長輸管道B型套筒修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)問題探討

李 勇 解 靜 牛志勇 李峰宜

（1. 中油國際管道有限公司中哈天然氣管道項(xiàng)目，北京 100029；2. 中國石油長慶油田分公司伴生氣綜合利用項(xiàng)目部，陜西 西安 710016；3. 中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4. 國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司山東省分公司德州作業(yè)區(qū)，山東 德州 253000）

0 引言

管道建設(shè)運(yùn)行中因土壤環(huán)境、施工和第三方活動(dòng)，管道產(chǎn)生外腐蝕、裂紋缺陷和機(jī)械損傷，甚至發(fā)生大量泄漏和失效斷裂[1]。2009年12月30日中石油蘭鄭長成品油管道支線發(fā)生油品泄漏，約1400m3油品流入黃河造成環(huán)境污染。缺陷修復(fù)是管道管理維護(hù)的重要內(nèi)容。隨著X80高鋼級(jí)管道建設(shè)，對(duì)管道修復(fù)技術(shù)質(zhì)量、性能和效率提出更高要求，例如修復(fù)較長缺陷、大面積腐蝕、應(yīng)力集中和環(huán)焊縫缺陷，降低管道正常輸送影響和動(dòng)火作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

管道焊接類修復(fù)技術(shù)如堆焊、補(bǔ)板適用X60低鋼級(jí)管道的腐蝕和淺裂紋，不適用高壓力、高鋼級(jí)管道。換管主要應(yīng)用于管道斷裂、大量泄漏事故。非焊接修復(fù)技術(shù)如環(huán)氧鋼套筒不適用環(huán)焊縫缺陷，復(fù)合材料修復(fù)存在粘接產(chǎn)品性能質(zhì)量不穩(wěn)定問題。B型套筒在應(yīng)用于大面積腐蝕、環(huán)焊縫和油氣泄漏修復(fù)具有優(yōu)越性，成本僅為換管10%，只需適當(dāng)降壓、降低輸量，對(duì)管道正常輸送影響小。為指導(dǎo)管道企業(yè)科學(xué)高效開展管道修復(fù)工作，研究國內(nèi)外B型套筒修復(fù)技術(shù)先進(jìn)實(shí)踐做法，有助于提高我國管道維修和管理技術(shù)水平。

1 B型套筒設(shè)計(jì)原理及要求

A/B型套筒指覆蓋在管道缺陷處的一對(duì)半圓形鋼質(zhì)護(hù)板，經(jīng)縱向?qū)雍缚p焊接組合而成。A型套筒無需焊接在管道上，是非承壓套筒，可為缺陷提供補(bǔ)強(qiáng)性能，但對(duì)管道軸向應(yīng)力無影響；B型套筒末端以環(huán)向角焊縫方式固定在管道上，是承壓套筒，能承受管道側(cè)向載荷產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。A型套筒是管道無泄漏損傷部位的加強(qiáng)件，用于相對(duì)短的缺陷修復(fù)，不能用于修復(fù)環(huán)向缺陷和泄漏，在掌握缺陷損傷機(jī)理和發(fā)展規(guī)律后采用。B型套筒適用修復(fù)缺陷類型廣泛，包括內(nèi)/外腐蝕、裂紋、機(jī)械損傷、焊縫、劃傷、金屬損失、夾渣、分層和凹陷，特別是用于泄漏修復(fù)，套筒可承受管道內(nèi)壓和軸向應(yīng)力，屬于高可靠性永久修復(fù)。

A/B型套筒幾何尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)管道缺陷形狀，保證套筒與缺陷區(qū)域緊密貼合。如覆蓋區(qū)域管道有螺旋焊縫，應(yīng)打磨消除焊縫余高，套筒預(yù)制凹槽，凹槽置于焊縫上，增強(qiáng)套筒與管體緊密度。套筒長度不小于150mm，套筒末端距離缺陷外側(cè)邊界不小于50mm。

2 傳統(tǒng)B型套筒工程應(yīng)用情況

A型套筒安裝應(yīng)采取預(yù)先加熱方法，或者在管道與套筒間隙充填環(huán)氧樹脂材料提高壓實(shí)度。A型套筒與管壁之間可能存在間隙，屏蔽陰極保護(hù)電流發(fā)生腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，套筒兩端應(yīng)采取密封措施保證套筒與管道之間的電連續(xù)性。

