油氣管道用高強鋼在線切割技術(shù)國內(nèi)外對比分析

徐蔥蔥，姚學(xué)軍，馬江濤，譚笑

油氣管道用高強鋼在線切割技術(shù)國內(nèi)外對比分析

徐蔥蔥，姚學(xué)軍，馬江濤，譚笑

中國石油管道科技研究中心（河北廊坊065000）

隨著油氣管道的快速發(fā)展，高強鋼、大口徑、高壁厚管道越來越多地應(yīng)用于油氣管道輸送系統(tǒng)，在極大地提高了管道運輸能力的同時，對油氣管道搶修切割也提出了更高的要求。在切割大尺寸、高鋼級管道時，常規(guī)的一些切割方法具有切割速度慢、適用管徑小等缺點，已難以滿足需求?；趪鴥?nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析的基礎(chǔ)上，通過對比分析機械切割、火焰切割、等離子切割以及聚能爆破切割等切割技術(shù)的特點，研究滿足高強鋼、大口徑、高壁厚管道的切割技術(shù)，并分析在線切割的影響因素，提出具體的建議。

在線切割；油氣管道；搶修；高強鋼

隨著我國油氣管道里程的快速發(fā)展和管道老齡化的增加，管道事故時有發(fā)生。常見的管道失效形式包括開裂、斷裂、變形、腐蝕、缺陷等。常規(guī)有效的修復(fù)方法為換管，而油氣管道在線切割技術(shù)在管道換管作業(yè)時必不可少，對保障油氣輸送、降低事故損失、提高搶修安全性具有重要意義。目前國內(nèi)在改造、換管等作業(yè)中常用的切割技術(shù)有手動切割、電動爬管機切割、分瓣式切割和火焰切割等。但隨著油氣管道大修、搶修等作業(yè)工作量和難度不斷增大，以及高強鋼、大口徑、高壁厚的管線越來越多的應(yīng)用于油氣輸送，現(xiàn)有切割技術(shù)難以滿足需求。為提高管道切割安全性和切割速度，保證切割質(zhì)量，通過對比研究國內(nèi)外常用切割技術(shù)，分析對于高強鋼、大口徑管道的適用性，為我國油氣管道在線切割提供技術(shù)支持[1]。

1 國內(nèi)外管道切割工藝

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對于油氣管道在線切割均進行了規(guī)定（表1）。在線切割時國內(nèi)外均優(yōu)先選用冷切割方式，具有安全性高、操作方便等優(yōu)點。另外，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)具體情況選用機械切割、火焰切割、等離子切割以及聚能爆破切割等；API中規(guī)定了機械切割和火焰切割；國內(nèi)則規(guī)定了機械切割、火焰切割、水射流切割幾種切割方式，國內(nèi)外切割方法差異不大。通過對比分析高強鋼對切割性能的影響以及具體的切割技術(shù)，明確適用于高強鋼、大口徑、高壁厚管道的切割技術(shù)[2-3]。

2 高強鋼對切割性能的影響

高強鋼管道在硬度、韌性、熔點以及氧化性等方面區(qū)別于常用的管材，管道材料性能對熱切割和冷切割性能會產(chǎn)生影響（表2）。目前，天然氣管道應(yīng)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、燃點降低?；鹧媲懈钍墙饘僭诩冄踔械娜紵^程，因而與燃點有關(guān)，且適當(dāng)加大預(yù)熱火焰功率能減少切口淬硬。等離子切割是利用高溫等離子電弧使得切口處的金屬局部熔化，與熔點有關(guān)，熔點越高，等離子電弧能量越大。高強鋼材料硬度等性能的提高對切割工藝提出更高要求，部分常規(guī)的切割方法和設(shè)備已難于滿足要求，需要研究適用的切割方法和設(shè)備；另外，鋼級越高氧化性越強，在切割時容易產(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切割工藝和設(shè)備提出更高要求[4-6]。

表1 國內(nèi)外在線切割技術(shù)對比

表2 高強鋼對切割性能的影響

3 在線切割技術(shù)對比

針對高強鋼、大口徑、高壁厚管道，基于切割厚度和切割速度等關(guān)鍵參數(shù)分析各切割技術(shù)（表3）。手動切割和常規(guī)機械切割具有速度慢、難以切割高強鋼、高壁厚管道的缺點。分瓣式切割、水射流切割、火焰切割、等離子切割和聚能爆破切割均能滿足切割厚度和高強鋼的要求，但水射流切割針對大壁厚管道具有切割速度較慢、需水量大的缺點；聚能爆破切割具有切割速度快、操作方便、可適用于其他切割技術(shù)不適用的場合，但坡口表面粗糙需進行二次加工；火焰切割和等離子切割為熱切割方式，需要滿足動火條件，且存在熱影響區(qū)，表面需進行打磨；分瓣式切割專門為大口徑、高壁厚管道設(shè)計，不產(chǎn)生熱影響區(qū)、安全高效。因此，建議優(yōu)先選用分瓣式切割方法。火焰切割、聚能爆破切割和等離子切割可作為輔助切割方式，并根據(jù)具體工況進行選擇[7-8]。

