在役管道塞堵三通質(zhì)量缺陷原因分析與對(duì)策

寧 博

中石化河南油建工程有限公司，河南南陽 473132

管道帶壓開孔封堵技術(shù)是一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效的管道搶維修施工技術(shù)。在不停輸工況下進(jìn)行管道的更換、換閥及增加支線等施工作業(yè)，或在管道發(fā)生泄漏時(shí)對(duì)事故管道進(jìn)行快速搶修，都需要采用管道帶壓開孔封堵技術(shù)[1]。要進(jìn)行帶壓開孔封堵作業(yè)，必須在不停輸管道上焊接一個(gè)塞堵三通，在其上面安裝夾板閥、開孔機(jī)時(shí)可進(jìn)行開孔作業(yè)；安裝夾板閥、封堵機(jī)時(shí)可進(jìn)行管道封堵作業(yè)；封堵完成后在三通上安裝塞堵塊、法蘭盲板，用于封堵法蘭端出口的堵孔。塞堵三通因而廣泛應(yīng)用于石油、天然氣管道改造、搶修等工程項(xiàng)目中，塞堵三通管件的產(chǎn)品質(zhì)量、安裝質(zhì)量、可靠性對(duì)管道帶壓封堵作業(yè)安全和管道運(yùn)行安全有重要影響[2]。本文針對(duì)在役油氣管道塞堵三通使用過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行原因分析，提出處理對(duì)策與改進(jìn)措施。

1 常用塞堵三通結(jié)構(gòu)

塞堵三通是進(jìn)行帶壓開孔封堵工作的關(guān)鍵部件，是一個(gè)法蘭部位帶有塞堵和卡環(huán)機(jī)構(gòu)的全包圍式特制三通，其主要結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 塞堵三通的主要結(jié)構(gòu)

塞堵三通是一種壓力管道元件組合部件。生產(chǎn)制造單位需要取得B2級(jí)以上鋼制管件的特種設(shè)備制造許可[3]。由于它是一種特殊的三通，除三通、法蘭、螺栓組合件有可采用的制造標(biāo)準(zhǔn)外，塞堵塊、調(diào)節(jié)絲堵、卡套等部件無制造標(biāo)準(zhǔn)。在結(jié)構(gòu)形式、制造工藝要求、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等方面各個(gè)生產(chǎn)廠家存在差異。

2 在役塞堵三通主要質(zhì)量問題

國內(nèi)某管道儲(chǔ)運(yùn)公司組織對(duì)使用期超過十年的管道改線、連頭所用的塞堵三通進(jìn)行了隱患排查工作。共對(duì)19處塞堵三通進(jìn)行了在役檢查，發(fā)現(xiàn)3個(gè)塞堵三通存在質(zhì)量問題和安全隱患，見表1。

表1 在役塞堵三通質(zhì)量問題案例

3 塞堵三通主要質(zhì)量問題原因分析

針對(duì)塞堵三通使用過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，從制造質(zhì)量、安裝施工、運(yùn)行管理三方面進(jìn)行原因分析與探討。

3.1 塞堵三通制造質(zhì)量的合格性

查看案例2所用DN400等徑塞堵三通工程項(xiàng)目存檔技術(shù)資料，只有產(chǎn)品合格證（標(biāo)識(shí)了該管件規(guī)格型號(hào)為DN400、設(shè)計(jì)壓力 10 MPa，材質(zhì)Q345R，三通壁厚為22 mm），未見三通試壓報(bào)告、塞堵塊強(qiáng)度及嚴(yán)密性試驗(yàn)資料、三通焊接無損檢測報(bào)告等，說明該產(chǎn)品出廠技術(shù)資料不全，沒有按壓力管道元件制造要求進(jìn)行檢驗(yàn)和交付，不能核實(shí)其質(zhì)量的合格性。

3.2 塞堵三通盲板法蘭密封墊滲漏原因

塞堵三通盲板法蘭密封墊滲漏與管道運(yùn)行壓力波動(dòng)、螺栓擰緊載荷、墊片壓緊力等因素有關(guān)。其變化都可能使密封墊片產(chǎn)生緩慢蠕變或松弛，導(dǎo)致盲板法蘭密封墊片產(chǎn)生滲漏。滲漏原因可從以下方面查找。

