山地成品油管道封堵技術(shù)的焊接壓力控制研究

段含斌

(國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司華南分公司，廣東 廣州 510620)

隨著我國(guó)長(zhǎng)輸成品油的管道的不斷建設(shè)和發(fā)展，在管道遷改、維修換管或泄漏搶險(xiǎn)等活動(dòng)中，帶壓封堵已經(jīng)成為一項(xiàng)被廣泛應(yīng)用的技術(shù)，其中封堵三通的焊接又是帶壓封堵作業(yè)中必不可少的關(guān)鍵工序。由于三通焊接作業(yè)產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致金屬管道強(qiáng)度顯著降低，因此一旦管道在高溫狀態(tài)的承載能力低于當(dāng)時(shí)的管內(nèi)壓力，將極易誘發(fā)管道穿孔、油品泄露，伴隨焊接高溫引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故，甚至引發(fā)群死群傷的惡性事故。因此，合理的壓力控制對(duì)封堵三通焊接作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制極其重要。

我國(guó)成品油管道的管徑越來(lái)越大、管道的長(zhǎng)度也越來(lái)越長(zhǎng)、管道占地區(qū)域環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜、輸送的油品種類也愈加多樣化，輸送壓力的控制手段就會(huì)變得比較復(fù)雜。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，管道企業(yè)選擇合理的水力控制技術(shù)對(duì)于管道的系統(tǒng)控制非常重要。在流體力學(xué)研究理論體系中，成品油管道壓力、流量和高程變化之間相互影響，互為變量；在高程不變的情況，常用的成品油管道水力系統(tǒng)控制措施主要有壓力控制和流量控制兩種方法。由于封堵焊接理論重點(diǎn)對(duì)管內(nèi)壓力進(jìn)行了限定，因此對(duì)于待封堵的管道要求優(yōu)先采用壓力控制方法對(duì)管道水力系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)控制。在我國(guó)西南山區(qū)，沿途敷設(shè)的成品油管道高低落差較大，管道壓力隨地形起伏變化大，其管內(nèi)壓力相對(duì)于平原地區(qū)的管道而言更難控制，這必然給管道遷改時(shí)三通焊接壓力的控制造成一定困難[1]。

國(guó)內(nèi)石油天然氣行業(yè)已經(jīng)針對(duì)成品油管道封堵已經(jīng)頒發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，特別是對(duì)于管道封堵焊接期間的焊接壓力控制給出了理論計(jì)算方法，但是因成品油管道沿線的高差起伏、地形地貌、輸送介質(zhì)和管內(nèi)壓力不一致，因此管道封堵的行業(yè)規(guī)范沒(méi)有也無(wú)法對(duì)油氣管道的壓力控制給出統(tǒng)一而具體的控制措施，還需要在具體的問(wèn)題中做具體的分析。因此，分析研究山地成品油管道遷改中的封堵三通焊接壓力控制方法及其適用條件，對(duì)保障管道遷改工程作業(yè)安全具有非常實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 焊接壓力控制理論

根據(jù)管道輸送的介質(zhì)和工藝狀況，可以選擇停輸或不停輸工藝。對(duì)于允許停輸?shù)墓艿?，若能夠在?guī)定的時(shí)間內(nèi)完成遷改或維修改造工作，宜采用停輸封堵工藝，否則應(yīng)采用不停輸工藝。一般不停輸工藝是在管道上開(kāi)旁通孔，建立旁通管道以達(dá)到不停輸目的。無(wú)論管道停輸與否，焊接三通都是開(kāi)孔、封堵或建立旁通管路的必要前提。為確保施工安全，三通焊接時(shí)的管內(nèi)壓力不得超過(guò)允許施焊的最大壓力值[2]。根據(jù)行業(yè)規(guī)范、管道技術(shù)規(guī)格和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算成品油長(zhǎng)輸管道封堵三通允許帶壓施焊的最大壓力如下：

式中：p——管道允許帶壓施焊的壓力，MPa

σs——管材的最小屈服壓力，MPa

t——焊接處管道實(shí)際壁厚，mm

c——因焊接引起的壁厚修正量，mm

D——管道外徑，mm

f——安全系數(shù)(原油、成品油管道取0.55)

2 壓力控制方法

2.1 不停輸帶壓焊接

在條件允許的情況下，為了盡量避免或者減少封堵作業(yè)對(duì)成品油市場(chǎng)供應(yīng)的影響，在管道遷改過(guò)程中，通常建議采取不停輸、只降低運(yùn)行壓力的控制方法進(jìn)行施工。結(jié)合三通焊接的理論基礎(chǔ)，不停輸帶壓焊接要求焊接時(shí)的管內(nèi)壓力既要不小于焊接點(diǎn)允許的最小運(yùn)行壓力[3]，同時(shí)也要求不超過(guò)焊接作業(yè)允許的最大壓力值。因此，如果允許焊接的最大壓力值低于該點(diǎn)允許的最小運(yùn)行壓力，則不停輸降壓焊接的壓力控制方法將無(wú)法使用，必須采取停輸封堵的方式。