表3 各切割技術(shù)對比分析

4 在線切割關(guān)鍵因素分析

基于高強鋼管道對切割性能的影響分析，以及切割作業(yè)存在火花、熱影響區(qū)等因素，會對管道材質(zhì)、附近焊縫、人員安全等造成影響，通過對比分析國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中高強鋼、大口徑、高壁厚管道切割關(guān)鍵技術(shù)點，給出差異性分析，提出我國標(biāo)準(zhǔn)改進意見。

4.1切割前處理

管道切割前需去除管道表面的雜質(zhì)，避免切割過程中影響切割質(zhì)量和坡口金屬組織。РД558—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》規(guī)定：在管道上具有絕緣層時，管道寬50～100 mm的需切割區(qū)段應(yīng)當(dāng)采用機械或手工鋼絲刷沿周長仔細清理。在表面上不應(yīng)有薄瀝青層、絕緣層痕跡、氧化皮、油污。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GD 1037《油氣管道維搶修技術(shù)及搶修設(shè)備機具手冊》規(guī)定：清除被切管子內(nèi)外表面上的泥土及其他臟污。

為保證切割質(zhì)量，國內(nèi)外都規(guī)定對切割處的管道進行清理，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定詳細，可操作性更強。建議完善國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對管道表面清理給出具體的要求，并針對大口徑管道可適當(dāng)增加管道清理的寬度。

4.2切割距焊縫距離

管道切割后需進行焊接作業(yè)，當(dāng)采用熱切割和后續(xù)焊接作業(yè)時存在熱影響區(qū)，會對附近已有焊縫產(chǎn)生影響，故在切割作業(yè)時應(yīng)遠離已有焊縫足夠距離，否則切割段應(yīng)包含已有焊縫。俄羅斯РД558—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》針對不同管徑規(guī)定了已有焊縫與切割位置的最小距離（表4）。

表4 不同管徑下切割位置與已有焊縫的距離

國內(nèi)Q/SY GD 0232—2013《鋼質(zhì)油氣管道失效搶修技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：新管段的環(huán)焊縫距離已有環(huán)焊縫應(yīng)大于100 mm。SH 3012—2011《石油化工金屬管道布置設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：公稱直徑小于150 mm的管道，焊縫間距不應(yīng)小于管子外徑,且不得小于50 mm，公稱直徑等于或大150 mm的管道，焊縫間距不宜小于150 mm[9]。

國內(nèi)外均對切割位置與已有焊縫的距離有要求，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不應(yīng)小于100 mm或150 mm，俄羅斯根據(jù)管徑進行了詳細規(guī)定，隨著管徑的增加，切割位置與已有焊縫的距離也相應(yīng)增加。國內(nèi)未考慮大口徑管道，建議參照俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定進行完善。

4.3切割預(yù)熱

在進行熱切割時，鋼級越高、環(huán)境溫度越低，則管道淬硬傾向越強。為減小管道淬硬層，國內(nèi)外均采取了相關(guān)措施。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД558—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》規(guī)定：火焰切割時，在零下30℃（采用乙炔）以及零下40℃（采用丙烷）條件下，碳當(dāng)量CE>0.41，厚度大于20 mm管道切割應(yīng)當(dāng)在預(yù)熱到50～100℃的情況下進行，以避免坡口金屬的硬化；等離子切割時，在空氣溫度低于零下20℃時,為避免高強度鋼材（GB>55 kgf/mm2, CE>0.41）、壁厚超過15 mm管道金屬硬化，建議將金屬預(yù)熱到50～100℃后進行切割。國內(nèi)SH/T 3517—2013《石油化工鋼制管道工程施工技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：有淬硬傾向的管子宜用機械方法切割[10]。

俄羅斯在熱切割時對于容易發(fā)生淬硬傾向的管材采取預(yù)熱措施減少切割淬硬，鋼級越高則管道的預(yù)熱溫度越高。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(guān)措施。建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)做法，對低溫環(huán)境、大壁厚、高強鋼的管道熱切割補充相應(yīng)的預(yù)熱措施。

4.4切割后處理

火焰和等離子切割后切口表面存在影響焊接質(zhì)量的淬硬層。俄羅斯РД558—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》規(guī)定：在氧氣切割之后的管道邊緣應(yīng)當(dāng)用打磨機清理到露出金屬光澤，環(huán)形鈍邊應(yīng)當(dāng)在0.5～3.0 mm范圍內(nèi)。由等離子切割完成的管道邊緣應(yīng)當(dāng)使用打磨機清理到露出金屬光澤，深度不小于0.3 mm。國內(nèi)SH/T 3517—2013《石油化工鋼制管道工程施工技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：采用火焰或等離子加工鋼管后，必須除去影響焊接質(zhì)量的表層面[10]。

