低溫環(huán)境下大直徑污水管線帶壓封堵與更換

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(1.中國石油 獨山子石化分公司 乙烯廠，新疆 獨山子 833699；2.新疆寰球工程公司，新疆 獨山子 833699)

中國石油獨山子石化分公司1 000萬t/a煉油及120萬t/a乙烯工程配套裝置工業(yè)污水處理場總設計規(guī)模為1 800 m3/h，采用生物處理工藝處理煉油、化工裝置產生的污水。由于污水中的煉油電脫鹽污水、堿渣出水、含硫污水、動力站污水、過濾罐排污水等含鹽、含油量高并且含有其它雜質，乳化嚴重，造成裝置內管線和設備腐蝕嚴重，引發(fā)多處點蝕泄漏[1]。

1 污水管線漏點分布及補漏情況

本次施工前現場65 m管線曾經陸續(xù)發(fā)現共計8處點蝕漏點(5個普通漏點和3個帶壓堵漏點)，其中帶壓堵漏的3處漏點在2015-08～09已經出現了滲漏，泄漏量不大，屬于滲漏。各泄漏點在污水處理流程中的位置見圖1。

圖1 各泄漏點在污水處理流程中的位置

漏點集中的DN500 mm碳鋼管線原壁厚7.1 mm。堵漏過程中發(fā)現該管線腐蝕嚴重，管壁普遍減薄，最薄處實測值已至5.32 mm ，需要對腐蝕減薄后的DN500 mm 碳鋼母管進行帶壓封堵、增加閥門及管線更換工作。

在沒有出口閥門控制污水處理池的情況下，堵漏和更換操作過程很可能發(fā)生大量泄漏,甚至導致曝氣池內3 000 m3工業(yè)含鹽污水泄漏，造成環(huán)境污染事故，工業(yè)水場也將被迫停工。為了有效降低大量泄漏風險，經過綜合考慮,決定在2015年冬季(12月)-20 ℃的環(huán)境氣溫條件下對污水管線實施封堵施工。

2 污水管線帶壓封堵施工概況

2.1 風險分析

此次施工主要存在以下風險：①腐蝕減薄管線在施工中出現大量污水泄漏導致環(huán)境污染事故。②在施工過程中存在有限空間作業(yè)人員中毒窒息、動火作業(yè)著火爆炸、機械傷害、吊裝作業(yè)高處墜物等風險。③室外氣溫-15～-25 ℃，若封堵后增加閥門及更換管線工作時間較長，則存在封堵盲端凍凝、封堵設備無法撤離情況，嚴重時可導致裝置停工。

2.2 消減風險措施

此次施工采取的施工風險消減措施：①嚴格HSE管理，實行現場作業(yè)票制。②制定詳細應急預案及工藝處理方案，如出現大量泄漏情況，立即啟動三級響應。③現場開挖排水溝，預備4臺60 m3/h氣動泵，隨時準備將污水排放至事故水池。④落實監(jiān)護人職責，做好中毒窒息、起火燃燒的防護、急救準備。⑤現場制作保溫管線、搭設保溫棚，每1 h監(jiān)控封堵部位溫度。

2.3 總體施工方案

基于一般帶壓封堵流程，結合管線腐蝕和泄漏情況以及施工時的環(huán)境氣候特點，制定的施工總體方案為：加工伴熱線—搭設保溫棚—制作封堵設備支撐墊板—管壁測厚—確定封堵點—封堵設備試運—焊接三通扣件—帶壓開孔—投放筒式封堵器—檢驗封堵效果—抽取管線積水—斷開管路安裝閥門—檢驗焊接質量—撤除封堵—三通扣件安裝堵塞—更換管線—施工完成。

3 污水管線帶壓封堵施工準備

3.1 作業(yè)空間和逃生通道挖掘

本次通過機械、人工共計挖掘土方280 m3,主要滿足帶壓封堵部位的作業(yè)空間以便三通扣件能夠安裝到位，同時要方便夾板閥操作。土方挖掘過程中應注意做好護坡，防止土方滑落。同時設立逃生通道、四合一報警器、直梯、逃生繩及急救空氣呼吸器等防護急救器材。

3.2 測厚確定封堵位置[2]

測厚是帶壓封堵的必須程序。本次施工管線漏點多，腐蝕嚴重。為保證測量數據的代表性和全面性，在預帶壓封堵管線部位的0°、90°、180°、270°方位各選取4個點(每隔1 m進行一次)進行測厚，共計16個點。為保證測厚工作的可靠與專業(yè)性，特委托獨山子石化分公司的設備研究所對待施工管段作專業(yè)測厚。管線原始厚度為7.1 mm，本次選取的16個測量點的測厚結果按照從小到大的順序依次為：5.32 mm、5.76 mm、5.89 mm、5.97 mm、5.99 mm、6.09 mm、6.10 mm、6.14 mm、6.15 mm、6.16 mm、6.17 mm、6.18 mm、6.22 mm、6.33 mm、6.41 mm(2處)，其中最薄部位(厚度為5.32 mm)對應的腐蝕率為25%，最厚部位(厚度為6.41 mm)對應的腐蝕率為9.7%。本著帶壓封堵部位盡量靠近池底盲端的原則，三通扣件的焊接最終選擇在腐蝕率較低部位進行，尤其是扣件三通環(huán)焊縫部位盡量避開管線減薄部分。

