在役管道不停輸封堵的仿真試驗(yàn)

摘 要

摘要：廣東LNG管道塘朗段因深圳市地鐵5號(hào)線規(guī)劃需遷移，受地形限制，新老管線對(duì)接時(shí)需在20°傾角管道上實(shí)施帶壓開孔和封堵作業(yè)。在非水平大口徑高壓管道上實(shí)施帶壓開孔及封堵，
摘要：廣東LNG管道塘朗段因深圳市地鐵5號(hào)線規(guī)劃需遷移，受地形限制，新老管線對(duì)接時(shí)需在20°傾角管道上實(shí)施帶壓開孔和封堵作業(yè)。在非水平大口徑高壓管道上實(shí)施帶壓開孔及封堵，存在著開孔及封堵設(shè)備在傾斜狀態(tài)下是否可以正常工作、封堵囊是否能達(dá)到密閉要求等未知因素。為此，采用仿真試驗(yàn)方法，分別進(jìn)行了焊接試驗(yàn)和開孔及封堵模擬試驗(yàn)，獲取了大量試驗(yàn)參數(shù)，成功解決了在非水平高壓管道帶壓開孔技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了不停輸封堵作業(yè)。為在較大傾斜角度、大口徑高壓管道上帶壓開孔和封堵提供了可參考的實(shí)例。
關(guān)鍵詞：仿真試驗(yàn)；在役管道；較大傾角；帶壓開孔和封堵；焊接試驗(yàn)；背溫試驗(yàn)；熔深試驗(yàn)；深圳市
1 工程概況
    深圳市擬建的地鐵5號(hào)線塘朗段與平南鐵路用地沖突，平南鐵路須向南平移。但鐵路平移將與廣東LNG塘朗段管道發(fā)生沖突，為保證LNG管道的安全運(yùn)行、周邊在建各項(xiàng)目的正常施工及建成后的安全，深圳市政府及有關(guān)方面要求對(duì)該段管道進(jìn)行遷移。該段管線為廣東LNG支干線的一部分，主要向深圳工業(yè)及民用用戶供氣，已于2006年竣工并投運(yùn)。管道設(shè)計(jì)壓力為9.2MPa，規(guī)格為Φ610mm×12.7mm，材質(zhì)為X65鋼，需改線遷移的管道長(zhǎng)720m。鑒于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響，改線管道建成后，需與舊管線實(shí)施不停輸帶壓對(duì)接。改線示意圖見圖1。
 

2 施工工藝確定
    由于停氣實(shí)施新老管線對(duì)接對(duì)下游用戶影響較大，建設(shè)單位要求該段管線采用不停輸方式進(jìn)行封堵連頭。由于改造段管線兩側(cè)封堵施工點(diǎn)距離長(zhǎng)達(dá)700m，敷設(shè)長(zhǎng)距離旁通管既不經(jīng)濟(jì)又費(fèi)時(shí)間。因此決定采用在舊管線兩端對(duì)接點(diǎn)分別架設(shè)旁通的帶壓封堵工藝，其工藝示意圖如圖2所示。此工藝的優(yōu)點(diǎn)在于無須架設(shè)長(zhǎng)距離旁通管道，所有工序均在不影響管線內(nèi)高壓介質(zhì)正常輸送的狀態(tài)下進(jìn)行，安全可靠[1]。
 

    在役管道的焊接主要有2個(gè)方面的問題：①要避免焊接電弧灼傷管壁造成破裂，也就是燒穿現(xiàn)象；②要避免產(chǎn)生氫致裂紋。氫致裂紋主要是由于流動(dòng)介質(zhì)增加管壁散熱，使焊接冷卻速度增大造成的。在役管道的焊接，既要保證焊縫的安全性，又要有可靠的適用性，這就要求在焊接中必須合理調(diào)整焊接參數(shù)，在保證不燒穿管線的情況下盡可能選擇大的焊接參數(shù)以避免產(chǎn)生氫致裂紋。此外，本次施工需在傾斜管道上作業(yè)，開孔機(jī)及刀具是否滿足在傾斜狀態(tài)的工作需要，封堵頭在傾角管線上進(jìn)行封堵作業(yè)時(shí)是否能夠正常行走，下封堵三通塞柄到位是否良好，均存在未知因素。因此需要通過仿真試驗(yàn)來獲取開孔及封堵設(shè)備在此工況正常工作的參數(shù)。
