徐蔥蔥，姚學軍

中國石油管道科技研究中心 （河北 廊坊 065000）

隨著國內(nèi)天然氣需求量的快速增加，天然氣管道里程增長迅速，在滿足天然氣消費的同時，也給經(jīng)濟和社會帶來了諸多安全隱患。首先，隨著管線鋼技術不斷進步，采用X70、X80等高強鋼輸送天然氣的技術應用越來越多，如在中俄東線天然氣管道工程中采用X80鋼級、30.8 mm壁厚、1 422 mm大口徑的管道進行高壓（12 MPa）輸送，在有效增加天然氣輸送量的同時，也給管道搶修帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。其次，隨著天然氣管道延伸范圍的擴大，部分惡劣復雜環(huán)境如沼澤、冰雪地區(qū)等也給管道的搶修帶來了不利影響，常規(guī)的作業(yè)方法無法保證搶修質(zhì)量，對搶修設備性能及作業(yè)技術提出了更高的要求[2-3]。俄羅斯在高寒等特殊地區(qū)高鋼級、大口徑、高壁厚管道搶修方面積累了豐富的經(jīng)驗，形成了一系列較為完善的技術標準。針對特殊環(huán)境下的高鋼級、大口徑、高壁厚天然氣管道搶修的關鍵技術點，對比分析國內(nèi)和俄羅斯天然氣管道搶修標準差異，為我國天然氣管道搶修提供借鑒。

1　影響因素

外部環(huán)境方面，沼澤、冰雪等特殊地區(qū)會給搶修設備進場、作業(yè)施工等帶來不便；高寒地區(qū)由于溫度較低對熱作業(yè)要求更嚴格。管道本體方面，高強鋼管道在硬度、強度、熔點以及氧化性等方面區(qū)別于常規(guī)管材，管道材料性能對切割、焊接等會產(chǎn)生影響。外部環(huán)境和管道本體對搶修的具體影響因素見表1[4]。目前天然氣管道應用的X80級管線鋼碳含量已降至0.03%以下，隨著碳含量降低，鋼的熔點升高，而微量合金元素的加入使得鋼的硬度和強度增加，常規(guī)切割工藝和設備難以切割[5]。另外，鋼級越高氧化性越強，在熱切割時容易產(chǎn)生淬硬層，會對管端坡口焊接性能產(chǎn)生影響，需采取防護措施并進行后續(xù)處理。同時高鋼級管道壁厚和口徑的增大也會對搶修工藝和設備提出更高要求，當管壁較厚時容易產(chǎn)生焊不透和開裂的現(xiàn)象[6-7]。

2　關鍵點分析

基于管道服役環(huán)境以及管道自身特性對管道搶修性能的影響分析，通過對比分析中國和俄羅斯標準中關于天然氣管道搶修的關鍵點，給出差異性分析，提出我國標準改進的建議。

2.1　特殊地區(qū)

2.1.1雪地進場

俄羅斯標準ВСН51-1-97《干線天然氣管道大修施工規(guī)程》規(guī)定冬季積雪道路可采用汽車或施工機械對積雪進行壓實來修筑便道。國內(nèi)某管道公司規(guī)定將道路積雪用壓路機整平、壓實，并澆水凍結(jié)，使之形成堅硬、可靠的便道底基層，為增加冰雪便道路面的摩擦力，可在表面灑一些砂礫石土。

俄羅斯和國內(nèi)都采用積雪壓實的方式修筑冰雪便道，規(guī)定基本一致。

2.1.2沼澤、濕地作業(yè)帶修筑

俄羅斯標準ВСН51-1-97《干線天然氣管道大修施工規(guī)程》規(guī)定在沼澤地的管溝開挖宜在冬季進行，凍層的厚度應滿足挖掘機的作業(yè)要求。國內(nèi)某管道公司規(guī)定沼澤、濕地地段施工宜在寒季進行，作業(yè)帶墊層的制作應優(yōu)先考慮修筑冰雪覆蓋層。為保證挖掘機作業(yè)安全，國內(nèi)外均對凍層承載能力進行計算，見表2。

