中俄天然氣管道搶修關(guān)鍵點標(biāo)準(zhǔn)對比分析

徐蔥蔥，姚學(xué)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(jì)和社會帶來了諸多安全隱患。首先，隨著管線鋼技術(shù)不斷進(jìn)步，采用X70、X80等高強(qiáng)鋼輸送天然氣的技術(shù)應(yīng)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(jìn)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(kuò)大，部分惡劣復(fù)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(shè)備性能及作業(yè)技術(shù)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。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(guān)鍵技術(shù)點，對比分析國內(nèi)和俄羅斯天然氣管道搶修標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備進(jìn)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(yán)格。管道本體方面，高強(qiáng)鋼管道在硬度、強(qiáng)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(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，而微量合金元素的加入使得鋼的硬度和強(qiáng)度增加，常規(guī)切割工藝和設(shè)備難以切割[5]。另外，鋼級越高氧化性越強(qiáng)，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(hù)措施并進(jìn)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(shè)備提出更高要求，當(dāng)管壁較厚時容易產(chǎn)生焊不透和開裂的現(xiàn)象[6-7]。

2　關(guān)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(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于天然氣管道搶修的關(guān)鍵點，給出差異性分析，提出我國標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)的建議。

2.1　特殊地區(qū)

2.1.1雪地進(jìn)場

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械對積雪進(jìn)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行，凍層的厚度應(yīng)滿足挖掘機(jī)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(jìn)行，作業(yè)帶墊層的制作應(yīng)優(yōu)先考慮修筑冰雪覆蓋層。為保證挖掘機(jī)作業(yè)安全，國內(nèi)外均對凍層承載能力進(jìn)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(guān)于凍層承載能力的計算公式不一致，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定更為詳細(xì)，基于機(jī)械類型、沼澤類型、機(jī)械重量和溫度，提出了安全作業(yè)的凍層厚度，實用性更強(qiáng)，建議國內(nèi)參考完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

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(yīng)用對切割技術(shù)和設(shè)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(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(jī)械切割，當(dāng)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(jī)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(jī)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)РД558-97規(guī)定管道50～100 mm的需切割區(qū)段應(yīng)當(dāng)采用機(jī)械或手工鋼絲刷沿周長仔細(xì)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)某管道公司規(guī)定應(yīng)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(jìn)行清理，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要求，并針對大口徑管道可適當(dāng)增加清理的寬度。

表2　中俄凍層承載公式

2.2.2切割預(yù)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(qiáng)，應(yīng)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(dāng)量CE＞0.41%條件下，厚度大于20 mm管道的機(jī)械切割應(yīng)當(dāng)在預(yù)熱到50～100℃的情況下進(jìn)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(shù)規(guī)程》規(guī)定有淬硬傾向的管子宜用機(jī)械方法切割。國內(nèi)優(yōu)先選用機(jī)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)借鑒俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)做法，對低溫環(huán)境下高壁厚、高鋼級管道的熱切割補充預(yù)熱措施。

2.3　焊接

2.3.1焊接預(yù)熱

高寒地區(qū)的高鋼級、大口徑、高壁厚管道焊接對預(yù)熱設(shè)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(yīng)使用感應(yīng)加熱器進(jìn)行焊前預(yù)熱。國內(nèi)SY/T 7033—2016《鋼質(zhì)油氣管道失效搶修技術(shù)規(guī)范》規(guī)定X70及以上高強(qiáng)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(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃時，不應(yīng)使用火焰加熱器進(jìn)行預(yù)熱，鋼管壁厚大于20 mm時，宜采用中頻感應(yīng)加熱方法。

國內(nèi)外常用的焊接預(yù)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(yīng)加熱等）[8]?；鹧婕訜峋哂谐杀镜?、設(shè)備簡易的優(yōu)點，但火焰加熱為局部加熱，難以達(dá)到較高的預(yù)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(dāng)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(yù)熱，加熱管件厚度可達(dá)30 mm，具有加熱溫度高、加熱快、功率可調(diào)、設(shè)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(yù)熱溫度和預(yù)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(yù)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(yù)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(fù)作業(yè)的焊管工藝指導(dǎo)性文件》規(guī)定預(yù)熱溫度應(yīng)根據(jù)壁厚、碳當(dāng)量、環(huán)境溫度確定（表3）。環(huán)境溫度越低、壁厚越大、碳當(dāng)量越高，則預(yù)熱溫度越高，并且要求預(yù)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(yù)熱溫度

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

預(yù)熱可以減緩焊后的冷卻速度，降低焊接應(yīng)力，國內(nèi)外均采取相應(yīng)預(yù)熱措施。但對比中俄標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)針對不同壁厚、碳當(dāng)量、環(huán)境溫度的管道規(guī)定了預(yù)熱溫度，規(guī)定更具體，國內(nèi)可參考完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3　結(jié)論

國內(nèi)搶修標(biāo)準(zhǔn)通過采標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備和技術(shù)。在國內(nèi)外對比分析的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)，明確適用的管徑、鋼級、壓力等；基于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)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(guān)規(guī)程，為國內(nèi)高鋼級管道搶修提供技術(shù)支持。

3）加強(qiáng)特殊環(huán)境下?lián)屝尬镔Y設(shè)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(shè)備進(jìn)場、作業(yè)帶修筑等新的作業(yè)工藝，并將相關(guān)研究成果補充到標(biāo)準(zhǔn)中，提供作業(yè)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張仕民,譚桂斌,朱霄霄,等.油氣管道維搶修技術(shù)進(jìn)展[J].石油機(jī)械,2011,39(10):174-178.

[2]李增彬,張世斌.凍土沼澤地區(qū)的管道維搶修方法[J].油氣儲運,2013,32(10):1138-1140.

[3]陳朋超.漠大管道安全運行經(jīng)驗總結(jié)與思考[J].油氣儲運,2014,33(5):462-468.

[4]徐繼利,朱延良.西氣東輸二線管道維搶修設(shè)計[J].石油工程建設(shè),2010,36(S1):81-83.

[5]王 進(jìn).X80高強(qiáng)鋼組織及焊接工藝研究[D].南充:西南石油大學(xué),2014.

[6]李建軍.X80管線鋼低溫焊接技術(shù)研究[D].天津:天津大學(xué),2010.

[7]張展展.X80管線鋼焊接特性研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2013.

[8]劉 波.高強(qiáng)鋼同步預(yù)熱焊接方法的研究[D].南京:河海大學(xué),2006.

[9]劉立雄,姚學(xué)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(shù)監(jiān)督,2015,31(12):15-18.