3 仿真試驗(yàn)
3.1 試驗(yàn)管輸介質(zhì)的確定
研究表明，焊接冷卻速度是評(píng)定在役管道焊接成敗的關(guān)鍵因素之一[2]。影響焊接冷卻速率的因素取決于管內(nèi)的介質(zhì)和介質(zhì)流速。在壁厚一定的情況下，水作為管輸介質(zhì)用于焊接工藝評(píng)定時(shí)產(chǎn)生的焊接冷卻速率大于任何介質(zhì)條件下的焊接冷卻速率。所以，焊接試驗(yàn)采用水作為管輸介質(zhì)，比用油特別是成品油更安全可靠，降低了試驗(yàn)的意外風(fēng)險(xiǎn).
3.2 運(yùn)行管道條件下仿真試驗(yàn)方法
傳統(tǒng)試驗(yàn)方法無法獲得復(fù)雜條件下的試驗(yàn)參數(shù)，采用兩階段仿真試驗(yàn)法就能很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，即采用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)M管道有流量下的焊接和采用靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)M管道帶壓情況下的焊接，以驗(yàn)證影響焊接質(zhì)量的氫致裂紋問題及燒穿管道問題。這種方法很好地實(shí)現(xiàn)了在役管道運(yùn)行條件下的焊接模擬試驗(yàn)。此外，在模擬20°傾斜管道上進(jìn)行帶壓開孔及封堵試驗(yàn)，獲取設(shè)備在此工況下正常工作的參數(shù)。
3.3 焊接試驗(yàn)
3.3.1試驗(yàn)臺(tái)制作
    分別制作動(dòng)態(tài)和靜態(tài)焊接試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)傾斜45°，下端離地面0.3m，試驗(yàn)管段長(zhǎng)3～4m，下端連接進(jìn)氣閥門。靜態(tài)焊接試驗(yàn)臺(tái)兩端用封頭封死，上接進(jìn)水泵、打壓泵和壓力表。
3.3.2背溫試驗(yàn)
    研究管道背溫，有利于計(jì)算管道壁厚一定時(shí)的焊接壓力。如焊接溫度過高，相應(yīng)溫度下管道材料的屈服極限數(shù)值降低，熔池下未融的面積不能承受管道內(nèi)壓，導(dǎo)致燒穿管道。一般墊層焊接電流控制在100～120A之間，背溫試驗(yàn)的材質(zhì)為X65，管道規(guī)格為Φ610mm×12.7mm。
試驗(yàn)步驟：將試件放置在水平位置，分別調(diào)節(jié)電流到100A、110A、120A，進(jìn)行焊接，測(cè)量背面溫度，數(shù)據(jù)見表1。焊接速度、電流與背面溫度的關(guān)系如圖3所示。
 

    由表1和圖3可以看出，隨焊接電流增大，背面溫度升高；隨焊接速度增大，背面溫度降低?？紤]設(shè)備誤差、環(huán)境因素、最高點(diǎn)定位以及人員讀數(shù)誤差，背面溫度實(shí)際數(shù)值會(huì)低于實(shí)際背面溫度，但在實(shí)際施工中，由于管道內(nèi)輸送氣體介質(zhì)，冷卻速度加快，背面溫度會(huì)降低。為保證實(shí)際焊接的安全系數(shù)，背面溫度可取500℃。
3.3.3熔深試驗(yàn)
    試驗(yàn)的目的是確定焊接工藝指導(dǎo)書中的焊接電流和焊接速度。影響熔深的因素有焊條直徑、焊接電流、電壓和焊接速度等。在實(shí)際焊接中要嚴(yán)格控制上述因素，以防止燒穿管線造成焊接人員受傷和釀成火災(zāi)。一般墊層焊接電流控制在100～120A之間。熔深試驗(yàn)的材料與背溫試驗(yàn)相同。