B型套筒修復(fù)應(yīng)執(zhí)行在役管道焊接安全要求，管道運(yùn)行壓力應(yīng)降至焊接工藝評(píng)估的安全壓力值，施工時(shí)操作壓力不大于0.8倍最大允許操作壓力。采用B型套筒安裝前對(duì)安裝位置進(jìn)行清理，焊道應(yīng)打磨至與母材平整。測(cè)試角焊縫處橢圓度和厚壁，應(yīng)滿足焊接工藝要求。安裝后套筒角焊縫和管道環(huán)焊縫距離不小于D（D為管道直徑），并不少于150mm；相鄰套筒的角焊縫距離不應(yīng)小于1/2D；套筒與管壁間隙不超過2.5mm。B型套筒厚度大于1.4倍管道壁厚，套筒與管道連接角焊縫的焊腳高度和寬度不應(yīng)小于1.4倍管道壁厚；B型套筒厚度小于1.4倍管道壁厚，焊腳高度和寬度應(yīng)為B型套筒壁厚與組對(duì)間隙之和。B型套筒對(duì)接焊縫和角焊縫應(yīng)全焊透，并采用磁粉或滲透等無損檢測(cè)方法進(jìn)行探傷，表面無裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷。如單個(gè)B型套筒不滿足管道修復(fù)長度，可在B型套筒串聯(lián)部位安裝環(huán)形墊板，使用對(duì)焊方法連接兩個(gè)B型套筒，或者用稍大的B型套筒連接兩個(gè)管道的B型套筒[2]。

3 高鋼級(jí)管道B型套筒研究進(jìn)展

B型套筒廣泛應(yīng)用于管道環(huán)焊縫缺陷修復(fù)，材質(zhì)是Q345R、標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度345MPa，但應(yīng)用于X80以上高鋼級(jí)管道存在諸多問題：套筒幾何尺寸不合理。套筒設(shè)計(jì)壁厚大，焊接質(zhì)量難以保證，易存在殘余應(yīng)力和角焊縫開裂傾向。根據(jù)GB/T 36701-2018《埋地鋼質(zhì)管道罐體缺陷修復(fù)指南》規(guī)定B型套筒應(yīng)大于管徑2倍，以管徑1219mm為例，套筒長度約2.5m，重量3t，對(duì)于套筒設(shè)計(jì)、選用和焊接造成困難。近年來國內(nèi)外開展X80鋼級(jí)管道環(huán)焊縫修復(fù)B型套筒的幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)、焊接工藝條件和無損檢測(cè)方法研究。

3.1 幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

套筒長度設(shè)計(jì)考慮降低角焊縫應(yīng)力水平，避開環(huán)焊縫和角焊縫焊接熱影響區(qū)。研究表明在彎曲載荷作用下，套筒長度越長，角焊縫應(yīng)力越大。根據(jù)ASME壓力容器協(xié)會(huì)推薦角焊縫寬度值上，提出套筒長度公式（1）。B型套筒長度不超過600mm，低于GB/T 36701推薦值。

式中L為套筒長度，m；t管道壁厚，mm；G套筒與管體之間的間隙，mm。

B型套筒壁厚應(yīng)滿足環(huán)焊縫泄漏時(shí)套筒機(jī)械強(qiáng)度和完整性，研究表明超過設(shè)計(jì)壁厚，角焊縫應(yīng)力水平顯著提高。對(duì)于X80鋼級(jí)管道不推薦增加設(shè)計(jì)壁厚，可能降低套筒修復(fù)安全性。

標(biāo)準(zhǔn)推薦套筒與管道間隙不超過2.5mm，但對(duì)與X80鋼級(jí)大口徑管道，間隙過小存在焊接強(qiáng)力組對(duì)；間隙也不宜過大，會(huì)增加焊接工作量和角焊縫應(yīng)力。研究表明，在彎曲載荷下安裝間隙在6mm以下，角焊縫應(yīng)力水平變化不大。B型套筒安裝間隙應(yīng)考慮鋼管偏差、和安裝焊接要求，控制在0～5mm的合理范圍內(nèi)。

