天然氣管道工程用清管三通標(biāo)準(zhǔn)探討*

王 鵬，池 強(qiáng)，李為衛(wèi)

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

在天然氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)施工過程中，由于各種原因會(huì)殘留下來很多的水及泥土、焊渣等施工遺留物。這些遺留物會(huì)導(dǎo)致天然氣管道在低溫下結(jié)冰或使閥門等管道配件產(chǎn)生堵塞，這將給管道的正常輸氣和安全運(yùn)行造成極大的影響。因此，在天然氣管道通氣之前需進(jìn)行管道的清管作業(yè)，可以有效地清除管道內(nèi)的水以及施工遺留物，以及清除FeS鐵粉，提高管壁光潔度和管輸效率[1-3]。天然氣管道清管作業(yè)主要是將清管器放入管道中形成密封，利用管輸介質(zhì)推動(dòng)清管器前進(jìn)，進(jìn)而達(dá)到清除管內(nèi)沉積物、管壁結(jié)垢和結(jié)蠟等的目的。但是，因管道變形、機(jī)械損傷、在三通處卡球等各種不同的原因也會(huì)導(dǎo)致清管器失效或堵塞。因此，通常推薦使用擋條清管三通來避免發(fā)生三通處卡球的事故[4-6]。本文詳細(xì)對(duì)比和分析了國內(nèi)外油氣輸送管道清管三通的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，結(jié)合清管三通的熱加工工藝，提出了清管三通擋條修復(fù)焊接后的熱處理建議。

1 國內(nèi)外清管三通標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及生產(chǎn)情況對(duì)比

1.1 三通標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求對(duì)比

目前，高強(qiáng)度大口徑三通的制造通常采用熱擠壓成型的方式，熱擠壓三通生產(chǎn)工藝是一個(gè)熱形變加淬火和回火的過程，即將毛坯管經(jīng)壓扁和反復(fù)的熱鼓包、拉拔成型，得到所要求的支管形狀和尺寸，最后通過調(diào)質(zhì)熱處理得到綜合性能滿足設(shè)計(jì)要求的三通。目前油氣輸送管道用三通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)版本較多。國外標(biāo)準(zhǔn)中主要采用MSS SP-75 《High Strength Wrought Butt-welding Fittings》、ISO 15590-2《 Petroleum and Natural Gas Industries —Induction Bends, Fittings and Flanges for Pipeline Transportation Systems —Part 2:Fittings》、ASME B16.9《Factory-made Wrought Butt-welding Fittings》等管件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)中大部分主要規(guī)定了工廠制造的無縫和電弧焊接、碳鋼和低合金鋼的對(duì)焊管件的尺寸、公差、材料、化學(xué)成分、拉伸性能、韌性和熱處理等方面的技術(shù)要求。目前我國的管件標(biāo)準(zhǔn)主要包括GB/T 29168.2-2012《石油天然氣工業(yè) 管道輸送系統(tǒng)用感應(yīng)加熱彎管、管件和法蘭 第2部分：管件》、SY/T 0609《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)焊管件規(guī)范》等。這些標(biāo)準(zhǔn)中主要規(guī)定了管件設(shè)計(jì)、選材、制造、產(chǎn)品檢測(cè)及驗(yàn)收方面的技術(shù)要求。我國的管件標(biāo)準(zhǔn)是吸收了近年來國內(nèi)外管道工程建設(shè)方面工藝技術(shù)研究成果及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如產(chǎn)品選材、加工工藝方法，以及管材強(qiáng)度、韌性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，系統(tǒng)的高強(qiáng)度管件的熱加工技術(shù)及評(píng)價(jià)體系，并進(jìn)行了技術(shù)集成、修正與整合。

