天然氣管道及設(shè)備帶壓焊接修復(fù)的探討

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（1.西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院，四川成都610093；2.西南油氣田分公司輸氣處成都管道搶險(xiǎn)維修中心，四川成都610093；3.西南油氣田公司川中油氣礦龍崗凈化廠，四川南充637648）

0 前言

天然氣管道及設(shè)備在運(yùn)行過程中因疲勞、腐蝕、第三方破壞等原因產(chǎn)生泄漏，處置方法與普通的管網(wǎng)維修方法差異較大，常因缺乏專業(yè)的修復(fù)技術(shù)而造成工廠停產(chǎn)、用戶停氣、環(huán)境污染等情況，處理不當(dāng)則可能引發(fā)安全事故。帶壓焊接修復(fù)作業(yè)是天然氣管道及設(shè)備泄漏修復(fù)技術(shù)中常用的一種修復(fù)工藝，能根據(jù)實(shí)際泄漏的狀況采用合理的焊接修復(fù)方法，及時(shí)有效地完成搶修任務(wù)。

1 帶壓焊接修復(fù)作業(yè)的特點(diǎn)

帶壓焊接修復(fù)具有工藝簡(jiǎn)單、使用可靠等特點(diǎn)，與換管作業(yè)相比，修復(fù)作業(yè)所需費(fèi)用、設(shè)備、人員、時(shí)間約為換管作業(yè)的5%～10%，較其他修復(fù)方法的修復(fù)效果更牢固。但焊接修復(fù)的管道及設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)為易燃易爆物品，且具有一定的壓力，因此修復(fù)作業(yè)受泄漏量、材質(zhì)及壁厚等因素的影響有一定的局限性。當(dāng)出現(xiàn)泄漏量過大、管道壁厚較薄、管道材質(zhì)硬化、作業(yè)場(chǎng)地受限等情況時(shí)，焊接修復(fù)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)過大，無法進(jìn)行焊接修復(fù)作業(yè)。

2 帶壓焊接修復(fù)作業(yè)的注意事項(xiàng)

帶壓焊接修復(fù)是在非正常工作狀態(tài)下的特殊焊接作業(yè)，與常規(guī)焊接作業(yè)區(qū)別較大，有一定的風(fēng)險(xiǎn)，作業(yè)時(shí)必須注意以下幾方面。

（1）管道不能“燒穿”。

帶壓焊接必須保證施焊管道不能出現(xiàn)“燒穿”現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)燒穿，輕則修復(fù)作業(yè)失敗，重則人員受傷。影響管道燒穿的因素有管道厚度、氣體流速、焊接工藝參數(shù)等，如圖1所示，焊前需認(rèn)真分析。在測(cè)量壁厚時(shí)需注意正常值與實(shí)際值的偏差，通過測(cè)量前震蕩管壁、管道檢測(cè)等方法來避免管道夾層、內(nèi)腐蝕、硫化鐵粉層造成測(cè)量偏差，按照管道允許帶壓施焊壓力公式計(jì)算管壁測(cè)量數(shù)值[1]，確定管壁是否適合帶壓焊接修復(fù)，避免“燒穿”現(xiàn)象。此外管道壓力應(yīng)為正壓，檢測(cè)焊接區(qū)域易燃易爆物質(zhì)的濃度，濃度超標(biāo)可用防爆風(fēng)機(jī)吹掃稀釋，合格后方可施焊。

圖1 影響燒穿的因素

管道允許帶壓施焊的壓力計(jì)算公式為

式中 p為管道允許帶壓施焊的壓力（單位：MPa）；σs為管材的最小屈服極限（單位：MPa）；t為焊接處管道實(shí)際壁厚（單位：mm）；c為因焊接引起的壁厚修正量，參見表1（單位：mm）；D為管道外徑（單位：mm）；F為安全系數(shù)，參見表2。

表1 推薦修正量

表2 推薦安全系數(shù)

