層老化、土壤應力及管道在土壤中的移動易產(chǎn)生漏點，導致管道發(fā)生點蝕穿孔，通過陰極保護可使管線表面暴露的每一點都有電流流入，從而降低腐蝕速率。長輸管道沿途場站、閥室等均存在不能納入陰極保護的金屬設備或構筑物，為避免陰極保護電流流入此類金屬設備或構筑物而降低陰保效果，需要在被保護管道和不應受保護的金屬體之間設置絕緣裝置[2]。20世紀60年代開始，長輸管道一般采用絕緣法蘭作為絕緣裝置，但絕緣法蘭在組裝過程中通常由散件組裝而成，在出廠運輸或安裝過程、投產(chǎn)運行中易發(fā)生震動導致泄漏[3]。20 世紀90 年代初，絕緣接頭開始代替絕緣法蘭[4]，絕緣接頭一般為焊接端整體結構，在絕緣接頭的上下管對接端面間夾有絕緣件和密封件的雙密封結構，具有整體性強、絕緣及密封性好等優(yōu)點，目前大多數(shù)長輸管道采用絕緣接頭，達到防止陰極保護電流的漏失和管段與管段之間干擾腐蝕的效果[5]。

因此，絕緣接頭作為陰極保護系統(tǒng)的重要附屬設施[6]，其完好性嚴重影響陰極保護系統(tǒng)的有效性，對管道的安全運行起著重要作用。本文以某天然氣管道工程項目為背景，就絕緣接頭安裝過程中易發(fā)生的質量問題進行全面、系統(tǒng)地分析，并針對提高絕緣接頭安裝質量給出了合理化建議，可為絕緣接頭在天然氣長輸管道建設中的安裝提供寶貴經(jīng)驗，具有重要的工程及現(xiàn)實意義。

1 絕緣接頭簡介

1.1 結構組成

絕緣接頭包括一對鋼制凸緣法蘭、密封件、固定套、法蘭與固定套間的絕緣環(huán)及法蘭間的絕緣環(huán)、絕緣填料及與法蘭小端分別焊接的一對鋼制短管，是對同時具有埋地鋼制管道要求的密封性能、電化學防腐蝕和強度性能及耐擊穿性能所要求的電絕緣性能管道接頭的統(tǒng)稱[7]。在絕緣接頭的左、右凸緣法蘭與保護套之間，填有絕緣密封件和絕緣填料，形成具有絕緣性能的密封結構。固定套采用焊接形式，將左、右凸緣法蘭、絕緣件等牢固密封，形成“密封容器”，不僅能保證良好的絕緣性和密封性，也可提高其承壓能力[8]。絕緣接頭結構示意圖如圖1所示。

圖1 絕緣接頭結構示意圖

1.2 全生命周期流程

絕緣接頭從設計開始至最終使用、維護的全生命周期流程如圖2所示。

圖2 絕緣接頭全生命周期流程圖

2 常見質量問題

2.1 研究背景

某天然氣管道工程項目于2021 年6 月開工建設，有效工期12 個月，全線共安裝20 個絕緣接頭。項目前期因面臨地質復雜、臺風、高溫、物資供應、疫情防控等問題，實際工程進度較施工計劃滯后45天，因此絕緣接頭安裝完成后若不合格返工，勢必會影響項目按期完工投產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟損失。為保證該工程所有絕緣接頭安裝一次合格，確保項目按期完工投產(chǎn)，通過調(diào)研3 個施工標段在以往項目中絕緣接頭失效問題發(fā)生的原因，結合該項目實際，提前制定對策。

首先收集所轄施工隊伍近3 年以來在長輸管道項目建設過程中絕緣接頭安裝情況，統(tǒng)計結果見表1。

表1 近3年施工標段施工隊伍絕緣接頭安裝情況統(tǒng)計

2.2 質量問題

為進一步查找絕緣接頭安裝后失效原因，對20 個絕緣接頭失效情況進行分類統(tǒng)計，統(tǒng)計結果見表2。

表2 絕緣接頭失效情況統(tǒng)計表

結果顯示，導致絕緣接頭失效的形式主要有：電絕緣性失效、密封性失效及強度失效等[9]。

2.3 失效危害

長輸管道線路及場站金屬設備間的絕緣失效，將會導致陰極保護電流沿金屬導體流到不應受保護的管道、金屬設施設備或大地，導致流入被保護管道效率降低，對附近構筑物產(chǎn)生干擾，降低輔助陽極壽命，增加后期使用維護費用等[10]。

3 失效原因分析

3.1 勘察設計原因

1）設計壓力計算錯誤，以往項目設計只考慮內(nèi)壓、液體靜壓力，未考慮連接管道膨脹或收縮時引起的軸向力和彎矩組合，未考慮腐蝕裕量等導致安全裕度降低問題。

2）設計深度不足，設計文件及技術協(xié)議中只規(guī)定絕緣接頭的結構、材料及需要滿足的性能，使得廠家在制造過程中直接采用其他項目的設計圖紙，造成設計缺陷[11]。

