化工高溫氣-固混相管線開孔連接技術(shù)研究

趙 波

（山東魯泰控股集團有限公司，山東濟寧 272100）

1 概述

隨著煉油和化工工業(yè)的規(guī)模化和精細化發(fā)展，高溫氣-固混相管線在煉油和化工工業(yè)中的應用也越來越普遍，典型的有催化反應再生系統(tǒng)中的催化劑輸送管線等。高溫氣-固混相管線具有管線壁厚等級高（通常為Sch60～Sch80），介質(zhì)溫度高，氣-固兩相流動狀態(tài)復雜，磨損和腐蝕嚴重的特點。高溫氣-固混相管線設(shè)計原則要求盡量減少管線開孔，而管線安裝過程中的開孔連接是不可避免的。開孔連接具有操作性強，適用范圍廣的優(yōu)點，同時也削弱了管壁的強度，破壞干管結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，產(chǎn)生很高的局部應力集中；而且開口連接處的焊縫所產(chǎn)生的焊后殘余應力、焊接變形的存在和高溫管線的二次熱應力均會給管線運行安全性帶來隱患，因此研究高溫氣-固混相管線的開孔連接具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 高溫氣-固混相管線開孔技術(shù)研究

高溫氣-固混相管線開孔連接技術(shù)首要操作是開孔，開孔方法的選擇、開孔形狀尺寸的控制和開孔區(qū)域應力控制和補強措施均會對高溫氣-固混相管線的施工質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

2.1 管線開孔方法的選擇

高溫管線開孔方法的選擇依據(jù)主要有管線介質(zhì)狀況（是否帶壓），開孔方法的清潔度和開孔對主管材料的破壞程度等。目前高溫管線開孔技術(shù)主要有熱開孔和冷開孔兩種模式，熱開孔主要利用氣體燃燒或電力產(chǎn)生的熱量來熔化金屬，完成切割，缺陷是鋼鐵損耗大，切割產(chǎn)生大量的熔渣，難于清理，且高溫也易使設(shè)備和管道的邊緣部位產(chǎn)生變形，切割熱影響區(qū)對焊接接頭的組織和性能產(chǎn)生不利影響，使后續(xù)焊接連接操作難度加大；冷開孔主要利用開孔機進行操作，依靠手動、馬達或液壓等動力源帶動開孔機鉆頭向一個方向旋轉(zhuǎn)，從而將設(shè)備或管線切削成孔，然后將鉆具反向旋轉(zhuǎn)，鉆具將切削的鐵屑一起帶出設(shè)備或管線，缺陷是開孔的形狀尺寸相對單一，尤其是對于安裝改造中出現(xiàn)的非常規(guī)形狀，冷開孔技術(shù)難以完成，且冷開孔質(zhì)量受操作人員技能的影響較大。高溫氣-固混相管線運行溫度高，管壁較厚，介質(zhì)流動對管壁的磨損嚴重，對開孔的要求更嚴格。新建裝置管線，可選用熱開孔和冷開孔技術(shù)。選用熱開孔時，為防止孔邊緣位置發(fā)生變形，需解決好母材的熱膨脹問題，主要通過優(yōu)選合適的切割路徑，選用光電跟蹤切割或數(shù)控切割來保證切割尺寸和形狀，最好采用等離子切割，以提高開孔操作的精度和速度，且熱開孔時應留有一定尺寸的打磨余量，以避免主管組織損傷。管線檢修或帶壓進行開孔時，優(yōu)先選用冷開孔技術(shù)，因為冷開孔加工尺寸均勻，焊接填充量對稱，無附加應力尖角；而熱開孔區(qū)域處理不當，由于表面效應和團聚作用的影響，常導致開孔處的介質(zhì)發(fā)生局部湍動現(xiàn)象，影響設(shè)備或管線運行的穩(wěn)定性，熱開孔施工中引入的雜質(zhì)不易清除，可能污染混相流介質(zhì)，導致介質(zhì)中的固相發(fā)生聚集或失效，進而影響裝置管線的操作運行，斜角度開孔可參考相應改進的開孔機。

無論使用熱開孔技術(shù)還是冷開孔技術(shù)，管孔內(nèi)壁尖角均應磨成圓角，不僅可緩解該點應力集中，還可以減弱內(nèi)壁尖角對固相介質(zhì)的磨損，降低混相介質(zhì)在管線中的流動阻力。

2.2 管線開孔區(qū)域的補強

當管道開孔以后，一方面由于主殼體被削弱，會引起應力增加或強度減弱，另一方面由于結(jié)構(gòu)連續(xù)性被破壞，主殼體與支管的變形不一致，在開孔處將產(chǎn)生較大的附加應力，形成“應力集中”現(xiàn)象，在大的局部應力作用下，再加上接管上還有外部載荷所產(chǎn)生的應力和熱應力，以及材質(zhì)和制造缺陷方面等因素的綜合作用，使接管處成為最薄弱的環(huán)節(jié)。開孔常使主管的強度下降，且管孔的孔徑越大，管道強度下降越明顯。由于管道的實際壁厚都大于其計算壁厚，所以多數(shù)小直徑管孔所引起的強度減弱能由多余的壁厚來補償，而大直徑管孔，需通過相應補強措施來彌補由于受力面積減小而造成的管線強度下降。當管子環(huán)向應力大于管子材料在工作溫度下許用應力的50%時，被支管開孔削弱的管子應經(jīng)驗算確定是否需要補強。支管開孔處的環(huán)向應力計算公式如公式（1）所示：

