長輸管道換管修復(fù)技術(shù)關(guān)鍵問題分析

楊雄偉

（國家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道有限責(zé)任公司烏魯木齊應(yīng)急搶險中心，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

管道服役期間因施工、環(huán)境和第三方活動，可能產(chǎn)生腐蝕、裂紋、機(jī)械損傷等管體缺陷，甚至造成管道泄漏、斷裂失效事故[1]。2009年12月30日蘭鄭長輸成品油管道渭南支線發(fā)生柴油泄漏，約1500m3柴油流入黃河造成嚴(yán)重污染。換管修復(fù)是管道日常管理和完整性管理的重要組成部分。換管適用于所有缺陷類型及泄漏的修復(fù)。特別是應(yīng)用于管道斷裂、大量油氣泄漏的情形，不能采用堵漏夾具等修復(fù)技術(shù)。由于X80高鋼級管道廣泛應(yīng)用，對換管修復(fù)技術(shù)數(shù)字化、智能化、效率和施工質(zhì)量提出更高要求。為指導(dǎo)管道企業(yè)科學(xué)高效開展換管修復(fù)，闡述了管道換管技術(shù)中關(guān)鍵問題的先進(jìn)實(shí)踐做法，有助于提高我國管道搶修技術(shù)水平。

1 管道換管修復(fù)技術(shù)需求和發(fā)展趨勢

管道換管修復(fù)應(yīng)編制技術(shù)方案，替換管段承壓能力應(yīng)不低于待修復(fù)管道的設(shè)計(jì)能力。換管長度不小于2倍管徑，且不少于150mm。換管修復(fù)可選擇停輸換管和不停輸換管，不停輸換管一般通過帶壓封堵方式實(shí)現(xiàn)。施工期間避免管道運(yùn)行出現(xiàn)劇烈壓力波動，禁止施工期間進(jìn)行清管、內(nèi)涂或內(nèi)檢測作業(yè)，不停輸封堵施工前應(yīng)降壓運(yùn)行。施工前進(jìn)行風(fēng)險識別，制定風(fēng)險減緩控制措施。施工現(xiàn)場設(shè)置危險地區(qū)、限制出入?yún)^(qū)、禁入?yún)^(qū)等標(biāo)識，施工區(qū)域50m范圍內(nèi)設(shè)置警戒線。施工現(xiàn)場配備便攜式消防設(shè)施保持消防通道暢通。動火作業(yè)期間，如檢測道可燃?xì)怏w，應(yīng)停止動火作業(yè)，采取強(qiáng)制通風(fēng)措施，直至檢測可燃?xì)怏w濃度合格，方可繼續(xù)動火作業(yè)。施工人員正確適用防護(hù)服、安全帽、防護(hù)眼鏡、手套、工作鞋等勞動防護(hù)用品。施工現(xiàn)場有影響人員健康的粉塵、噪聲、有害氣體時，應(yīng)采取特殊防護(hù)措施。清理和妥善處置施工過程中產(chǎn)生的廢棄物，包括泄漏油品、清除的舊防腐層。施工造成的土地、植被等地貌、地表破壞，按照設(shè)計(jì)要求恢復(fù)。

隨著智慧化管道發(fā)展趨勢，管道換管修復(fù)技術(shù)也提出數(shù)字化和智能化需求，核心是搭建管道換管修復(fù)智能平臺，整合管道運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)和焊接修復(fù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對管道換管搶修的遠(yuǎn)程自動控制。其技術(shù)路線是在管道發(fā)生事故后，根據(jù)失效類型和油氣泄漏量，整合人員和資源配置，分析處理換管修復(fù)各個環(huán)節(jié)信息轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型制定科學(xué)、優(yōu)化技術(shù)方案。針對換管施工中管溝開挖、鋼管切割吊裝、組對焊接和檢測，實(shí)時自動采集數(shù)據(jù)參數(shù)，借助專家輔助決策系統(tǒng)完成操作糾偏和校正，保證操作規(guī)范和施工質(zhì)量。