清管三通一般也采用熱擠壓方式進(jìn)行生產(chǎn)加工，生產(chǎn)工藝基本與普通熱擠壓三通生產(chǎn)過程相同，即卷曲成型、焊接、壓扁、淬火、整形、拉拔、開孔、鼓包、回火等。但是清管三通需要在支管和主管交匯處焊接三通擋條。關(guān)于清管三通等特殊用途管件標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外已有少量的技術(shù)規(guī)范。如現(xiàn)有的國外關(guān)于清管三通的技術(shù)規(guī)范，殼牌公司標(biāo)準(zhǔn)DEP 31.40.21.30-Gen.《Pipeline Fittings》，其是ISO 15590-2的補(bǔ)充技術(shù)條件，與ISO 15590-2一起使用。DEP 31.40.21.30-Gen.中主要規(guī)定了清管三通擋條的設(shè)計(jì)、數(shù)量及焊接方法，而針對(duì)清管三通的擋條焊接方式以及焊后熱處理、擋條修復(fù)等沒有明確的要求。國內(nèi)清管三通的技術(shù)規(guī)范，如中石油CDP-S-OGP-MA-008-2017-2《油氣管道工程清管三通技術(shù)規(guī)格書》，其主要規(guī)定了鋼制清管三通的設(shè)計(jì)、材料、制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收、包裝和運(yùn)輸?shù)确矫娴淖畹鸵?。但是?biāo)準(zhǔn)中未對(duì)清管三通的擋條數(shù)量、材質(zhì)和焊接方式進(jìn)行具體要求，需結(jié)合具體的工程數(shù)據(jù)單進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了清管三通應(yīng)在完成擋條焊接后再進(jìn)行最終熱處理，對(duì)擋條修復(fù)后的熱處理未明確要求。北京天然氣管道有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY JS 0126-2012《清管三通擋條技術(shù)要求》中對(duì)不同尺寸三通的擋條數(shù)量、焊接方法等進(jìn)行了具體要求。但未明確規(guī)定清管三通的擋條焊后熱處理要求，以及擋條修復(fù)后的熱處理要求。

1.2 清管三通生產(chǎn)情況對(duì)比

由于在我國很多天然氣管道工程建設(shè)中，均沒有明確的清管三通技術(shù)條件，通常在工程數(shù)據(jù)單只給出清管三通的擋條選材和設(shè)置要求。國內(nèi)多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)的清管三通制造工藝和流程與管道用三通相同，但是在三通擋條材質(zhì)、焊接工藝以及熱處理方式上有所不同。例如由于標(biāo)準(zhǔn)要求不明確，各生產(chǎn)企業(yè)所采用的擋條材質(zhì)區(qū)別較大，如Q235B、20號(hào)鋼、X80鋼或與其材質(zhì)接近的材料。而在清管三通熱處理工藝方面，均采用淬火+回火的熱處理方法。但是對(duì)于清管三通的擋條焊后熱處理，目前國內(nèi)多數(shù)廠家均先進(jìn)行擋條焊接，并在完成擋條焊接后，將清管三通進(jìn)行整體熱處理(即將焊后熱處理和回火熱處理同時(shí)進(jìn)行)，從而同時(shí)達(dá)到改善三通性能和消除應(yīng)力的作用。而部分企業(yè)則采用三通整體回火熱處理后，再進(jìn)行擋條焊接的加工方法。

1.3 清管三通標(biāo)準(zhǔn)體系

根據(jù)目前油氣輸送管道用三通的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于管道線路用標(biāo)準(zhǔn)三通，國內(nèi)外管件標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)形成了較完整的技術(shù)體系。但是國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于清管三通的專業(yè)技術(shù)規(guī)范較少，且標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)條款陳述規(guī)范性差，在擋條選材、焊接、驗(yàn)收、修復(fù)等方面沒有明確的要求，在適用范圍、技術(shù)指標(biāo)等方面有很多不完善，這對(duì)油氣輸送管道的建設(shè)和安全運(yùn)行有很多不利影響。如某天然氣管道工程在運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分管線段異響。經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)清管三通擋條部分?jǐn)嗔选Ｓ捎诂F(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范中均未對(duì)清管三通擋條的修復(fù)和熱處理進(jìn)行明確要求，而若整體更換清管三通，則會(huì)增加管線成本，同時(shí)由于焊接難度較大，也會(huì)使三通環(huán)焊縫接頭處的斷裂風(fēng)險(xiǎn)增加。同時(shí)，由于沒有統(tǒng)一的清管三通技術(shù)要求，目前國內(nèi)各生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)工藝也不相同，這都會(huì)對(duì)清管三通的采購以及后期維護(hù)更換等帶來較大的影響。因此，對(duì)于清管三通的擋條焊接、焊后熱處理以及修復(fù)更換等要求應(yīng)深入研究，在標(biāo)準(zhǔn)中增加相關(guān)技術(shù)要求，為油氣管道建設(shè)和安全運(yùn)行提供技術(shù)依據(jù)。