其中：δθ為環(huán)向應力，MPa；P為管道內(nèi)壓力，MPa；

D為平均直徑，等于（DO+DI）/2，mm；DO為管道外徑，mm；DI為管道內(nèi)徑，mm；SO為管道壁厚，mm。

由公式（1）知，在壓力、管徑確定的情況下，減小環(huán)向應力的方法是增加壁厚。常用的管線增加壁厚補強方式主要有：補強板（補強圈）、補強管（支座）和焊臺。三種補強方式的比較如表1所示。

高溫管線管道開孔補強通常以管道富余壁厚、接管座富余壁厚及管座角焊縫來完成?？坠苎a強計算通常以傳統(tǒng)的等面積法計算，考慮到管道、管孔軸向截面存在最大的應力集中點，所以以該截面的面積作補強計算比較安全，也就是該截面的管道富余壁厚截面積、接管座富余壁厚截面積、管座角焊縫截面積之和必須大于等于管孔所去除的截面積。若上述補強方式仍不能滿足要求，現(xiàn)場檢修時，又多以在管孔周圍焊接墊板來補償，由于墊板與管道外壁不易緊密貼合，加強效果較差，所以，其實際補強面積通常取0.8的系數(shù)進行計算[7]。因此目前最常用的補強方法為加強支管座補強，這種方法是在主管開孔上先焊上一段加厚的支管，再在加強支管座上連接正常厚度的管子，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，加強支管座的實際采用高度必須大于補強有效高度。

表1 開孔補強方式對比

3 高溫氣-固混相管線開孔區(qū)域焊接技術(shù)研究

開孔區(qū)域支管目前主要的連接方式為焊接。因為高溫氣-固混相管線（以催化反應催化劑輸送管線為例），管道元件材質(zhì)主要為耐高溫不銹鋼和合金鋼，且管線壁厚等級較高，焊接難度系數(shù)較高。開孔區(qū)域本身應力集中，且接管的存在使開孔接管區(qū)成為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，主管和支管在內(nèi)外壓作用和熱膨脹作用下，自由變形的不同步，致使產(chǎn)生邊緣應力，因此要求焊接工藝技術(shù)可減弱應力的影響。為減小氣-固混相介質(zhì)在管線內(nèi)部的流動阻力，要求環(huán)向焊縫具有平緩圓滑的內(nèi)表面成形。因此研究開孔區(qū)域的焊接技術(shù)具有重要的意義。

開孔后的設(shè)備和管線的主要連接方式為焊接，開孔后，其極限承載能力將下降，且在開孔接管處有較大的應力集中，在內(nèi)壓力作用下，主管開孔底邊緣和軸向截面相交處產(chǎn)生局部大應力，推測開孔和主管內(nèi)表面的交線成馬鞍形狀，屬于局部幾何形狀不連續(xù)，最大應力處包括一次應力，二次應力和峰值應力，因此開孔接管處的焊接要盡量彌補消除接管處的最大應力，減弱連接處應力對開孔管線強度的影響。在此情況下，保證焊接后的管線在靜力作用下的極限承載能力有足夠的安全裕度和在循環(huán)載荷作用下處于安定或滿足疲勞分析要求為焊接控制要點。

為避免焊接應力對焊接質(zhì)量的影響，開孔連接支管處的環(huán)焊縫應采用全熔透焊接，支座或焊臺等補強件應采用安放式對焊焊接，焊接方式采用單面焊雙面成型技術(shù)，可保證焊縫的內(nèi)表面成型平緩圓滑，焊縫的焊高高于補強需求高度且與連接管平緩過渡，均可有效降低因開孔引起的焊接區(qū)域的應力集中程度，增強開孔連接的安全性。

由于高溫氣-固混相管線的材質(zhì)特殊，且厚度等級高，因此焊接時常需進行預熱和熱處理，以減小焊接應力和焊接缺陷的發(fā)生，焊縫常通過超聲波和磁粉或滲透進行檢測，以確保支管環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。

4 結(jié)束語

高溫氣-固混相管線必須進行開孔操作時，新建裝置可選用熱開孔和冷開孔技術(shù)，其他狀況優(yōu)先選用冷開孔技術(shù)，兩種開孔技術(shù)均需保證開孔操作清潔度，開孔對主管材質(zhì)和形狀的破壞性小，管孔內(nèi)壁尖角均應磨成圓角，不僅可緩解該點應力集中，還可以減弱內(nèi)壁尖角對固相介質(zhì)的磨損。

開孔操作使主管的強度降低，連續(xù)性被破壞，常需通過增加壁厚的方式進行補強，孔管補強通常以等面積法進行計算，主要有補強板（補強圈）、補強管（支座）和焊臺三種方式，最常使用的是加強支管座。

開孔連接支管處的環(huán)焊縫應采用全熔透焊接，支座或焊臺等補強件應采用安放式焊接，焊接方式采用單面焊雙面成型技術(shù)，可保證焊縫的內(nèi)表面成型平緩圓滑，焊縫的焊高高于補強需求高度且與連接管平緩過渡，焊接過程需進行預熱和熱處理。