2 管道換管工作流程分析

管道換管修復(fù)典型工作流程是關(guān)閉線路截?cái)嚅y、管段放空、氮?dú)庵脫Q管內(nèi)介質(zhì)、可燃?xì)怏w檢測、管段切割、封堵隔離、新管組對焊接、焊縫檢測、防腐補(bǔ)口、管內(nèi)介質(zhì)置換升壓、管溝回填和地貌恢復(fù)。限于偏于僅針對關(guān)鍵環(huán)節(jié)介紹國內(nèi)外先進(jìn)實(shí)踐做法。

（1）換管管段通過干線放空閥排出，在放空立管處點(diǎn)火。通過控制放空閥開度調(diào)整火焰大小，降低對周邊環(huán)境的影響；

（2）氮?dú)庵脫Q過程重點(diǎn)控制氮?dú)鉁囟?、注入速率，?min檢測管段出口氣體組分含量，如O2小于2%、大于N298%且可燃?xì)怏w濃度低于爆炸下限20%認(rèn)為置換合格；

（3）管溝開挖避免對管道造成機(jī)械損傷，先人工開挖確定管道位置，再機(jī)械開挖拓寬。管溝開挖應(yīng)做好防塌方和臨邊防護(hù)措施，管溝預(yù)留逃生通道；

（4）切割管道吊運(yùn)應(yīng)關(guān)注管段兩端受力平衡問題，第一道切口后不能直接吊運(yùn)，再增加一道切口后再吊運(yùn)。借助管道換管修復(fù)智能平臺，測定管道應(yīng)力分布以及預(yù)測斷管后應(yīng)力衰變規(guī)律，精準(zhǔn)控制切管機(jī)操作過程，降低斷管應(yīng)力瞬間釋放風(fēng)險，消除強(qiáng)力組對影響焊接質(zhì)量；

（5）新管測量下管由于人工測量不可避免偏差，特別是有彎頭、三通異性管件情形。使用激光掃描儀準(zhǔn)確測定斷管管口數(shù)據(jù)，上傳至管道換管修復(fù)智能平臺的計(jì)算軟件，遠(yuǎn)程監(jiān)控切管機(jī)測量下管過程，解決切割后打磨工作量較大的問題；

（6）管口組對精度決定焊接質(zhì)量，采用強(qiáng)力外對口器存在人為因素影響且耗費(fèi)時間，應(yīng)在根焊完成不少于50%圓周再拆卸，避免根焊位置承受過大應(yīng)力。管口組對數(shù)字化、智能化是未來發(fā)展趨勢，但應(yīng)解決管道附加載荷、管體平直度/不圓度和壁厚差異化等問題；

（7）管道換管修復(fù)的焊縫射線檢測或超聲檢測，審核員驗(yàn)證數(shù)字膠片確定缺陷，評價結(jié)論取決于審核員能力水平。借助管道換管修復(fù)智能平臺的專家輔助系統(tǒng)提升檢測評價權(quán)威性；

（8）焊口檢測合格后進(jìn)行防腐補(bǔ)口。預(yù)計(jì)未來3LPE防腐層仍是長輸管道應(yīng)用主要型式，通過完善熱收縮套/環(huán)氧底漆長期抗陰極剝離的測試檢定標(biāo)準(zhǔn)，解決熱收縮套對施工條件和質(zhì)量要求高的需求，解決聚乙烯層與環(huán)氧粉末底層粘接失效以及熱收縮套屏蔽陰極保護(hù)電流。

3 管道換管切割技術(shù)

機(jī)械切割和火焰切割應(yīng)用最廣泛，水射流、等離子和聚能爆破等特種切割技術(shù)應(yīng)用較少。機(jī)械切割主要考慮安全性和操作方便，不停輸換管或作業(yè)環(huán)境有可燃?xì)怏w時應(yīng)采用機(jī)械切割方式，以及第一道口應(yīng)采用機(jī)械切割方式。采用火焰切割方式，管內(nèi)介質(zhì)應(yīng)用氮?dú)饣蚨栊詺怏w置換，確認(rèn)管內(nèi)無可燃?xì)怏w或烴類積液，火焰切割應(yīng)考慮對坡口性能和殘余應(yīng)力的影響。