3.2.1 查看管道運(yùn)行壓力是否存在超壓記錄

查看案例2原油管道運(yùn)行記錄，發(fā)現(xiàn)管路運(yùn)行壓力基本上在4.5～8.0 MPa范圍內(nèi)，但有三次超過設(shè)計(jì)壓力（8.5 MPa），最大一次壓力脈動(dòng)值達(dá)到10.3 MPa，可能導(dǎo)致塞堵三通盲板法蘭密封墊片產(chǎn)生滲漏。

3.2.2 校核盲板法蘭緊固螺栓擰緊載荷是否低于工況要求

對(duì)案例2盲板法蘭緊固螺栓進(jìn)行了現(xiàn)場復(fù)驗(yàn)，基本情況為：連接螺栓型號(hào)為M39，螺栓材質(zhì)為40Cr，數(shù)量16個(gè)，法蘭密封墊片材料為纏繞式內(nèi)填石棉不銹鋼墊片，法蘭材質(zhì)為Q345R鍛材。

（1） 根據(jù)GB/T 17186.1—2015[4]可知， 最大壓力工況狀態(tài)下螺栓載荷Wm1為：

式中：H為總端部靜壓力，kN；Hp為連接接觸表面的總壓縮力，kN；G為墊片壓緊力作用位置處的直徑，mm；P為最大工作內(nèi)壓力，取10.3 MPa；b為墊片有效密封寬度，mm；m為墊片系數(shù)，取3；bo為墊片基本密封寬度，mm；D0為墊片外徑，取489 mm；d1為墊片內(nèi)徑，取407 mm。

（2） 根據(jù)GB/T 17186.1可知，現(xiàn)用螺栓可承受的允許載荷Wm2為：

式中：Ab為實(shí)際螺栓總橫截面積，mm2；為螺栓的許用應(yīng)力，MPa， 根據(jù)GB/T 3077—2015，40Cr螺栓在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力為314 MPa；n為螺栓個(gè)數(shù)，16個(gè)；db為螺栓實(shí)際直徑，mm，取39 mm。

從上述計(jì)算可知，Wm1＜Wm2，因此現(xiàn)用盲板法蘭緊固螺栓可以滿足最大壓力工況使用要求，表明不是因緊固螺栓選用不當(dāng)引起法蘭密封墊滲漏。

（3） 保證密封墊片不滲漏所需的最小螺栓擰緊載荷Wm3為：

式中：y為墊片預(yù)緊密封比壓，取69 MPa。

通過Wm3核算可知，為保證密封墊片不滲漏，擰緊螺栓所需的最小載荷不能低于Wm3值（1 208.96 kN）。從上述計(jì)算可知，Wm1＜Wm3，表明最大工況下的螺栓受力載荷作用不會(huì)引起密封墊滲漏，只有當(dāng)實(shí)際擰緊螺栓的載荷低于Wm3值時(shí)才會(huì)導(dǎo)致墊片壓緊力不足而出現(xiàn)滲漏。所以塞堵三通盲板法蘭發(fā)生密封墊滲漏應(yīng)是法蘭緊固螺栓實(shí)際擰緊載荷低于1 208.96 kN而導(dǎo)致的。

3.3 調(diào)節(jié)絲堵密封滲漏原因

封堵三通是一個(gè)有內(nèi)置塞堵塊總成件的特殊管件。調(diào)節(jié)絲堵是一個(gè)自帶調(diào)節(jié)套的雙絲螺栓，其作用是通過頂進(jìn)卡套將塞堵塊固定在塞堵三通內(nèi)腔。通過丁腈橡膠型密封圈外加紫銅墊片對(duì)調(diào)節(jié)絲堵進(jìn)行靜態(tài)密封，防止其在工作溫度、壓力作用下而發(fā)生泄漏。案例1和案例2塞堵塊調(diào)節(jié)絲堵都發(fā)生了油品滲漏，說明調(diào)節(jié)絲堵丁腈橡膠O型圈長期使用承壓后，因橡膠老化、擠壓變形、損壞等因素導(dǎo)致靜態(tài)密封失效，從而使調(diào)節(jié)絲堵密封滲漏。

