油氣管道套筒修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

周順榮

西南管道公司昆明維搶修分公司 云南昆明 650000

目前，我國(guó)已建油氣管道已逐步邁向“老齡化”階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建油氣管道服役時(shí)間在10～20 年之間的約占30%左右，服役時(shí)間超過20 年的約占20%以上。管道在長(zhǎng)期服役過程中由于地理環(huán)境、地質(zhì)條件、管道腐蝕、第三方破壞等因素影響，將不可避免的產(chǎn)生各類缺陷而影響管道的正常運(yùn)行。

為保障管道安全、平穩(wěn)運(yùn)行，避免管道因壁厚減薄、管體缺陷等因素造成介質(zhì)泄漏事故，需及時(shí)對(duì)缺陷部位進(jìn)行加固或修復(fù)。套筒修復(fù)是一項(xiàng)較為成熟的管道缺陷修復(fù)技術(shù)，目前，油氣管道常用的套筒類型包括A 型套筒和B 型套筒兩類。

1 A 型套筒修復(fù)技術(shù)

A 型套筒主要適用于管壁損傷、電弧燒傷、管體凹陷、管道直焊縫凹陷等缺陷的修復(fù)，A 型套筒安裝后僅需焊接兩側(cè)的直焊縫，不涉及在役管道的焊接，修復(fù)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。PRCI《修復(fù)手冊(cè)》規(guī)定：A 型套筒的安裝壓力必須低于管道缺陷區(qū)域所處壓力；國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：A 型套筒修復(fù)時(shí)應(yīng)將管道壓力降低至焊接工藝評(píng)估值，且不超過0.8 倍的管道運(yùn)行壓力，對(duì)于天然氣管道應(yīng)停氣泄壓后進(jìn)行套筒修復(fù)。

1.1 A 型套筒結(jié)構(gòu)特征

A 型套筒由兩塊半圓護(hù)板或兩片適當(dāng)彎曲的板件組成，安裝于管道缺陷部位并將左右兩側(cè)焊縫焊接后完成修復(fù)作業(yè)，套筒結(jié)構(gòu)如圖1 所示。A 型套筒焊縫可為單面V 形對(duì)接焊縫，或者由一條搭接鋼帶連接套筒的兩個(gè)半圓并焊接鋼帶與套筒間的半圓角，套筒焊縫結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 A 型套筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 帶擋條焊縫和側(cè)帶搭接焊縫示意圖

1.2 A 型套筒修復(fù)要點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

A 型套筒修復(fù)時(shí)，應(yīng)將油氣管道缺陷處的壓力降至運(yùn)行壓力的0.8 倍以下，安裝時(shí)應(yīng)使套筒緊貼管壁，焊接前應(yīng)進(jìn)行焊口預(yù)熱；管道缺陷處與套筒間的環(huán)空間隙應(yīng)填充環(huán)氧樹脂、聚酯化合物等可硬化材料。

A 型套筒安裝簡(jiǎn)單，修復(fù)后的兩側(cè)直焊縫無需進(jìn)行嚴(yán)格的無損檢測(cè)，主要用于管道上較小缺陷的修復(fù)；由于結(jié)構(gòu)限制，A 型套筒不能用于修復(fù)管道環(huán)向缺陷或管道泄漏的修復(fù)，且套筒與管體間的環(huán)空區(qū)域較為狹窄，管道陰極保護(hù)工藝實(shí)施難度較大，管道缺陷修復(fù)處存在潛在的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

2 B型套筒修復(fù)技術(shù)

B 型套筒修復(fù)作為一種焊接修復(fù)方式，是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中除換管外的唯一一種管道缺陷永久性修復(fù)方式，可適用于管道的機(jī)械損傷、焊縫缺陷、裂紋及腐蝕等多種缺陷類型的修復(fù)，是一項(xiàng)重要的管道缺陷修復(fù)技術(shù)研究方向。

2.1 B型套筒結(jié)構(gòu)特征

B 型套筒主要由兩片半圓狀弧板組成，修復(fù)時(shí)將套筒組對(duì)安裝至管道缺陷處并焊接左右兩側(cè)橫焊縫和前后環(huán)焊縫，以實(shí)現(xiàn)缺陷修復(fù)目的。套筒主要參數(shù)包括：管道外徑Do；管道壁厚Tp；套筒長(zhǎng)度L；套筒厚度Ts；套筒與管道間隙G；角焊縫高度Tj 等。B 型套筒結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 B型套筒結(jié)構(gòu)示意圖