3.2 加工工藝

推薦采用冷加工工藝，套筒成型后進(jìn)行600℃、2.5h回火消除應(yīng)力。以X70管線鋼制造套筒，控制關(guān)鍵合金元素含量，套筒碳當(dāng)量不高于管道碳當(dāng)量。X70鋼級(jí)套筒屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不低于485MPa和570MPa。新型B型套筒安裝間隙不超過5mm，軸向錯(cuò)位不超過2mm，鈍邊間距不超過7mm，實(shí)現(xiàn)X80高鋼級(jí)管道專用套筒輕型化，較傳統(tǒng)Q345R套筒重量降低約30%。X70鋼級(jí)套筒應(yīng)用于西氣東輸三線、中緬管道X80鋼級(jí)管道環(huán)焊縫缺陷修復(fù)，X65鋼級(jí)套筒應(yīng)用于西氣東輸二線管道環(huán)焊縫缺陷修復(fù)。

3.3 焊接工藝

焊接工藝主要考慮角焊縫在役焊接要求，除避免“燒穿”、“氫致裂紋”問題，還應(yīng)考慮管道壓力及流速、預(yù)熱溫度、焊接方式、焊后熱處理和焊材選用。

控制管道流速是預(yù)防氫致裂紋，結(jié)合GB/T 36701要求和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，X80鋼級(jí)管道套筒修復(fù)液體管道流速不超過4m/s，氣體管道流速不超過7.5m/s。控制焊接壓力是防止電弧燒穿管壁，GB/T 36701針對(duì)焊接壓力設(shè)置過高，甚至存在超出設(shè)計(jì)壓力的情形。提出X80鋼級(jí)管道套筒修復(fù)焊接壓力公式（1）。

式中p焊接壓力，MPa；F設(shè)計(jì)系數(shù)；sσ屈服強(qiáng)度，MPa；t壁厚，mm；c焊縫熔深，mm。

GB/T 31032-2014《鋼制管道焊接及驗(yàn)收》規(guī)定B型套筒角焊縫采用回火焊道技術(shù)。X70鋼級(jí)焊材淬硬組織傾向大，推薦X80鋼級(jí)管道套筒修復(fù)角焊縫根焊、蓋面焊選擇強(qiáng)度較低E5015焊材，降低硬度避免氫致開裂；填充焊選擇強(qiáng)度較高的E5515焊材，保證角焊縫強(qiáng)度。該工藝可保證角焊縫蓋面韓硬度小于260HV，避免氫致裂紋問題。

GB/T 36701規(guī)定在役管道焊接前預(yù)熱應(yīng)達(dá)到100～150℃，國內(nèi)中頻加熱設(shè)備能力難以滿足，西氣東輸三線（管徑1219mm、壁厚18.4mm）在流速5m/s、中頻加熱期額定功率180kw條件下預(yù)熱溫度僅為80℃。研究表明X70鋼級(jí)套筒焊接預(yù)熱溫度高于65℃即滿足焊接要求。

GB/T 36701未規(guī)定B型套筒焊接后熱處理要求。焊后熱處理有利于改進(jìn)焊縫機(jī)械性能和降低殘余應(yīng)力。推薦X70鋼級(jí)套筒焊接完成后進(jìn)行300℃、5h熱處理工藝。

3.4 無損檢測(cè)

國內(nèi)B套筒修復(fù)角焊縫無損檢測(cè)做法是在根焊和填充焊期間進(jìn)行三次磁粉檢測(cè)，但實(shí)際較少發(fā)現(xiàn)裂紋，原因在于角焊縫裂紋屬于延遲裂紋，施工和檢測(cè)期間還未形成。針對(duì)套筒角焊縫延遲開裂，考慮取消根焊和層間磁粉檢測(cè)，增加焊后超聲相控陣檢測(cè)和48h后磁粉檢測(cè)。

4 結(jié)語

B型套筒在消除、抑制管道腐蝕、泄漏和焊縫缺陷方面發(fā)揮重要作業(yè)，提升B型套筒修復(fù)質(zhì)量是研究的焦點(diǎn)，特別是針對(duì)X80鋼級(jí)管道環(huán)焊縫缺陷修復(fù)，應(yīng)持續(xù)完善X70鋼級(jí)套筒的性能檢測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù)，例如基于應(yīng)力/應(yīng)變的含缺陷套筒角焊縫完整性評(píng)價(jià)技術(shù)，確定其長期服役可靠性。結(jié)合國內(nèi)外B型套筒研究成果，應(yīng)用于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36701修訂改進(jìn)焊接壓力、套筒幾何尺寸等條款內(nèi)容，保證安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和高效實(shí)時(shí)開展管道修復(fù)作業(yè)。