3.4 塞堵三通與主管道的焊接環(huán)向角焊縫產(chǎn)生表面裂紋的原因

從案例3工程交工資料來看，材質(zhì)為L415M的主管道與材質(zhì)為Q345三通焊接是在不停輸帶壓工況下進(jìn)行的，對(duì)三通與主管焊接的環(huán)向角焊縫進(jìn)行了磁粉檢測、超聲檢測，結(jié)果合格，說明檢測時(shí)環(huán)焊縫表面沒有產(chǎn)生裂紋。運(yùn)行多年后，檢查發(fā)現(xiàn)與主管角接的環(huán)向焊縫產(chǎn)生了表面裂紋，分布在三通與主管焊趾部位，長度有5 mm。該表面裂紋應(yīng)該是在超聲檢測完成后發(fā)現(xiàn)的，說明在帶壓焊接作業(yè)后，環(huán)向角焊縫因應(yīng)力集中、焊接缺陷、工作載荷作用而產(chǎn)生了表面延遲裂紋。而產(chǎn)生表面延遲裂紋的主要因素有焊接工藝、焊接方法、焊接材料的選擇不合理以及焊接應(yīng)力控制、焊接熱輸入量控制不當(dāng)[5]。

4 塞堵三通主要質(zhì)量問題的處理對(duì)策

4.1 制造質(zhì)量缺陷的處理對(duì)策

4.1.1 嚴(yán)格執(zhí)行塞堵三通制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，按特制管件進(jìn)行制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收

目前國內(nèi)沒有塞堵三通的產(chǎn)品制造、驗(yàn)收國家標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家基本上都是執(zhí)行的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為了確保塞堵三通制造質(zhì)量，結(jié)合壓力管道元件制造規(guī)范，建議塞堵三通的制造按表2要求執(zhí)行。

表2 塞堵三通制造要求及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

塞堵三通制造過程中除了按各部件制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)及驗(yàn)收外，還應(yīng)按以下要求對(duì)塞堵三通進(jìn)行整體檢驗(yàn)及驗(yàn)收：

（1） 各部件的驗(yàn)收應(yīng)提供材料質(zhì)量證明、產(chǎn)品合格證、檢驗(yàn)報(bào)告等相關(guān)資料。

（2） 對(duì)焊法蘭與三通焊縫應(yīng)按NB/T 47013—2015[6]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行射線探傷檢測，I級(jí)合格。三通環(huán)向角焊縫應(yīng)按NB/T47013—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲探傷檢測，I級(jí)合格。

（3） 塞堵三通應(yīng)按設(shè)計(jì)壓力的1.5倍進(jìn)行整體壓力試驗(yàn)，保壓時(shí)間不少于30 min，要求在三通未剖開前進(jìn)行整體液壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)整個(gè)三通、焊縫、法蘭、緊固螺栓的強(qiáng)度及嚴(yán)密性，提供壓力試驗(yàn)報(bào)告。整體試驗(yàn)裝置可參考圖2進(jìn)行制作。

（4） 拆除法蘭盲板蓋，對(duì)塞堵三通內(nèi)的塞堵塊、卡板、調(diào)節(jié)絲堵與三通一起按設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行整體壓力試驗(yàn)，保壓2 h以上，對(duì)所有連接部位進(jìn)行檢查，檢驗(yàn)塞堵塊、卡板等密封性能及耐壓強(qiáng)度，提供試驗(yàn)報(bào)告。