試驗(yàn)步驟：試件放置在水平位置，分別調(diào)節(jié)電流到100A、110A、120A進(jìn)行焊接。將焊接試件剖開，表面進(jìn)行加工后，磨制成金相試件，然后拋光、腐蝕，測(cè)定最大熔深和平均熔深，數(shù)據(jù)見表2。
 
    從表2可以看出，隨著焊接電流的增加，熔深呈逐步上升的趨勢(shì)；在相同焊接電流的情況下，隨著焊接速度的提高，熔深呈逐步下降的趨勢(shì)；焊接電流在100～120A變化時(shí)，熔深變化不是太大。在實(shí)際施工中，管道內(nèi)輸送氣體介質(zhì)，冷卻速度加快，焊接熔深將會(huì)變小?？紤]施工現(xiàn)場(chǎng)變化因素較多，焊工水平有差別，預(yù)堆焊及根焊電流控制在100～120A較為合適，其他焊道電流可控制在100～130A。
3.3.4動(dòng)態(tài)焊接試驗(yàn)
    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選用空氣為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，空壓機(jī)排量一定，因此采用管中加管的方法加快介質(zhì)的流速，氣體流速計(jì)算公式為[3]：
    VA=Q
    A=π(D2-d2)/4
式中V為流速，m/s；A為兩管之間的環(huán)形截面面積，m2；Q為空壓機(jī)的有效排量，900m3/h；d為管段內(nèi)徑，取584.6mm；d為內(nèi)管外徑，取323.9mm。
    經(jīng)計(jì)算，流速V為5.31m/s，實(shí)際控制在設(shè)計(jì)要求5m/s。
    對(duì)直焊縫加熱，焊前預(yù)熱時(shí)間大于30min，確保護(hù)板和管道間的潮氣被清除，測(cè)量加熱溫度。焊接直焊縫，待直焊縫完成后，焊接環(huán)焊縫；全包圍護(hù)板與管道的環(huán)向角焊縫的焊接宜采用堆焊形式。停止循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)各焊縫進(jìn)行外觀檢查，對(duì)直焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)和X射線檢測(cè)，對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè)，并按要求進(jìn)行試件取樣。
3.3.5靜態(tài)焊接試驗(yàn)
    靜態(tài)介質(zhì)選用水，管道帶壓焊接時(shí)的承受壓力按下式進(jìn)行計(jì)算：
 
式中p為管道帶壓焊接時(shí)的允許最大承受壓力，N/mm2；S為管道最小屈服極限，N/mm2；t為減少的管道壁厚，mm；F為安全系數(shù)，推薦值為0.8；E為焊接系數(shù)，取1；T為溫度降低系數(shù)；D為管道外徑，mm；ta為管道最小實(shí)際壁厚，mm；u為焊接時(shí)穿透的深度，mm。
管道溫度降低系數(shù)見表3(適用于管道最大承載壓力)。
 

    壓力為背溫試驗(yàn)、熔深試驗(yàn)時(shí)計(jì)算的壓力，當(dāng)背溫取400℃時(shí)最大壓力為8.4MPa，背溫取500℃時(shí)最大壓力為7.4MPa，實(shí)際控制壓力為8MPa。
   按套袖的材質(zhì)不同分別進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟為：用吊車將套袖組裝到試驗(yàn)臺(tái)上，要求安裝的全包圍護(hù)板焊口方向與水平成45°；檢測(cè)電焊機(jī)是否完好，壓力表等部件是否完好；啟動(dòng)打壓泵進(jìn)行打壓，壓力為8MPa；焊接、檢測(cè)及取樣程序與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相同。