針對高寒地區(qū)的沼澤地管道搶修，中俄均優(yōu)先采用冬季修筑冰雪覆蓋層的方式制作施工作業(yè)帶。但國內(nèi)外關于凍層承載能力的計算公式不一致，俄羅斯標準規(guī)定更為詳細，基于機械類型、沼澤類型、機械重量和溫度，提出了安全作業(yè)的凍層厚度，實用性更強，建議國內(nèi)參考完善相關標準。

表1　管道搶修影響因素

2.2　切割

高鋼級、大口徑、高壁厚管道的應用對切割技術和設備提出了更高的要求，在管道搶修時切割工具需要滿足切割能力、切割速率以及安全要求。俄羅斯標準РД558-97《天然氣管道修理恢復作業(yè)的焊管工藝指導性文件》規(guī)定了火焰切割、等離子切割、聚能爆破切割和冷切割幾種方式；РД153-112-014-97《油產(chǎn)品干線輸送管道事故和故障處理規(guī)程》規(guī)定可使用冷切割和火焰切割，但火焰切割需滿足管道已完全排空。國內(nèi)SY/T 6649—2006《原油、液化石油氣及成品油管道維修推薦作法》規(guī)定如果要切割密閉管道，必須使用機械切割，當管道內(nèi)無可燃介質(zhì)時，也可使用火焰切割；另外，國內(nèi)管道企業(yè)也規(guī)定了機械切割、水射流切割、火焰切割幾種切割方式。國內(nèi)外管道切割方法基本一致，包括機械切割、火焰切割、等離子切割、爆破切割以及水射流切割等，下面具體分析切割影響因素。

2.2.1切割前處理

管道表面的油污、浮銹等雜質(zhì)會影響切割設備性能和坡口質(zhì)量，在切割前需要清理管道表面雜質(zhì)。俄羅斯標準РД558-97規(guī)定管道50～100 mm的需切割區(qū)段應當采用機械或手工鋼絲刷沿周長仔細清理，在表面上不應有薄瀝青層、絕緣層痕跡、氧化皮、油污。國內(nèi)某管道公司規(guī)定應清除被切管道表面上的泥土及其他臟污。國內(nèi)外都規(guī)定對切割處的管道進行清理，建議完善國內(nèi)相關標準，對管道表面清理給出具體要求，并針對大口徑管道可適當增加清理的寬度。

表2　中俄凍層承載公式

2.2.2切割預熱

管道熱切割時，鋼級越高、環(huán)境溫度越低，則管道淬硬傾向越強，應采取措施減小管道淬硬層。РД558-97規(guī)定火焰切割時，在-30℃（采用乙炔）以及-40℃（采用丙烷），碳當量CE＞0.41%條件下，厚度大于20 mm管道的機械切割應當在預熱到50～100℃的情況下進行，以避免坡口金屬的硬化。國內(nèi)SH/T 3517—2013《石油化工鋼制管道工程施工技術規(guī)程》規(guī)定有淬硬傾向的管子宜用機械方法切割。國內(nèi)優(yōu)先選用機械切割減少淬硬層，未對熱切割提出相關措施。建議國內(nèi)借鑒俄羅斯標準做法，對低溫環(huán)境下高壁厚、高鋼級管道的熱切割補充預熱措施。

2.3　焊接

2.3.1焊接預熱

高寒地區(qū)的高鋼級、大口徑、高壁厚管道焊接對預熱設備提出了更高要求。俄羅斯СНИПIII-42-80《管道施工》規(guī)定環(huán)境溫度低于0℃，壁厚大于17 mm的鋼管應使用感應加熱器進行焊前預熱。國內(nèi)SY/T 7033—2016《鋼質(zhì)油氣管道失效搶修技術規(guī)范》規(guī)定X70及以上高強度材質(zhì)的管道，宜采用中頻加熱，或火焰加熱和中頻加熱相結(jié)合的形式。SY/T 4125—2013《鋼制管道焊接規(guī)程》規(guī)定當環(huán)境溫度低于-10℃時，不應使用火焰加熱器進行預熱，鋼管壁厚大于20 mm時，宜采用中頻感應加熱方法。