圖2 塞堵三通整體試驗(yàn)裝置示意

4.1.2 使用新型全包無漏點(diǎn)式塞堵三通，杜絕調(diào)節(jié)絲堵密封泄漏問題

新型全包無漏點(diǎn)式封堵管件由三通、塞堵塊、下護(hù)板、盲板法蘭、密封墊、高強(qiáng)度螺栓、螺母以及內(nèi)漲式卡板等組成[7]，見圖3。與圖1結(jié)構(gòu)的塞堵三通最大區(qū)別是少了頂進(jìn)卡板的調(diào)節(jié)絲堵。無漏點(diǎn)式塞堵塊采用內(nèi)漲式卡板固定在三通法蘭內(nèi)腔并形成密封，在三通法蘭外圓表面沒有調(diào)節(jié)絲堵，從而不會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)絲堵鎖環(huán)孔泄漏隱患。使用時(shí)應(yīng)對(duì)全包無漏點(diǎn)式封堵管件進(jìn)行整體強(qiáng)度及嚴(yán)密性試驗(yàn)，合格后用于管道帶壓開孔封堵作業(yè)，可杜絕調(diào)節(jié)絲堵密封泄漏問題。

圖3 全包無漏點(diǎn)式塞堵三通實(shí)物

4.1.3 嚴(yán)格塞堵三通制造技術(shù)資料存檔，確保管件制造質(zhì)量可追溯

應(yīng)對(duì)塞堵三通產(chǎn)品質(zhì)量證明文件進(jìn)行驗(yàn)收和存檔，除包括三通、盲板法蘭、密封墊、螺栓、螺母等成品元件的質(zhì)量證明書外，還應(yīng)包括塞堵三通整體強(qiáng)度及嚴(yán)密性檢驗(yàn)報(bào)告、塞堵塊強(qiáng)度及嚴(yán)密性試驗(yàn)報(bào)告、焊縫無損檢測報(bào)告、產(chǎn)品合格證等，嚴(yán)格按壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程要求進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)收和資料存檔。

4.2 安裝質(zhì)量缺陷的處理對(duì)策

4.2.1 檢查輸油管道泄壓保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，確保管路系統(tǒng)不超壓運(yùn)行[8]

要保證泄壓保護(hù)系統(tǒng)安全可靠、有效，要求運(yùn)保值班人員每班對(duì)泄漏壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查維護(hù)，尤其是要對(duì)先導(dǎo)式泄壓閥、閥芯濾芯、過濾器、泄壓管進(jìn)行檢查和定期維護(hù)保養(yǎng)，確保不堵塞、無損傷、不失效。

4.2.2 采用可調(diào)扭矩專用工具對(duì)法蘭螺栓進(jìn)行緊固，確保盲板法蘭不泄漏

要確保盲板法蘭擰緊螺栓載荷不低于Wm3值（1 208.96 kN），需要嚴(yán)格控制擰緊螺栓載荷的大小，應(yīng)采用可調(diào)扭矩專用工具對(duì)法蘭螺栓進(jìn)行緊固，確保擰緊螺栓載荷。

盲板法蘭緊固螺栓材質(zhì)為40Cr，現(xiàn)場使用的M39螺栓標(biāo)示為9.8級(jí)，其螺栓屈服強(qiáng)度為785 MPa。根據(jù)凱特克hytorc液壓扳手提供的鉻鉬合金鋼螺栓及螺母擰緊推薦的最大扭矩?cái)?shù)據(jù)可知，屈服強(qiáng)度為785 MPa的鉻鉬合金鋼推薦使用的螺栓最大擰緊力矩值為 1 724.8 N·m。選用 HY—STEALTH 4 with HEX LINK型號(hào)的可調(diào)扭矩液壓扳手，在調(diào)整壓力值為20.7 MPa的情況下，hytorc液壓扳手可提供1 628 N·m擰緊力矩值，可保證法蘭擰緊螺栓所需的載荷。

對(duì)螺栓緊固力矩進(jìn)行合理分配。建議擰緊螺栓時(shí)第一圈按鎖緊力矩值的40%、第二圈按70%、第三圈按100%共擰三圈進(jìn)行力矩分配，通過調(diào)整液壓系統(tǒng)的壓力值為9、15、20.7 MPa實(shí)現(xiàn)力矩分配，緊固螺栓的順序應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行緊固。