3.3.6焊接工藝試驗(yàn)
   檢查焊縫外觀，進(jìn)行無損檢測(cè)，檢測(cè)合格后按照所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試件加工。試件試驗(yàn)包括力學(xué)性能試驗(yàn)、金相試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和熔深測(cè)量等。試驗(yàn)合格后，編制焊接工藝評(píng)定報(bào)告。根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告制訂焊接工藝規(guī)程。
3.4 開孔及封堵模擬試驗(yàn)
    由于下游封堵點(diǎn)受地形限制，開挖出的管線段面須由3個(gè)冷彎管組合敷設(shè)，帶壓封堵作業(yè)位置最深處距地面達(dá)4.3m，原有管道敷設(shè)時(shí)存在20°傾角，給帶壓開孔、帶壓封堵和提升封堵頭等工序帶來很大的不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)，為此進(jìn)行開孔及封堵模擬試驗(yàn)。
   具體試驗(yàn)步驟：選擇空曠場(chǎng)地，搭建試驗(yàn)平臺(tái)；剝防腐層，除去管線表面油污、底漆；測(cè)量管線橢圓度，保證封堵點(diǎn)位置橢圓度不超過1%；測(cè)量管線壁厚，盡量避開嚴(yán)重腐蝕區(qū)域；選擇合適點(diǎn)，焊接封堵三通、注氮短節(jié)、平衡短節(jié)以及管線封頭；對(duì)焊道進(jìn)行滲透探傷檢查；安裝夾板閥、球閥，壓力表位置安裝示意圖見圖4，從口2注入氮?dú)猓瑝毫?.0MPa；安裝1200H開孔機(jī)和T101型開孔機(jī)，開DN600mm封堵孔和2號(hào)平衡孔；調(diào)試、安裝封堵器，進(jìn)行封堵操作，封堵操作時(shí)先壓力平衡后方可進(jìn)行下一步的操作；經(jīng)測(cè)量和計(jì)算，封堵尺寸下到位后，打開2號(hào)球閥放空氣體；使用火焰切割設(shè)備，切開2號(hào)球閥一側(cè)封頭，向管道內(nèi)安裝氣囊并給氣囊充氣；觀察1號(hào)位置處短節(jié)上的壓力表看壓力是否變化，用肥皂水噴氣囊貼管內(nèi)壁處，若壓力表無變化，氣囊貼管壁處無氣泡則封堵成功，否則封堵視為不成功，此時(shí)應(yīng)分析封堵不成功的原因，并有針對(duì)性地提出解決問題的措施，直到封堵成功為止。封堵試驗(yàn)完成后，對(duì)1號(hào)位置處進(jìn)行泄壓；拆卸封堵設(shè)備和焊接在試驗(yàn)管道上的三通等機(jī)具、器材，并將它們擺放就位。

    通過試驗(yàn)，按照施工方案的相關(guān)內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行作業(yè)[4～7]，整個(gè)開孔過程未發(fā)生卡刀，開孔取下的鞍形板對(duì)中性好。
    試驗(yàn)結(jié)果表明該施工工藝、開孔機(jī)及刀具能夠滿足此次施工作業(yè)的要求；下封堵過程封堵頭在傾斜20°管線進(jìn)行封堵作業(yè)能夠行走正常；下封堵三通塞柄到位情況良好。
    根據(jù)背溫試驗(yàn)、熔深試驗(yàn)、破壞性試驗(yàn)、工藝評(píng)定熔深試驗(yàn)、傾斜管道上開孔及封堵試驗(yàn)等試驗(yàn)結(jié)果，以及由此計(jì)算出的管道帶壓焊接時(shí)的承受壓力，均符合標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件要求，開孔和封堵設(shè)備能夠在良好的工況下工作，滿足工程需要。