（2）防止修復(fù)焊縫產(chǎn)生氫致裂紋。

帶壓焊接修復(fù)時(shí)受焊縫殘余拉應(yīng)力影響，應(yīng)力集中現(xiàn)象不可避免，管內(nèi)天然氣的流動(dòng)加快焊縫冷卻，增大焊縫和熱影響區(qū)的硬度值，易產(chǎn)生氫致裂紋，降低焊接接頭的承載能力。

氫致開裂的原因如圖2所示，必須同時(shí)滿足3個(gè)條件：焊縫中擴(kuò)散氫含量，淬硬組織，作用于焊縫上的拘束應(yīng)力。控制方法為：a.采用多層多道焊，減少殘余應(yīng)力；b.選用低氫焊條和低氫焊接工藝，降低焊縫擴(kuò)散氫含量；c.淬硬組織是帶壓焊接控制的重點(diǎn)，對(duì)于管道帶壓焊接，管道內(nèi)部流動(dòng)的氣體不斷地帶走熱量（氣體流速應(yīng)不大于10 m/s），應(yīng)根據(jù)管材材質(zhì)種類和硬度狀況進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后保溫，并在確保不“燒穿”的情況下，通過控制焊接線能量來防止降低熱影響區(qū)硬度值和產(chǎn)生淬硬組織[2]。

（3）帶壓焊接修復(fù)角焊縫的焊接方法。

圖2 產(chǎn)生氫致裂紋的原因

修復(fù)蓋板、管套或堵漏罩的角焊縫焊接宜采用多道堆焊形式，如圖3所示。由于后層焊道對(duì)前層焊道有熱處理作用，相當(dāng)于對(duì)前層(道)焊縫進(jìn)行了一次正火處理，細(xì)化晶粒，改善了二次組織，降低了焊縫變形和應(yīng)力，同時(shí)也有利于控制首層焊道的熔池溫度，減少“燒穿”發(fā)生的可能。并在堆焊層最后一道焊縫上進(jìn)行回火焊道焊接（見圖3），參照ASMEⅧ-Ⅰ的標(biāo)準(zhǔn)要求，回火焊道通常要求被打磨掉。回火焊道使第二層焊道形成的細(xì)晶區(qū)能夠最大程度覆蓋第一層焊道所形成的粗晶區(qū)，從而改善粗晶區(qū)的冶金性能，達(dá)到焊后熱處理的實(shí)施效果，并顯著降低接頭的殘余應(yīng)力[3]。

圖3 角焊縫焊接示意

（4）其他方面。

帶壓焊接修復(fù)作業(yè)必須有完善的作業(yè)方案和安全預(yù)案。作業(yè)場(chǎng)地狀況應(yīng)符合帶壓焊接作業(yè)要求，帶壓修復(fù)焊接堵漏作業(yè)的焊工應(yīng)選用焊接技術(shù)水平高、操作經(jīng)驗(yàn)豐富，并從事過帶壓焊接的人員。

3 常用的帶壓焊接修復(fù)方法

修復(fù)焊接時(shí)根據(jù)泄漏天然氣的流動(dòng)狀態(tài)可分為引流帶壓焊接修復(fù)和非引流帶壓焊接修復(fù)。引流帶壓焊接修復(fù)主要用于壁厚較厚的中、高壓管道及管件的修復(fù)，非引流帶壓焊接修復(fù)適用于泄漏量小的中、低壓管道及設(shè)備的修復(fù)。

3.1 非引流帶壓焊接修復(fù)

天然氣管道非引流帶壓焊接堵漏方法常用捻壓鉚接蓋板堵漏修復(fù)和頂針式堵漏修復(fù)兩種方法。

3.1.1 捻壓鉚接蓋板堵漏修復(fù)