2.2 停輸帶壓焊接

2.2.1 焊接點(diǎn)靜壓力小于允許焊接的最大壓力值

在條件具備的情況下，通過(guò)下游站庫(kù)打開(kāi)閥門(mén)泄壓，將封堵三通焊接點(diǎn)壓力降低至允許施焊的最大壓力值以下，以確保焊接作業(yè)時(shí)管內(nèi)壓力滿足施焊工藝計(jì)算要求。為確保焊接安全和給焊接作業(yè)留夠安全余量，在條件具備的情況應(yīng)當(dāng)盡量降低焊接點(diǎn)的管內(nèi)靜壓力。

對(duì)于山地成品管道而言，在三通焊接點(diǎn)與壓力泄放點(diǎn)中間管段，因地形起伏將不可避免的在局部形成翻越點(diǎn)[4]或小高點(diǎn)，因此在實(shí)際工作中不能做到無(wú)止境的泄壓。另外，下游的過(guò)度泄壓將導(dǎo)致管道上游較高位置的管段拉空形成負(fù)壓，甚至有可能造成管道吸癟現(xiàn)、油品氣化或者吸入空氣，從而破壞管道或增加混油量，甚至引發(fā)安全事故和質(zhì)量事故。

2.2.2 焊接點(diǎn)靜壓力大于允許焊接的最大壓力值

在山地管道中，由于地形起伏和管內(nèi)壓力變化較大，下游翻越點(diǎn)(或小高點(diǎn))與上游封堵三通計(jì)劃焊接位置的之間的高程差產(chǎn)生的靜壓力有可能已經(jīng)超過(guò)允許焊接的最大壓力值。此種情況在山地管道遷改施工過(guò)程中比較常見(jiàn)，主要采取以下兩種方式來(lái)控制三通焊接點(diǎn)的管內(nèi)壓力：

(1)如果擬遷改成品油管段長(zhǎng)度和位置固定不變，可以采取“二級(jí)封堵-截?cái)喔叱天o壓”的方式來(lái)解決三通焊接壓力超限的問(wèn)題，如圖1所示。一級(jí)封堵點(diǎn)A1、A2的位置選取不僅要求滿足該點(diǎn)壓力低于允許施焊的最大壓力值，而且要求能夠?qū)⒍?jí)封堵點(diǎn)B1、B2點(diǎn)的靜壓力降低在允許施焊的最大壓力值以下且留有安全余量。

(2)如果擬遷改成品油管段長(zhǎng)度和位置可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整，則可以采用“雙側(cè)雙封”[5]的方式將擬遷改改管段由C1-C2段延長(zhǎng)為A1-A2段，從而省去二級(jí)封堵降壓的施工過(guò)程。但是由于遷改管道長(zhǎng)度的延長(zhǎng)，這必將導(dǎo)致管道遷改工程造價(jià)的大幅度增加，同時(shí)也增加了廢棄管道長(zhǎng)度和油品回收的工作量。

圖1 “二級(jí)封堵-截?cái)喔叱天o壓”示意圖Fig.1 Schematic diagram of “secondary plugging - cut off elevation static pressure”

3 結(jié) 論

對(duì)于不停輸帶壓焊接而言，封堵三通焊接位置的選取要滿足允許施焊的最大壓力值大于該位置的最小運(yùn)行壓力，這必將導(dǎo)致不停輸焊接時(shí)管道運(yùn)行壓力控制區(qū)間極為有限；再加之成品油密度的變化、高程數(shù)據(jù)測(cè)量誤差以及油品流態(tài)的變化等因素，又進(jìn)步一給壓力控制增加難度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，不停輸帶壓封堵遷改成品油管道的工藝并不常見(jiàn)。

對(duì)于停輸帶壓焊接而言，可以采用停輸泄壓、二級(jí)封堵減壓、“雙側(cè)雙封”以及調(diào)整遷改長(zhǎng)度和封堵位置等方式來(lái)解決，但是對(duì)于管道遷改工程而言，還要綜合考量工程造價(jià)、安全條件以及土地和環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題進(jìn)行綜合比較。因此，在成品管道管道帶壓封堵壓力控制問(wèn)題上，還需要進(jìn)一步分析工程經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和安全的相互關(guān)系，以尋求一個(gè)最優(yōu)解決方案。