3）勘察深度不足，導致絕緣接頭安裝環(huán)境不符合要求。排查失效絕緣接頭發(fā)現(xiàn)，個別絕緣接頭安裝部位水位較高或處于酸堿環(huán)境，導致絕緣接頭安裝部位水位及土質酸堿度不符合規(guī)范要求；個別絕緣接頭安裝位置處于陡坡地段，絕緣接頭安裝過程中產(chǎn)生應力集中；個別絕緣接頭安裝位置附近干擾大，絕緣接頭安裝部位前后100 m 范圍內(nèi)存在高壓塔、變電站等高壓干擾，產(chǎn)生電涌干擾。

3.2 制造過程原因

3.2.1 原材料方面

1）絕緣接頭中選取金屬材料材質錯誤，未考慮現(xiàn)場具體所處的工況操作條件及環(huán)境氣候條件。

2）絕緣件、絕緣填料、絕緣環(huán)等密封件使用前未進行復檢，使用不符合標準的劣質材料代替。

3）鋼制短管采用相似材質但屈服強度等力學性采用能不適配的鋼級短管代替。

4）絕緣接頭焊接、防腐材料使用前未進行復檢，材料失效后仍繼續(xù)使用[12]。

3.2.2 組裝過程

1）密封圈與密封槽尺寸不配合，過大或過小都會導致滲漏。

2）鋼套管與凸緣法蘭、凸緣法蘭與鋼制短管之間焊接時未制定適用的焊接工藝規(guī)程或者未嚴格執(zhí)行焊接工藝施焊，焊接過程中焊接電流過大導致焊接溫度過高，焊后對焊縫外觀尺寸把關不嚴，未按規(guī)定進行無損檢測評定[13]?；蛘吆附舆^程中產(chǎn)生應力后未采取局部退火并進行消應力熱處理。

3）表面處理不到位，返銹或噴砂除銹后表面灰塵度較大，導致除銹不徹底，涂裝過程中未按工藝規(guī)程涂刷底漆、面漆等，使得絕緣接頭防腐效果不好，嚴重時存在漏點。

4）絕緣填料充填順序錯誤，選在強度試驗、嚴密性試驗、水壓加彎矩試驗及疲勞性試驗等之前，造成填料因變形而被破壞。

3.2.3 出廠試驗

1）因供貨工期或供貨廠家檢測設備不符合標準要求等問題導致未開展出廠試驗或出廠檢試驗結果不準確。

2）水壓壓力試驗、嚴密性試驗、水壓加彎矩試驗、水壓循環(huán)試驗未按規(guī)定時間要求試壓，組裝完成后立即開展試壓或者試壓過程中低于保壓時間，導致一些延遲性缺陷未暴露；另外試壓用水不符合要求，采用氯離子超標的非潔凈用水，試壓結束后未徹底排水或排水后未用熱空氣將絕緣接頭內(nèi)外部吹干，導致氯離子殘留后發(fā)生點蝕。

3）絕緣電阻測試、電絕緣強度試驗未按規(guī)范要求測試，或檢測設備失效，導致絕緣電阻及強度測試值不準確。

4）絕緣接頭包敷熱收縮套前對涂層缺陷處理不當，未對缺陷處進行清理、打磨重新涂覆而是直接涂覆，且未對內(nèi)外涂層開展黏結力測試，包敷后未開展電火花檢漏及時發(fā)現(xiàn)漏點[15]。

3.3 運輸原因

1）運輸過程中采用木箱包裝，但未將產(chǎn)品牢固固定，運輸過程中導致涂層損壞。

2）到達現(xiàn)場進行吊裝過程中野蠻施工，導致絕緣接頭承受較大外力產(chǎn)生變形。

3）施工過程中未采取保護措施，導致雨水、大氣及其他介質進入內(nèi)部產(chǎn)生腐蝕。

3.4 施工原因

3.4.1 人員技術

將10株單株小麥割下，運用三點彎法，在YYD-1莖稈強度測定儀上進行實驗，換算出單株小麥的彈性模量，具體實驗過程在此不再闡述。

1）施工單位和監(jiān)理單位工程質量管理獎懲辦法中條例不清晰，崗位責任不明確，班組部分人員責任心差，對絕緣接頭保護不夠，運輸時未保護、安裝時強力組對、焊接預熱溫度過高等情況導致絕緣接頭受到損傷而失效。

2）絕緣接頭安裝施工沒有單獨編制施工方案，僅僅在施工組織設計內(nèi)有簡單描述，不能更好地指導現(xiàn)場施工，也沒有單獨對絕緣接頭安裝進行交底，導致施工過程中施工人員不清楚絕緣接頭的保護要求，野蠻施工導致絕緣接頭損傷。