大口徑管道（中俄東線管徑1422mm）應(yīng)解決切割速率和效率問題[2]，國內(nèi)ZYQ 2600切管機(jī)可切割X70鋼級管道，切割厚度22mm，運(yùn)行速率80mm/min，對標(biāo)德國Baner火焰切割機(jī)，運(yùn)行速率1905mm/min，適用管徑6095mm。高鋼級管道采用火焰切割技術(shù)更易氧化產(chǎn)生脆硬層，對斷管破口性能影響更大。高鋼級管道切割應(yīng)解決切割前表面清潔處理、預(yù)熱、切口與焊縫距離以及切割后打磨處理，切割前預(yù)熱應(yīng)滿足50～100℃，切口與焊縫距離不小于200mm，火焰切割管件鈍邊打磨深度應(yīng)滿足0.5～3.0mm。

4 管道隔離封堵技術(shù)

國內(nèi)管道企業(yè)主要應(yīng)用塞式封堵器和擋板-囊氏封堵器，斷管后，應(yīng)對管口進(jìn)行清理，采取氣囊、黃油墻等隔離措施，隔離處距管口不小于300mm。通過借鑒美國TDW公司產(chǎn)品，具備最大管徑1219mm、最大操作壓力12MPa管道不停輸封堵?lián)屝弈芰?。美國TDW公司代表性產(chǎn)品2600型開孔機(jī)，最大滿足罐體開孔直徑2500mm，最大操作壓力15MPa，管道運(yùn)行流速不低于9.2m/s。不停輸封堵技術(shù)需解決的問題包括進(jìn)一步提高封堵器密封性能以及開孔精度和效率，延長筒刀使用壽命。

5 管道換管修復(fù)焊接技術(shù)

替換管段與待修復(fù)管道應(yīng)采用對接環(huán)焊縫焊接工藝，組對可使用管道聯(lián)接器，調(diào)整端部徑向圓周螺栓至管道聯(lián)接器與被修復(fù)管道圓周間隙均勻。管道組對焊接執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》，焊縫射線、超聲波檢測執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109-2013《石油天然氣管道無損檢測》。相對長輸管道采用全自動焊工藝，管道換管修復(fù)采用手工氬弧根焊和半自動填充焊，焊接質(zhì)量效率偏低，國外已有X80管道采用自動焊設(shè)備焊接B型套筒的案例，焊縫性能滿足工藝要求，且焊縫成型和效率優(yōu)于手工焊。管道換管修復(fù)需要解決的主要問題是管道存在變形或橢圓度較大時，焊口組對精度需進(jìn)一步提高；修復(fù)套管、開孔三通等大壁厚管件焊接工藝。管道換管修復(fù)焊接發(fā)展趨勢是全自動焊接工藝，焊接過程數(shù)據(jù)采集、傳輸和自動優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量和效率。

管口剩磁可能造成引弧困難、燃燒不穩(wěn)定或焊縫成型差的問題，借助管道換管修復(fù)智能平臺準(zhǔn)確掌握管口間磁場分布規(guī)律，焊接前進(jìn)行局部精準(zhǔn)消磁，管口磁場強(qiáng)度應(yīng)小于3mT；焊接過程中精準(zhǔn)控制加熱溫度和熱輸入量，防止焊接熱影響區(qū)沖擊韌性離散問題。

6 結(jié)語

管道換管修復(fù)的發(fā)展趨勢是建立涵蓋專家輔助決策系統(tǒng)的智能化平臺，實(shí)現(xiàn)對管道數(shù)據(jù)、知識、技能、經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的高度融合，全面應(yīng)用自動焊工藝，實(shí)現(xiàn)對管道切割、吊運(yùn)、下管、組對、消磁以及焊接過程的自動感知、預(yù)測、控制和處理，平臺控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化方便操作監(jiān)視等，保證管道換管修復(fù)時效性和施工質(zhì)量。