捻壓鉚接蓋板堵漏修復(fù)方法是先根據(jù)管徑和腐蝕情況加工好焊接修復(fù)蓋板，用防爆扁鏟或尖鏟（見圖4）將泄漏處周圍一圈的母材金屬向泄漏縫隙處擠壓，減少泄漏流量，再用鐵絲、焊條頭或加工成泄漏孔形狀的鉛塊（略大于泄漏孔）鉚住泄漏處，此時(shí)若泄漏處管壁較厚，可直接用電弧焊進(jìn)行堵漏（鉛塊鉚住的除外）。泄漏處較薄時(shí)，蓋上堵漏焊接蓋板迅速完成第一層焊道，第二層焊接可采用分段焊接，控制熔池溫度不能過高，避免泄漏處鉛板受熱熔化，造成泄漏氣體沖穿捻壓鉚接處，增加焊接難度。焊接難度主要是出現(xiàn)泄漏氣流從第一道焊縫封口處噴出，熔滴被吹走，與母材熔合困難，且焊縫處有泄漏氣體燃燒，造成封口困難。常用處置措施為采用石棉板、布遮擋火焰或用風(fēng)機(jī)將火焰吹向無操作人員一側(cè)，確保操作人員安全，并以“先堵后焊”為作業(yè)指導(dǎo)思想，即用石棉繩或焊條頭磨尖強(qiáng)行壓入封口處，再由外向內(nèi)逐步焊，并對(duì)封口周圍金屬捻壓配合，若一次封堵不了就按原方法再次進(jìn)行，直至完成封口焊接。

圖4 捻壓鉚接用扁鏟

2008年9月，成都某天然氣管道因第三方施工破壞，正上方出現(xiàn)4～8 mm不規(guī)則泄漏孔，因下游用戶無法停氣，只能降壓輸送。作業(yè)人員采用銅扁鏟先捻壓，待泄漏孔收小后再用鉛塊鉚住，焊上堵漏蓋板，迅速完成堵漏作業(yè)。

3.1.2 頂針式堵漏修復(fù)

頂針式堵漏修復(fù)方法主要用于管道單點(diǎn)孔狀的泄漏，如點(diǎn)狀腐蝕穿孔。可使用頂針式卡具[4]將圓錐焊接頂針頂入泄漏點(diǎn)，施加頂鍛力，如圖5所示，泄漏點(diǎn)無氣體溢出后，快速焊接圓錐焊接頂針，完成焊接后撤除頂針式卡具，去掉圓錐焊接頂針上部的圓錐臺(tái)即可，如圖6所示。

圖5 頂針式堵漏修復(fù)示意

圖6 修復(fù)后示意

3.2 引流帶壓焊接修復(fù)

引流帶壓焊接修復(fù)是根據(jù)泄漏點(diǎn)的實(shí)際狀況，對(duì)加工合理的引流焊接配件進(jìn)行修復(fù)的一種措施。修復(fù)焊接的前提條件是引流要成功，在引流過程中常因泄漏偏向、泄漏量過大、引流放散管受堵等因素的影響，大量泄漏天然氣從待焊的修復(fù)焊縫間噴出，無法進(jìn)行焊接。處置措施為：a.增大修復(fù)管套、放散管以及閥門直徑，加大泄漏天然氣的排泄；b.精加工引流套管（引流蓋板），使之與泄漏管壁緊密結(jié)合，防止氣體從堵漏焊縫位置溢出；c.降壓輸送，減小管內(nèi)氣體壓力，減少氣體泄漏量等方法。天然氣管道引流帶壓焊接修復(fù)常用方法有引流蓋板修復(fù)、引流套管修復(fù)和引流堵漏罩修復(fù)三種。

3.2.1 引流蓋板修復(fù)

引流蓋板修復(fù)方法的作業(yè)流程為：首先根據(jù)泄漏管道腐蝕情況確定焊接修復(fù)蓋板尺寸，由泄漏量大小確定引流管與球閥的通徑大小，再在引流蓋板的引流孔與待焊角焊縫之間同泄漏管壁結(jié)合面加工密封槽，密封槽內(nèi)放入耐高溫密封圈、石棉盤根等（見圖7），然后使用自制拉緊鏈、千斤頂或葫蘆給予外加作用力，使精加工引流蓋板與泄漏管壁緊密結(jié)合，且泄漏點(diǎn)正對(duì)引流孔（見圖8），此時(shí)若待焊角焊縫還無法焊接，可采用二級(jí)或多級(jí)密封槽間引流放散（見圖9、圖10）。焊接時(shí)應(yīng)采用分段對(duì)稱焊接，以減少焊接變形與應(yīng)力，修復(fù)角焊縫焊接完成后關(guān)閉球閥即可。