3）技能培訓缺失，個別質監(jiān)人員不能熟練掌握儀表使用方法，不會使用儀表對絕緣接頭進行測試，不熟悉絕緣接頭驗收要點[16]。

3.4.2 材料機具

通過核查絕緣接頭隨機資料，包含短管、左右凸面法蘭、勾圈、密封件、絕緣填料、內(nèi)涂層等質量證明文件，發(fā)現(xiàn)個別原材料雖符合設計技術規(guī)格書及規(guī)范要求，但證明資料內(nèi)容不全。核查施工單位萬用表的準確性及有效性時，發(fā)現(xiàn)個別機組檢測儀器在使用過程中檢測性能較差，出現(xiàn)誤差幾率大，檢測準確性差。

3.4.3 施工方法

通過現(xiàn)場排查，重點發(fā)現(xiàn)以下工藝不符合規(guī)范要求，易導致絕緣接頭安裝后不合格：

1）缺少固定支墩，絕緣接頭兩端無固定支墩限位，或者固定支墩距離絕緣接頭超過20 m，不能夠有效降低絕緣接頭受到的管道應力損傷。

2）絕緣接頭安裝位置距離彎頭較近，絕緣接頭與彎頭距離應大于50 m，但經(jīng)現(xiàn)場核實發(fā)現(xiàn)，個別絕緣接頭安裝位置距離彎頭不足50 m，導致絕緣接頭未安裝在直管段。

3）支墩長期未施工也未采取臨時支撐。經(jīng)核查，絕緣接頭安裝后無臨時支墩，或存在臨時支墩但臨時支墩未坐落在老土層，下雨等情況導致沉降，使得絕緣接頭內(nèi)部損傷，影響絕緣接頭安裝質量。

4）支墩基礎未坐落在老土層，且支墩基礎有傾斜，沉降不一致等造成絕緣接頭損傷。

5）個別施工單位絕緣接頭安裝在線路清管前或者參與整體分段吹掃，清管或吹掃過程中對管道內(nèi)防腐層造成損傷[17]。

4 質量控制措施

4.1 提高設計及制造質量

1）要加強設計深度，設計文件及技術協(xié)議書中應對每個部件材質、安裝過程、檢試驗方法等提出明確的設計要求及驗收要求。對于供貨商設計文件進行審查把關，確定無誤后再制造。

2）保證設計圖紙與技術協(xié)議的一致性，當技術協(xié)議需要增設特殊條款時應及時與供貨商和監(jiān)造單位書面溝通，避免因溝通不暢導致產(chǎn)品與設計不符。

3）加大勘察深度，避免絕緣接頭設置于高壓塔、變電站等受高壓干擾區(qū)域及水位豐富及陡坡地段。

4）安裝過程中做好原材料復檢及驗收工作，組裝過程中嚴格按照規(guī)范及技術協(xié)議要求進行并驗收，尤其注意制造過程中密封圈和槽的適配性，焊接、防腐及填料澆筑等關鍵工序質量控制，組裝結束后按照要求進行出廠試驗及型式試驗，試驗合格方可出廠，運輸過程中應加強固定與防潮、防濕防護。

4.2 建立監(jiān)管機制

針對絕緣接頭制造及現(xiàn)場施工安裝過程中存在的問題，建立“制造過程監(jiān)造單位旁站+安裝過程：施工單位內(nèi)部自檢+監(jiān)理單位旁站、平檢加巡檢+業(yè)主單位重點抽檢+質量監(jiān)督組綜合監(jiān)督”的“全方位、全過程、全員化”的質量管控模式。監(jiān)造單位要適時評價供貨商質量體系是否平穩(wěn)運行，對制造過程中原材料驗收、組件機加工及組合安裝、出廠檢試驗采取全程旁站監(jiān)督、驗收；施工過程中，施工監(jiān)管機構通過合理安排現(xiàn)場檢查，采取現(xiàn)場隨機檢查安裝人員是否報審、設備機具是否報驗、絕緣接頭隨機資料及進場驗收記錄是否齊全、施工記錄是否規(guī)范準確、隨機提問現(xiàn)場管理及操作人員安裝要點等方式，督促施工隊伍嚴格按照施工規(guī)范施工。施工過程中施工單位專職質檢人員應進行巡回檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時整改，監(jiān)理旁站及業(yè)主單位發(fā)現(xiàn)問題后及時要求立行立改，不留任何隱患。