國內(nèi)外常用的焊接預熱方法有火焰加熱（氧-乙炔、液化石油氣等）和電加熱（電阻加熱、中頻感應加熱等）[8]?；鹧婕訜峋哂谐杀镜汀⒃O備簡易的優(yōu)點，但火焰加熱為局部加熱，難以達到較高的預熱溫度，加熱管道厚度一般不超過20 mm，且火焰燃燒狀況控制不當會造成金屬的氧化或增碳。電加熱適用于局部、整體大面積預熱，加熱管件厚度可達30 mm，具有加熱溫度高、加熱快、功率可調(diào)、設備安裝和操作簡便等優(yōu)點。為保證高寒區(qū)、大尺寸管線的預熱溫度和預熱效率，國內(nèi)一般采用中頻加熱或中頻加熱和火焰加熱結(jié)合的方式，基本滿足國內(nèi)生產(chǎn)需求。

2.3.2預熱溫度

為保證高鋼級、高壁厚管道的焊接性能，防止焊縫開裂，管道焊接前需要預熱到工藝規(guī)程規(guī)定的溫度[9]。РД558-97《天然氣管道修理恢復作業(yè)的焊管工藝指導性文件》規(guī)定預熱溫度應根據(jù)壁厚、碳當量、環(huán)境溫度確定（表3）。環(huán)境溫度越低、壁厚越大、碳當量越高，則預熱溫度越高，并且要求預熱溫度不超過200℃，以避免金屬晶體組織發(fā)生變化。

表3　堿性焊條焊接時預熱溫度

國內(nèi)某管道公司規(guī)定X80鋼管焊接的預熱溫度應為100～200℃。返修焊接時，預熱溫度應為150～200℃。

預熱可以減緩焊后的冷卻速度，降低焊接應力，國內(nèi)外均采取相應預熱措施。但對比中俄標準發(fā)現(xiàn)，俄羅斯標準針對不同壁厚、碳當量、環(huán)境溫度的管道規(guī)定了預熱溫度，規(guī)定更具體，國內(nèi)可參考完善相關標準。

3　結(jié)論

國內(nèi)搶修標準通過采標和自主制定，基本涵蓋了管道各種失效形式下的搶修方法。但部分標準仍存在不足，如缺少高鋼級、大口徑、高壁厚管道搶修的內(nèi)容，缺少特殊地區(qū)下管道適用的搶修設備和技術。在國內(nèi)外對比分析的基礎上，針對目前存在的問題，提出幾點建議：

1）針對現(xiàn)有搶修標準，明確適用的管徑、鋼級、壓力等；基于國內(nèi)外標準對標和研究，補充高鋼級、大口徑、高壁厚管道切割、焊接等內(nèi)容。

2）借鑒國外研究成果，開展高鋼級管道搶修焊接工藝評定，制定相關規(guī)程，為國內(nèi)高鋼級管道搶修提供技術支持。

3）加強特殊環(huán)境下?lián)屝尬镔Y設備的開發(fā)和配備，保證油氣管道搶修的高效、安全，為油氣管道事故搶修提供硬件支持。

4）針對特殊地域環(huán)境，研究設備進場、作業(yè)帶修筑等新的作業(yè)工藝，并將相關研究成果補充到標準中，提供作業(yè)參考。

參考文獻：

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[7]張展展.X80管線鋼焊接特性研究[D].鄭州:鄭州大學,2013.

[8]劉 波.高強鋼同步預熱焊接方法的研究[D].南京:河海大學,2006.

[9]劉立雄,姚學軍,劉 冰,等.油氣管道在線焊接質(zhì)量影響因素分析[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,2015,31(12):15-18.