3.3 制作伴熱管線和搭設暖棚

此次污水管線的帶壓封堵和更換施工是在室外-20 ℃環(huán)境下進行的，沒有充足的防護措施極可能造成施工過程中的夾板閥凍結無法啟閉、封堵設備凍凝無法拆卸等影響到整體作業(yè)進度的問題，因此防凍、防凝工作尤其需要重點關注。同時工藝方面配合此次施工的時間只有24 h,時間緊迫，需要連續(xù)作業(yè)，一旦超出此時間將導致污泥失活和污水無法有效處理的生產性事件。

根據現場施工環(huán)境的具體情況，按照暖棚內的溫度始終保持在13 ℃以上的原則，本次施工中落實的防凍措施主要包括：①在封堵作業(yè)區(qū)搭設暖棚。②封堵器加設暖氣片。③污水處理池體的管線盲端加裝伴熱管。在防凍措施落實后，做好每小時一次的測溫記錄工作，如出現溫度驟降情況，及時增設暖氣數量。

污水管線堵漏施工現場暖棚見圖2。

圖2 污水管線堵漏施工現場暖棚

3.4 封堵設備保溫和試運

帶壓封堵的設備均采用液壓驅動方式，在正式封堵前要對以下設備及參數進行重點檢查及試運：①柴油發(fā)電機，包括油量、可靠性等，并進行試運發(fā)電。②液壓站油位、油量、黏度、牌號，液壓油管線及其接頭密封性，各擋位順暢可靠。③開孔機、封堵器、堵頭投放器均進行滿行程試運，無卡阻現象。④電焊機、配電箱等施工器具符合現場使用要求。⑤液壓設備在開工前應放置在室內，運行時再由叉車運至現場。此舉可盡量提高液壓油流動性，一定程度上縮短作業(yè)時間。

3.5 制作封堵設備支撐

本次封堵工作對象的管徑大(DN500 mm)，配套封堵設備大，僅封堵作業(yè)計劃使用的三通扣件、封堵器、夾板閥這3類設備的總質量就有5 t。為避免出現封堵設備重力集中造成管線沉降，在封堵作業(yè)前根據封堵扣件的底部形狀制作專用支撐。本次封堵扣件底部為弧形，制作的專用工具承托面盡量貼合扣件底部，增加受力面積。同時該支撐在施工時可以增大封堵扣件與松軟地表的接觸面積，降低局部壓強，減小封堵部位的管變形以及管線切割后的垂直位移。

4 污水管線帶壓封堵作業(yè)

4.1 三通扣件焊接

根據SY/T 6150.1—2003《鋼制管道封堵技術規(guī)程 第一部分:塞式、筒式封堵》計算管道的允許帶壓施焊壓力[3]。

式中，p為管道允許帶壓施焊的壓力，σs為管材的最小屈服強度，MPa；δ為焊接處管道實際壁厚，D為管道外徑，mm；C為壁厚修正值，一般取2.4 mm；F為安全系數，本管線取0.6。

污泥管線材質為Q235B，σs取235 MPa ，δ取5.32 mm，D取500 mm，C取2.4 mm，F取0.6。帶入公式計算得到管道帶壓施焊允許壓力p=1.64 MPa[4]。此處管線在泵送停止情況下，只存在曝汽池內含鹽污水靜壓力0.06 MPa，符合現場施工焊接要求[5]。扣件材質20鋼和母材Q235均為普通碳鋼，焊條選用型號J427焊條，焊接時電流在90～100 A，采用小電流多道焊。對焊縫采用著色檢測，保證焊接質量符合焊接要求[6-7]。

4.2 安裝夾板閥

在-20 ℃環(huán)境下進行夾板閥開啟試驗時發(fā)現，無保溫措施無法做到夾板閥全開。結合測試階段發(fā)現的啟閉困難情況，進一步分析動工后可能出現的問題。開孔工作開始后，夾板閥、開孔器筒室內充滿工藝介質，在低溫情況下將很快凍凝，無法啟閉[8]。屆時將導致開孔設備無法撤離，整個施工無法繼續(xù)進行，裝置被迫停工。為此，在夾板閥上下兩側各設置1組暖氣片，見圖3。

圖3 增加了暖氣片的夾板閥

實際施工過程中，增設的暖氣片及時融化了閥板上的積雪，切實保障了夾板閥的啟閉順暢和施工的順利進行。

4.3 帶壓開孔[9]