圖7 引流蓋板

圖8 引流蓋板修復(fù)方法示意

圖9 二級(jí)引流蓋板

圖10 二級(jí)引流蓋板結(jié)構(gòu)示意

3.2.2 引流套管修復(fù)

引流套管修復(fù)方法主要用于泄漏處有較長(zhǎng)管壁腐蝕現(xiàn)象的管道修復(fù)。引流套管修復(fù)示意如圖11所示，作業(yè)流程為：根據(jù)管道腐蝕程度選擇合理的引流套管長(zhǎng)度，再由泄漏量大小確定引流管與球閥的通徑大小，將加工的兩半式引流套管用拉緊鏈固定在泄漏管道管壁上，且泄漏點(diǎn)正對(duì)引流孔，焊縫焊接完成后關(guān)閉球閥即可。焊接時(shí)應(yīng)注意縱向?qū)雍缚p焊接時(shí)不能熔化泄漏管道管壁母材，合理的焊接順序?yàn)椋篴.同時(shí)焊接兩側(cè)對(duì)接焊縫，再焊接環(huán)焊縫；b.2名或4名焊工焊接縱向?qū)雍缚p的順序如圖12所示；c.兩道環(huán)向填角焊縫的焊接應(yīng)先焊接完成一側(cè)環(huán)向填角焊縫后，再焊接另一側(cè)環(huán)向填角焊縫。當(dāng)2名焊工同時(shí)焊接一道環(huán)向填角焊縫時(shí)，應(yīng)按如圖13所示焊接順序同時(shí)焊接。

圖11 引流套管修復(fù)示意

圖12 縱向?qū)雍缚p焊接順序

圖13 環(huán)向填角焊縫焊接順序

3.2.3 引流堵漏罩修復(fù)

當(dāng)管道上的管件或不規(guī)則焊縫發(fā)生泄漏，而管件和泄漏焊縫的形狀不標(biāo)準(zhǔn)無法進(jìn)行常規(guī)修復(fù)時(shí)，應(yīng)采用引流堵漏罩將泄漏管件整體罩住的修復(fù)方式，如圖14所示。在單引流堵漏罩引流無法滿足堵漏時(shí)，可選用雙級(jí)或多級(jí)引流堵漏罩，即第一個(gè)引流堵漏罩的作用是整理泄漏氣流方向和減小泄漏量，后面的引流堵漏罩起堵漏密封修復(fù)作用。操作方法與引流蓋板堵漏方式類似。

2004年9月采用引流堵漏罩修復(fù)方式成功修復(fù)了某閥室干線球閥閥腔泄壓閥泄漏[5]，修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示，減少直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)10萬元。

圖14 堵漏罩修復(fù)示意

圖15 干線球閥閥腔泄壓閥焊接修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)論

管道及設(shè)備出現(xiàn)泄漏且無法停氣搶修時(shí)，帶壓焊接修復(fù)技術(shù)是保障連續(xù)生產(chǎn)過程的一種有效應(yīng)急措施，其修復(fù)方法快捷方便，修復(fù)后的管道及設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。汶川地震發(fā)生后，成都市及周邊多條干線、民用天然氣管道出現(xiàn)了泄漏狀況，采用上述焊接修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)取得了良好的臨時(shí)應(yīng)急效果。但是，帶壓焊接修復(fù)角焊縫畢竟在管道上產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此除在設(shè)備上可長(zhǎng)期保留外，管道上的焊接堵漏點(diǎn)應(yīng)選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)進(jìn)行停氣更換，達(dá)到長(zhǎng)期處置效果。

[1]JB/T28055-2011，鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范[S].

[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]呂曉春，秦建，杜兵，等.回火焊道焊接技術(shù)的研究進(jìn)展[J].焊接，2014（7）：16-21.

[4]楊景順，谷風(fēng)濤.油氣管線維搶修技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013.

[5]王帥，肖農(nóng)，付雪松，等.異種鋼帶壓焊接堵漏[J].電焊機(jī)，2014，44（9）：14-18.