B 型套筒修復(fù)時(shí)，套筒兩端與管道間的環(huán)向間隙將以焊接方式與管道連接，可用于修復(fù)管道泄漏或補(bǔ)強(qiáng)環(huán)形缺陷。由于B 型套筒已代替原管道環(huán)形焊縫在管道上形成接頭，套筒必須設(shè)計(jì)為高致密結(jié)構(gòu)以承載管道運(yùn)行壓力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究表明，B 型套筒的材料可按照原管道材料等級(jí)選取，套筒長(zhǎng)度一般控制在300mm～600mm范圍內(nèi)。套筒壁厚的確定可按照輸送管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用等強(qiáng)度匹配設(shè)計(jì)并綜合考慮地質(zhì)穩(wěn)定情況，一般控制在17mm～25mm 范圍內(nèi)。套筒安裝間隙的確定應(yīng)綜合考慮實(shí)際施工過程中B 型套筒的安裝難度、管道本體變形、管道焊縫、焊接工作量等方面因素，安裝間隙一般控制在3mm～5mm 范圍內(nèi)。

B 型套筒按照結(jié)構(gòu)可分為圓形套筒、凸式套筒和凹槽式套筒。圓形套筒主要用于修復(fù)表面平滑的管道。凸式套筒預(yù)制有空腔突起部分，主要為了過渡焊縫或用于管道缺陷部位存在突起部件時(shí)的修復(fù)。凹槽式套筒安裝時(shí)凹槽罩于焊縫處，其他部分與管體貼合，套筒設(shè)計(jì)壁厚需減去凹槽深度，即套筒整體厚度大于其他兩類套筒。

2.2 B型套筒修復(fù)要點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

（1）B 型套筒修復(fù)作業(yè)前應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并嚴(yán)格按照焊接工藝施焊。

（2）管道缺陷修復(fù)時(shí)，應(yīng)將管道運(yùn)行壓力降低至焊接工藝安全評(píng)估值，且不超過管道運(yùn)行壓力的0.8 倍；對(duì)于天然氣管道，應(yīng)停氣泄壓后進(jìn)行缺陷修復(fù)。

（3）套筒修復(fù)后的所有焊縫應(yīng)采用無損檢測(cè)方法進(jìn)行探傷。

（4）B 型套筒可適用于油氣管道缺陷永久性修復(fù)，修復(fù)后的管道具有良好的承載能力，可滿足管道的正常運(yùn)行。

（5）B 型套筒修復(fù)工藝相較A 型套筒修復(fù)工藝復(fù)雜。

（6）相較換管修復(fù)方式，B 型套筒修復(fù)具有修復(fù)周期短、修復(fù)費(fèi)用相對(duì)較低、對(duì)環(huán)境破壞程度較小等優(yōu)點(diǎn)。

3 B型套筒修復(fù)難點(diǎn)

3.1 氫致開裂

氫致開裂是由于氫原子滲入管材內(nèi)并在空穴處轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿討B(tài)聚集而產(chǎn)生很高的內(nèi)壓，使得鋼材在內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。B 型套筒用于在役管道缺陷修復(fù)時(shí)，管道內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)會(huì)加快焊道的冷卻速度，焊縫迅速冷卻將導(dǎo)致鋼的淬硬傾向增加而產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織；此時(shí)，若焊接所用焊條藥皮未充分烘干，管道表面存在水分、油污、鐵銹等附著物，焊接時(shí)空氣濕度過大，則焊縫處將可能產(chǎn)生大量的擴(kuò)散氫并滲入氫原子，當(dāng)焊縫處承受的應(yīng)力超過臨界應(yīng)力時(shí)將導(dǎo)致氫致開裂。