4 方案實(shí)施
4.1 上游點(diǎn)施工程序
4.1.1封堵準(zhǔn)備
    封堵操作過程必須嚴(yán)格進(jìn)行氣體置換，安裝設(shè)備后使用氮?dú)庵脫Q空氣，拆除設(shè)備前使用氮?dú)庵脫Q天然氣，每次都要填寫氣體檢測(cè)記錄表。確定開孔、封堵三通位置；剝防腐層，除去管線表面油污、底漆；測(cè)量管線橢圓度及壁厚，必須符合標(biāo)準(zhǔn)要求；選擇封堵三通、旁通三通、下囊短節(jié)和2號(hào)平衡短節(jié)位置；焊接封堵三通、旁通三通、下囊短節(jié)和2號(hào)平衡短節(jié)，并對(duì)三通、短節(jié)所有焊道進(jìn)行滲透探傷檢驗(yàn)。焊接參數(shù)如表4所示。
4.1.2封堵作業(yè)
    安裝夾板閥，安裝前在三通管底用千斤頂進(jìn)行支撐，千斤頂下面需加墊枕木；開孔前應(yīng)對(duì)所有焊道和組裝到管道上的閥門、開孔機(jī)等部件進(jìn)行整體試壓，試壓介質(zhì)為氮?dú)?，試?yàn)壓力為管道運(yùn)行壓力，穩(wěn)壓5min，使用泡沫水噴淋三通焊逢、各部件結(jié)合面，觀察有無氣泡產(chǎn)生，以壓力不降低、不產(chǎn)生氣泡為合格，填寫開孔作業(yè)檢查表；預(yù)熱液壓站，調(diào)節(jié)開孔參數(shù)；管線開孔，分別開封堵孔、旁通孔、下囊孔及平衡孔。
    依據(jù)輸氣量要求，采用DN300mm旁通線作為臨時(shí)輸送管線，旁通管線預(yù)制完成后進(jìn)行超聲波無損探傷。驗(yàn)收合格后對(duì)旁通線充氮?dú)庠噳?旁通線試壓合格后，導(dǎo)通旁通管線。安裝封堵器，進(jìn)行封堵作業(yè)。
4.1.3封堵效果驗(yàn)證
    通過下游平衡孔放空被隔離管線內(nèi)的天然氣，當(dāng)壓力下降至1MPa時(shí)停止放空并觀察壓力表有無變化，如果壓力沒有上升說明封堵成功，繼續(xù)進(jìn)行下步操作，如果壓力有上升則需要重新封堵。
    確認(rèn)封堵成功后，通過平衡孔放空隔離管線內(nèi)的天然氣。如果封堵有輕微滲漏或者封堵嚴(yán)密，則從下囊孔中下入隔離氣囊，氣囊充氣壓力不超過0.4MPa。
4.1.4管線斷管作業(yè)
    使用液壓爬管機(jī)或者液壓鋸管機(jī)進(jìn)行斷管作業(yè)；斷管完畢后主管線上焊接封頭；平衡壓力提封堵器并回收氣囊；封堵三通下塞柄閥門加蓋盲板。完成上述施工作業(yè)后，上游施工作業(yè)點(diǎn)留人看護(hù)，其余人員設(shè)備轉(zhuǎn)至下游作業(yè)點(diǎn)施工。
4.2 下游點(diǎn)封堵施工工藝
4.2.1開孔及封堵
    同4.1。
4.2.2新舊管線連頭
    上游主管線封堵三通、拆除盲板后安裝三明治閥門及開孔機(jī)；使用開孔機(jī)取出封堵三通的塞柄；關(guān)閉三明治閥門，拆除開孔機(jī)；重新安裝封堵器然后下封堵、下隔離氣囊；斷開主管線封頭；可燃?xì)怏w分析合格后上、下游同時(shí)進(jìn)行動(dòng)火連頭。
4.2.3解除封堵，恢復(fù)管線正常運(yùn)行
    當(dāng)完成上下游新舊管線連頭作業(yè)后，開始解除管線封堵工作：使用氮?dú)庵脫Q新管線內(nèi)的空氣；壓力平衡完畢后提封堵頭，解除封堵，新管線導(dǎo)通；兩作業(yè)點(diǎn)的旁通閥門不關(guān)閉，保持旁通管線運(yùn)行，直至新管線升壓完成，并運(yùn)行穩(wěn)定后再關(guān)閉旁通閥門，截?cái)嗯酝ü芫€運(yùn)行，拆除旁通管線；上、下游封堵三通、旁通三通以及下囊短節(jié)安裝塞柄，加蓋盲板；上、下游平衡短節(jié)下塞堵，蓋管帽；管線恢復(fù)正常運(yùn)行。