坡口淬硬層會導(dǎo)致焊縫容易產(chǎn)生氣孔、裂紋、未焊透、夾渣等缺陷，嚴(yán)重影響焊接接頭的強度、沖擊韌性等。國內(nèi)外均一致要求對熱切割后的坡口進行打磨，以消除淬硬層，保證焊接質(zhì)量。

4.5切割等電位連接

在管道切割、打磨等作業(yè)時會產(chǎn)生大量靜電，可能對油氣管道和人員安全產(chǎn)生影響，故國內(nèi)外均采取措施進行消除。SY/T 6649《原油、液化石油氣及成品油管道維修推薦作法》采標(biāo)了API 2200—2003《原油、液化石油氣及成品油管道的維修》，規(guī)定在管道切割或?qū)⒎ㄌm連接處拆離前，應(yīng)在分割點周圍加設(shè)電跨接線并通過適當(dāng)方式進行消磁，如果需要更換管道，管道連接處也應(yīng)跨接，且維搶修工作完成前不應(yīng)去除此跨接。CSA Z662《油氣管道系統(tǒng)》規(guī)定：為防止外加電流及切管操作引燃熱源，應(yīng)進行適當(dāng)?shù)穆?lián)接和接地程序。ISO 13623—2009《石油和天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)》規(guī)定：應(yīng)在待切割管道端口兩側(cè)進行等電位連接。

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定管道切割操作中應(yīng)當(dāng)加設(shè)跨接線進行等電位連接，以保證切割安全，避免施工過程中新舊管道存在電位差而導(dǎo)致火源的出現(xiàn)。而國內(nèi)部分搶修標(biāo)準(zhǔn)未做出規(guī)定，建議對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行完善，規(guī)定管道切割操作前應(yīng)在分割點周圍進行等電位跨接。

5 結(jié)論

我國在線切割相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)仍需進一步完善。具體表現(xiàn)在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于高強鋼、大口徑、高鋼級管道切割的內(nèi)容較少，相關(guān)切割設(shè)備難以滿足要求，存在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不適用等。針對目前存在的問題，提出以下幾點建議：

1）在國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)對比基礎(chǔ)上，完善國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將先進適用的技術(shù)與設(shè)備納入標(biāo)準(zhǔn)中。

2）加強高效管道切割機的研發(fā)，實現(xiàn)操作方便、切割效率高、坡口質(zhì)量好、野外施工簡易等需求。

3）進一步試驗驗證高強鋼、高壁厚、大口徑管道在線切割時的切割影響因素，區(qū)分與常規(guī)管道差異。并針對新工藝設(shè)備分析在線切割的安全影響因素，提高在線切割的安全性。

[1]張知光.油氣管道維搶修方法及相關(guān)技術(shù)[J].化工管理, 2016(15):67-69.

[2]American Petroleum Institute.Repairing Crude Oil,Liquefied Petroleum Gas,and Product Pipelines:API 2200[S].Washington,D.C.：American Petroleum Institute,1991.

[3]Canadian Standards Association.Steel Pipe:CSA Z662[S]. Mississauga:Canadian Standards Association,2011.

[4]閆臣,李燁錚,隋永莉.熱切割對X80M鋼管環(huán)焊接頭組織及性能的影響[J].熱加工工藝,2016(13):232-235.

[5]肖瑞金.輸油氣管道的冷切割技術(shù)[J].石油化工建設(shè),2014, 36(1)：93-94.

[6]高頻.環(huán)爆切割器的研究及其應(yīng)用[J].機械管理開發(fā), 2009,24(2):90-91.

[7]劉華.空氣等離子切割技術(shù)的工程應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,32(1):126-126.

[8]江勇,張寶強,劉艷利,等.機械分瓣式鋼管切割機[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2011(5):24-26.

[9]中國石油化工集團公司配管設(shè)計技術(shù)中心站.石油化工金屬管道布置設(shè)計規(guī)范:SH 3012—2011[S].北京:中國石化出版社,2011.

[10]中華人民共和國工業(yè)和信息化部.石油化工鋼制管道工程施工技術(shù)規(guī)程:SH/T 3517—2013[S].北京:中國石化出版社，2013.

With the rapid development of oil and gas pipeline,the steel tube of high strength,large diameter and thick wall is more and more used in oil and gas transportation pipeline,which greatly improves the transport capacity of the pipeline,at the same time, which also puts forward higher requirements on the cutting technology of oil and gas pipeline in rush-repair.The conventional cutting methods have slow cutting speed and are suitable for small diameter pipeline,which are difficult to meet the needs of cutting large size and high grade steel pipeline.Based on the analysis of domestic and international standards,the cutting technology suitable for high strength,large diameter and thick wall steel pipe was studied through the comparative analysis of the characteristics of mechanical cutting,flame cutting,plasma cutting and shaped charge blasting cutting technologies.The factors of influencing on-line cutting are analyzed,and some suggestions are put forward.

on-line cutting;oil and gas pipeline;rush-repair;high strength steel

路萍

2017-01-18

攝影/曉明

徐蔥蔥（1991-），男，工程師，現(xiàn)主要從事油氣管道的標(biāo)準(zhǔn)化工作。