為避免在役管道B 型套筒修復(fù)時(shí)氫致開裂的發(fā)生，可采取以下措施：（1）控制氫源。焊接前應(yīng)清除坡口及附近的油污、鐵屑等雜質(zhì)并進(jìn)行焊口預(yù)熱，可選擇低氫型焊條并嚴(yán)格進(jìn)行烘干，焊接時(shí)可采用低氫焊接工藝。（2）控制硬度。據(jù)研究表明：焊前預(yù)熱可提高母材的溫度，延長(zhǎng)焊道的t8/ 5，降低焊縫凝固后的冷卻速度；焊接過程中應(yīng)避免在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)局部區(qū)域施加較大的熱量輸入，宜多層多道施焊。（3）控制殘余應(yīng)力。套筒焊接后的殘余應(yīng)力會(huì)影響焊縫質(zhì)量，若殘余應(yīng)力過大將可能引起氫致開裂或延遲裂紋。據(jù)研究表明：合理的安裝、固定支撐、焊前預(yù)熱、合理的焊道順序、焊后熱處理、焊縫保溫等措施可減少焊縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.2 燒穿

在役管道上焊接B 型套筒時(shí)，管道內(nèi)部介質(zhì)存在一定壓力。焊接時(shí)若管道未熔化金屬的強(qiáng)度不足以抵抗焊接高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力和管道內(nèi)介質(zhì)壓力的共同作用力，將會(huì)導(dǎo)致管道燒穿失穩(wěn)而造成嚴(yán)重的安全事故。據(jù)研究表明：在役管道B 型套筒焊接時(shí)管道燒穿主要包括焊接熱量輸入過大導(dǎo)致的直接燒穿和管材未熔部分強(qiáng)度在高溫作用下不足以抵抗管內(nèi)介質(zhì)壓力而產(chǎn)生的間接燒穿。

據(jù)研究表明，在役管道焊接時(shí)燒穿受到管道本體、焊接工藝參數(shù)、附加壓力、管內(nèi)介質(zhì)等多種因素的影響。通常認(rèn)為，管道焊接時(shí)燒穿的主要因素包括壁厚、管內(nèi)介質(zhì)壓力和焊接線能量。焊接時(shí)：壁厚越厚、熔深越小，則越不易燒穿。而熔深隨焊接線能量的增加而增加，當(dāng)線能量一定時(shí)，熔深隨焊接電流的增大而增加。在役管道焊接時(shí)，若線能量過大，則熔深過大促使管壁減薄，管壁未熔化金屬無法承受管內(nèi)介質(zhì)壓力時(shí)將發(fā)生管道破裂；若線能量過小，熔深不夠?qū)?dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能差，焊縫冷卻速度過快，最終可能導(dǎo)致氫致開裂。

在役管道焊接的技術(shù)難點(diǎn)在于既要保證充分的焊接熱輸入以防止焊后氫致開裂，還需避免熱量輸入過大導(dǎo)致燒穿。除此之外，部分管道介質(zhì)在焊接高溫的影響下易發(fā)生分解，在高溫環(huán)境下局部壓力迅速升高將增加爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

套筒修復(fù)技術(shù)適用于管道多種缺陷類型的修復(fù)，套筒修復(fù)在用于油品管道缺陷修復(fù)時(shí)，既可保障管道介質(zhì)輸送的連續(xù)性，還具有修復(fù)成本低、修復(fù)工期短、環(huán)境破壞小等優(yōu)點(diǎn)。但油氣管道的在役焊接具有多種不確定因素，包括作業(yè)條件、不良環(huán)境、人員技能等方面。因此，在套筒修復(fù)時(shí)需制定合理的焊接工藝條件和完善的作業(yè)管理程序，確保套筒修復(fù)工作安全實(shí)施。

（1）A 型套筒修復(fù)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，修復(fù)過程不涉及管道本體的焊接，但不適用于管道環(huán)向、泄露或較大缺陷類型的修復(fù)。

（2）B 型套筒修復(fù)適用于管道的機(jī)械損傷、腐蝕、裂紋、焊縫缺陷等多種缺陷類型的修復(fù)，是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中除換管外的唯一一種管道缺陷永久性修復(fù)方式，是一項(xiàng)重要的管道修復(fù)技術(shù)研究方向。

（3）B 型套筒修復(fù)時(shí)焊縫質(zhì)量要求高，修復(fù)過程中存在氫致開裂、燒穿等風(fēng)險(xiǎn)，為防止燒穿，施焊前需預(yù)先對(duì)管道運(yùn)行條件和焊接工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定安全的焊接參數(shù)；同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制氫含量以及熱影響區(qū)硬度，防止出現(xiàn)氫致開裂。