4.2.3 三通環(huán)向角焊縫嚴(yán)格控制焊接熱輸入量和冷卻速度，防止產(chǎn)生表面延遲裂紋

從案例3三通安裝技術(shù)質(zhì)量存檔記錄可知，三通與主管道的焊接是在不停輸工況下進(jìn)行的，焊接方法為手工電弧焊，采用的焊接工藝規(guī)程是按SY/T4103《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》 非在役條件下評(píng)定合格的焊接工藝進(jìn)行編制的，沒有根據(jù)管道不停輸焊接工況對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行控制，從而為焊接熱影響區(qū)的淬硬組織在焊接應(yīng)力作用下產(chǎn)生表面延遲裂紋提供了條件[9]。因此需要對(duì)三通焊接制訂針對(duì)性的焊接工藝、控制焊接熱輸入量和焊接速度等。

（1） 模擬帶壓焊接工況進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)和工藝評(píng)定：模擬帶壓焊接工況進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，就是通過控制介質(zhì)流速和管道壓力、焊接熱輸入量以避免產(chǎn)生焊接裂紋和管壁燒穿，確保焊接作業(yè)安全。塞堵三通的焊接作業(yè)應(yīng)按GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》[10]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定，由此編制出合格的焊接工藝規(guī)程用于三通環(huán)向角焊縫的焊接。 結(jié)合案例3使用工況，模擬帶壓工況焊接工藝試驗(yàn)情況見表3。

表3 模擬帶壓工況焊接工藝試驗(yàn)

對(duì)模擬工況塞堵三通環(huán)向角焊縫焊接試驗(yàn)按GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》 進(jìn)行檢驗(yàn)，其焊縫外觀質(zhì)量、磁粉檢驗(yàn)、面彎試驗(yàn)、宏觀金相試驗(yàn)、刻槽錘斷試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)結(jié)果均合格，說明該焊接工藝可行、有效。

（2） 對(duì)管道帶壓焊接時(shí)的熱輸入量進(jìn)行控制。焊接參數(shù)直接影響焊接接頭的熱循環(huán)特性，并對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能有影響。因此帶壓焊接時(shí)需要對(duì)焊接熱輸入量進(jìn)行控制。

管道帶壓焊接時(shí)的熱輸入量按下式計(jì)算：

式中：Hi為熱輸入量，J/mm；K為系數(shù)，對(duì)焊時(shí)取0.85，角焊時(shí)取0.57；V為焊接電壓，V； A為焊按電流，A；S為焊接速度，mm/s。

根據(jù)模擬焊接工藝試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)計(jì)算出熱輸入量見表3，并依此控制焊接參數(shù)。

（3） 對(duì)允許帶壓施焊管道運(yùn)行壓力進(jìn)行核算，確保施焊時(shí)不超壓。根據(jù)GB/T28055—2011[11]《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》 計(jì)算允許帶壓施焊的管道運(yùn)行壓力：

式中：P為管道允許帶壓施焊的壓力，MPa；αs為管材的最小屈服極限，415 MPa；T為焊接處管道實(shí)際壁厚，取9.8 mm；C為因焊接引起的壁厚修正值，取2.8 mm；D為管道外徑，取610 mm；F為安全系數(shù)，原油、成品油管道取0.68。

只要焊接時(shí)管內(nèi)運(yùn)行壓力低于6.47 MPa，帶壓施焊作業(yè)均是安全可行的。

總之，按照模擬工況評(píng)定合格的焊接工藝制訂焊接工藝規(guī)程并嚴(yán)格執(zhí)行，可以解決塞堵三通環(huán)向角焊縫出現(xiàn)表面延遲裂紋質(zhì)量缺陷問題。

5 結(jié)束語

針對(duì)在役管道塞堵三通運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，本文從產(chǎn)品制造、安裝施工、運(yùn)行管理等方面進(jìn)行了原因分析與探討，提出了一些處理對(duì)策與改進(jìn)措施，對(duì)生產(chǎn)、施工、使用單位提高塞堵三通的產(chǎn)品質(zhì)量、安裝質(zhì)量和管道系統(tǒng)使用安全有一定的借鑒作用。