2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于熱處理的要求對(duì)比分析

目前清管三通在工廠加工時(shí)，一般采用擋條焊接后的整體三通回火熱處理。三通的最終整體回火熱處理目的是達(dá)到改善三通性能和消除應(yīng)力的作用。但是在管線運(yùn)行后，若進(jìn)行清管三通的擋條修復(fù)更換，則不能采用三通整體回火熱處理的方式。

對(duì)于油氣管道工程現(xiàn)場(chǎng)焊接后的熱處理要求，如SY/T 4103—2006《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》標(biāo)準(zhǔn)、SY/T 4125—2013《鋼質(zhì)管道焊接規(guī)程》、GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》、API 1104—2013《Welding of Pipelines and Related Facilities》等標(biāo)準(zhǔn)，均對(duì)油氣鋼制管道焊接接頭力學(xué)性能、無損檢測(cè)的檢測(cè)方法和驗(yàn)收要求進(jìn)行了規(guī)定。但焊后熱處理工藝要求較少，未給出具體的焊后熱處理技術(shù)要求和規(guī)定。

在國內(nèi)外壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，針對(duì)焊后熱處理進(jìn)行了明確的要求。如GB 150.4《壓力容器 第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》，規(guī)定了GB 150適用范圍內(nèi)的鋼制壓力容器的制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收要求。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊后熱處理(PWHT)的厚度、范圍、熱處理操作等均進(jìn)行了明確的技術(shù)要求。ASME VIII《Rules for Construction of Pressure Vessels Division3》-2015標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊接件的預(yù)熱和焊后熱處理兩部分進(jìn)行了明確的規(guī)定。如整體熱處理、分段熱處理、內(nèi)加熱整體熱處理和局部熱處理，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)首選爐內(nèi)整體熱處理。對(duì)于鋼管和管道的環(huán)向連接點(diǎn)、支管頸部處和焊接附件等位置可用局部熱處理的方法。

3 建 議

根據(jù)目前的標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)調(diào)研情況，現(xiàn)行清管三通標(biāo)準(zhǔn)中要求擋條焊接后的清管三通整體熱處理有兩個(gè)目的，一是通過回火工藝來配合淬火工藝完成對(duì)三通性能的改善，二是通過焊后熱處理，消除擋條焊接后的應(yīng)力。通過對(duì)現(xiàn)行油氣輸送管道用三通標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該系列標(biāo)準(zhǔn)大多都是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)三通的生產(chǎn)制造、材料性能方面的要求，而對(duì)于特殊管件，如清管三通，在焊接、熱處理等方面的要求不完善。對(duì)于目前的現(xiàn)行清管三通技術(shù)規(guī)范，應(yīng)補(bǔ)充完善清管三通擋條的材質(zhì)、類型，對(duì)于焊后熱處理和調(diào)質(zhì)熱處理的要求應(yīng)分別進(jìn)行要求，同時(shí)對(duì)于清管三通擋條的修復(fù)焊接質(zhì)量應(yīng)進(jìn)行要求。建議應(yīng)系統(tǒng)地開展清管三通擋條的焊接及熱處理對(duì)三通服役性能的影響的研究工作，分析焊后熱處理對(duì)三通性能的影響，從而明確三通的擋條焊接以及修復(fù)的焊后熱處理要求。結(jié)合壓力容器應(yīng)用規(guī)范，也推薦采用壓力容器規(guī)范中配件的焊后熱處理工藝進(jìn)行清管三通的熱處理，同時(shí)一定要選取合適的焊接工藝(較低的焊接線能量)，以避免擋條焊接時(shí)對(duì)三通的性能產(chǎn)生影響。