4.3 嚴把人員進場關

1）嚴格報審制度，首先監(jiān)造人員應具備完備的專業(yè)知識及資質，經(jīng)報審業(yè)主同意后進場；其次絕緣接頭安裝隊伍必須嚴格按照人員報審制度，經(jīng)施工單位、監(jiān)理審核后，方可進入施工現(xiàn)場進行安裝作業(yè)。對于未報審而私自監(jiān)造和施工的人員，處以罰款并辭退。

2）由設計單位對監(jiān)造單位開展技術交底，監(jiān)造單位編制《絕緣接頭監(jiān)造大綱》，明確監(jiān)造要點，同步記錄監(jiān)造日志，準確記錄監(jiān)造過程中發(fā)現(xiàn)的問題并及時通知業(yè)主；施工單位編制《絕緣接頭專項施工方案》，明確絕緣接頭在檢驗、運輸、安裝、使用及維護方面的要點。方案經(jīng)施工單位自審、監(jiān)理審核、業(yè)主審核批準實施，絕緣接頭安裝前，由技術員對工人進行技術交底和安全交底[18]。

3）培訓和交底完成后，對施工人員進行理論及現(xiàn)場隨機提問考試，考試內(nèi)容源自設計文件、施工及驗收規(guī)范、施工方案，考試內(nèi)容能夠覆蓋主要施工操作、技術、質量施工及驗收要求，通過培訓及考核合格的人員方能進場施工。新增工人上崗前，必須經(jīng)過專業(yè)技術培訓，培訓合格后方可允許施工。

4.4 制定獎懲分明的考核制度

針對現(xiàn)場安裝過程中出現(xiàn)的問題，為完善考核制度，引入“樣板引路”，開展技術比武活動。提前對絕緣接頭安裝人員開展理論知識和操作實戰(zhàn)考核，對考核優(yōu)秀的隊伍進行獎勵，對不合格隊伍進行處罰。針對標段內(nèi)首個絕緣接頭安裝，開展“首件樣板制”，組織其余單位技術人員參與首件樣板全過程及結果驗收，制作施工過程影像資料，利用智能化管控平臺向全線操作人員進行展放，達到樣品促精品的效果[19]；適時舉行技術比武活動，營造“比、學、趕、幫、超”的良好氛圍，提高人員的技術水平以及工作積極性。

4.5 加強施工關鍵點及重要過程質量管控

1）通過核查材料質量證明文件、組裝記錄及出廠試驗、型式試驗及駐場監(jiān)造日志等，排查絕緣接頭是否存在材料缺陷、組裝缺陷、廠家是否有遺漏試驗項目等，確保絕緣接頭進場時符合技術規(guī)定及規(guī)范要求。

2）裝卸過程中，應使用吊車裝卸、平穩(wěn)輕放，嚴禁使用挖掘機裝卸，安裝前仔細審核設計文件，確保絕緣接頭兩端有固定支墩限位，防止運行損傷。

3）檢查施工環(huán)境，確保絕緣接頭安裝部位的水位不會淹沒，酸堿度符合要求，核查絕緣接頭與彎頭距離大于50 m，安裝于平直部位，避免安裝于高壓線、變電站附近。

4）線路清管前安裝絕緣接頭時，管道使用皮碗清管器進行清管，確保不對管道內(nèi)防腐層造成損傷。

5）確保支墩基礎開挖至老土層[20]。將基槽驗收設置為A 級質量控制點，加強過程質量管控。在支墩基礎基槽開挖時，清除表層虛土、軟土直達堅實地層；遇到地基基礎不滿足要求的地段，經(jīng)設計驗槽采取換填、澆筑墊層等措施，使得支墩能夠坐落在堅實基礎上。

6）絕緣接頭安裝后增加臨時支撐，如圖3 所示。要求絕緣接頭安裝施工班組在完成焊接后，對絕緣接頭進行臨時支撐。清除下方濕軟土質至堅實土層，平整完成后加裝弧板形狀的支撐，弧板下邊使用Φ60 無縫鋼管和1 cm 厚度20 cm×20 cm 鋼墊板，弧板、無縫鋼管、鋼墊板之間采用焊接，組合支撐靠近地面使用20 cm 厚度的墊板，墊板尺寸0.5 m×0.5 m，并對支撐部位遮蓋防雨，避免支撐地面濕軟下沉。

圖3 臨時支撐示意圖

5 結論

通過采取以上措施后，該天然氣管道工程3個施工標段一次性完成全部絕緣接頭安裝，通過對所有安裝絕緣接頭進行現(xiàn)場測試后，發(fā)現(xiàn)所有絕緣接頭安裝均合格，絕緣接頭安裝一次合格率由原來的88.8%提高至100%。進一步說明，只有加強設計源頭控制，在絕緣接頭制造及安裝過程中嚴格把控人員、機具、材料關，因地制宜確定并落實好施工工藝，才能提高絕緣接頭的安裝質量，確保絕緣接頭能夠有效發(fā)揮作用，有效延長管道使用壽命。