4.2.4對(duì)管線及管件防腐處理
    新舊管線連頭處采用聚乙烯熱縮帶防腐，對(duì)留下的封堵三通采用STOPAQ黏彈性防腐涂料刷干后再用STOPAQ防腐膠帶纏繞處理。
4.3 舊管線處理
    舊管線內(nèi)天然氣放空：在此次改線的上游，距離南坪快速公路40m之外的地方選擇一平坦場(chǎng)地建立火炬管線?；鹁姹仨毎惭b單向閥和回火器，剛開始放空階段使用限流孔板進(jìn)行放空，當(dāng)放空壓力低于2MPa時(shí)可以拆除限流孔板進(jìn)行快速放空處理。放空采用點(diǎn)燃方式。
    火炬制作：放空火炬選用DN80mm的鋼管制作，基礎(chǔ)是用混凝土砌成。火炬通過舊線2號(hào)球閥接到外面空地上，中間需要安裝限流孔板、2臺(tái)閥門以及阻火器等。
    舊管線氮?dú)庵脫Q使其天然氣濃度低于最低爆炸下限。使用氮?dú)庵脫Q完成之后，完成舊管線開挖及移除。
5 實(shí)施效果
    帶壓封堵作業(yè)自2008年12月23日動(dòng)火開工，至2009年1月9日上午10：00完成上下游封堵點(diǎn)新舊管線的對(duì)接工作，歷時(shí)17d完成開孔、封堵和新舊管線對(duì)接。實(shí)現(xiàn)了改線段不停輸帶壓作業(yè)，確保了深圳市用氣安全。
    通過一系列的仿真模擬試驗(yàn)，獲取了三通焊接、20°傾角管道上開孔及封堵的數(shù)據(jù)，平南鐵路改線帶壓封堵作業(yè)成功，取得了在特殊位置的管道不停輸焊接作業(yè)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 羅小蘭，向啟貴，銀小兵，等.關(guān)于天然氣管道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的認(rèn)識(shí)[J].石油與天然氣化工，2008，37(6)：532-534.
[2] 郝建斌，武新娟，張水清，等.在役管道修復(fù)與搶修焊接工藝模擬試驗(yàn)方法[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(2)：37-40.
[3] 曹崇珍，賈志方，時(shí)春成，等.在役管道不停輸焊接三通工藝試驗(yàn)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003,22(12)：47-51.
[4] 國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).SYT 6150—2003鋼制管道封堵技術(shù)規(guī)程[S].北京，石油工業(yè)出版社，2003.
[5] 美國石油學(xué)會(huì).API RP 1107—1993管道的焊接維修[S].北京：兵器工業(yè)出版社，2008.
[6] 美國石油學(xué)會(huì).API 1104—2005管道及相關(guān)沒備焊接[S].北京：兵器工業(yè)出版社，2008.
[7] 中國石油管道焊接培訓(xùn)中心.廣東LNG管道工程管線不停輸改造工程焊接工藝評(píng)定實(shí)驗(yàn)技術(shù)報(bào)告[R].廊坊：中國石油管道焊接培訓(xùn)中心，2008.
 
(本文作者：徐小兵1 黃文堯2 陳紅1 1.中國石油四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司；2.中海石油廣東大鵬液化天然氣有限責(zé)任公司)