在管線上帶壓開孔存在較大人員安全風險，需要專用的開孔設備。此開孔設備主要由扣件、夾板、連箱、刀夾、刀頭及鉆桿等部件組成，其在管線上工作時的分解圖見圖4。

圖4 污水管線封堵施工專用開孔設備分解圖

在管線上帶壓開孔操作分10個步驟進行：①將開孔機與短管連箱的貼合面清潔干凈，檢查O形圈是否完好，清理刀具和鉆桿的配合面，緊固刀頭與鉆桿同心。②擦凈U形卡表面油脂保證其靈活性，測量并記錄U形卡的位置及刻度。③將開孔機安裝于夾板閥頂部，固定后打開夾板閥，將進給箱手柄打至空位，記錄原始位置刻度值，手動進刀，當感覺遇到阻礙無法進刀時，復核H1=H2+H3是否成立，若上式成立，則刀具已與母管管頂觸碰。④將進給手柄打在自動進給位置，空載啟動液壓站試運后啟動開孔機，開始切削開孔。記錄此時開孔機鉆桿刻度位置S1。⑤預算開孔結束位置S2=S1+H4。⑥開孔作業(yè)過程中，開孔機及液壓站旁必須有技術人員值守，一旦遇到意外情況需及時停機。⑦開孔期間密切注意行程刻度，當刻度位置達到S2時，切削完畢，現場切削聲停止。⑧將進給手柄打到空位，手動向下繼續(xù)搖動手柄兩圈，無卡阻后提升刀頭，直至恢復到原始位置。⑨關閉夾板閥。打開泄壓閥，觀察是否關閉徹底。⑩拆除開孔機，觀察開孔筒中切割下管線是否完整，以判斷下一封堵工序的具體操作。開孔工作完成。

污水管線封堵施工專用開孔設備刀頭切割下管線的瞬間情況見圖5。

圖5 污水管線封堵施工專用開孔設備刀頭切割下管線瞬間

4.4 投放筒式封堵器

污水管線封堵過程中的筒式封堵器投放施工現場見圖6。

圖6 筒式封堵器投放施工現場

筒式封堵器投放分3個步驟進行：①吊裝封堵設備到夾板閥上，固定徹底后稍開夾板閥，觀察密封面無泄漏，打開連箱排氣閥，平衡壓力。②確定封堵筒下放尺寸，具體步驟參照開孔操作流程。做好各位置的刻度記錄。③待封堵筒下方到位后，逆時針旋轉膨脹筒中心螺桿，筒體膨脹，開始封堵，打開連箱放空閥，觀察封堵效果30 min，無異常及泄漏則進行下步作業(yè)。

4.5 封堵后管線加裝閥門[10]

按照施工計劃對封堵后管線進行加裝閥門作業(yè)，當閥門安裝完畢后，將封堵筒手動緩慢提升，確認閥門加裝效果。若各部位無泄漏，則將封堵筒提升至起始位置，關閉夾板閥，開始更換管線工作。

4.6 安裝堵塞和盲蓋[11-12]

堵塞和盲蓋的安裝按以下步驟進行：①將堵塞與連箱組合好，將堵塞縮回連箱。②測定堵塞鎖環(huán)結合面至連箱下法蘭面的距離，確定下堵器標尺刻線數字。③將下堵器吊裝到夾板閥上，螺帽緊固。④打開夾板閥，手動下放堵塞，待到達計算刻度后，使用內六角扳手旋轉鎖環(huán)螺母，使鎖環(huán)卡壓住堵塞，四處鎖環(huán)對稱旋緊，打開連箱排放閥，觀察堵塞密封性。⑤排放閥無泄漏，撤離連箱，增加三通盲蓋。封堵任務結束。

5 污水管線帶壓封堵工程難點及注意事項[13]

(1)封堵結束后，管線打開增加閥門過程中，會出現因封堵設備重力、管線應力導致的位移，封堵前應充分考慮以保證余量。本次施工過程中管線切割完畢后垂直方向出現15 cm位移，當時采取了清除墊土、液壓抬升、焊接L型勾、螺栓擰緊等辦法完成管線對接。

(2)封堵設備總重5 t左右，為防止地基松散或跑水后整體下陷，需制作專門支撐工具，增大與地面松軟地表的接觸面積，減少局部壓強，防止下沉。

(3)環(huán)境溫度在-15～25 ℃，應定期測溫，防止凍凝。液壓設備必須選用冬季低溫抗凝液壓油，防止液壓油因流動不暢導致開孔時間延長。

(4)此項工程存在動火、空間有限、臨電、帶壓封堵等施工過程風險，需要指派專業(yè)的監(jiān)護及HSE管理人員。

6 結語

本次帶壓封堵作業(yè)克服了管線腐蝕減薄、氣溫低、空間作業(yè)受限、連續(xù)施工等不利影響，依靠前期大量細致的準備工作才得以保證工程的順利實施[14]。整個作業(yè)由焊接扣件到封堵結束歷時20 h，圓滿完成了更換管線工作。為今后低溫環(huán)境下，大管徑管線帶壓封堵施工積累了經驗[15]。