中俄東線國內外維搶修技術與標準對比分析

譚 笑，徐蔥蔥，馬江濤，張 妮

中國石油管道分公司管道科技研究中心 （河北 廊坊 065000）

中俄東線天然氣管道工程擬建長度為3 052 km，設計管徑為1 422 mm，設計壓力為12 MPa，采用X80級鋼管。由于中俄東線天然氣管道具有長距離、高鋼級、大口徑、高壓力及穿越高寒凍土地區的特殊性，使其生產運行的不確定因素增多，風險更高、維搶修的難度增大，其中在線焊接和維搶修方面的技術國內仍缺乏成熟的經驗。

1 高強鋼在線焊接

1.1 環境要求

目前，采用傳統“冷操作”的修復方式需要先停止管道運行，降壓、放空后再施工，但停輸會帶來很大的經濟損失，并且容易造成環境污染。因此在條件允許的情況下，應盡可能在運行的管道上進行在線焊接修復[1]。

1）在最低焊接溫度方面，國內外標準普遍認為焊接施工的環境溫度不應低于焊接工藝規程的規定溫度。①國內標準規定當環境溫度＜0℃，環境濕度＞90%，風速＞5 m/s且無有效防護措施時，不得進行焊接作業；NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規程》規定了焊件溫度不應低于-18℃；②國外標準API RP 2201—2003《石油石化工業安全帶壓開孔規范》規定，當大氣溫度低于-45℃，除非采取了特殊的應對措施（如提供臨時防風帳篷、小型加熱器等），否則不應進行管道在線焊接；③俄羅斯標準РД 153—112—014—97《石油產品干線輸送管道事故和故障處理規程》則允許在環境溫度-40℃及以上的條件下進行焊接維修工程。

2）國內目前的高強鋼管道焊接施工中的環境要求是：①大氣相對濕度小于90%；②自然環境溫度高于5℃；③低氫型焊條電弧焊，風速小于5 m/s；④自保護藥芯焊絲半自動焊，風速小于8 m/s；⑤熔化極氣保護電弧焊，風速小于2 m/s。

可見，國內X80鋼管道的施焊環境溫度按-5℃控制，當環境溫度在-5～5℃之間時通常采取的方法是：將預熱溫度提高20～30℃，或者焊后用石棉被覆蓋焊道等[2]。而國外通常只有在環境溫度低于-45℃時才不能進行在線焊接，且焊接過程中對空氣濕度沒有特殊要求。因為國外認為只要焊條的保存條件良好、預熱溫度達到要求，就可以及時進行焊接；若空氣濕度較高，可以將焊條存放在專用干燥保溫箱中；如果外界風速超過8～10 m/s時，則使用防風防雨帳篷進行焊接（圖1）。

由此可見，國內對于高強鋼在線焊接的環境溫度標準和做法較國外嚴格。中俄東線天然氣管道工程的維搶修在線焊接可以參考國外工程實踐做法，采用有效的措施保障焊接安全。

1.2 降壓停輸

維搶修焊接時介質的影響主要在于介質的存在和流動會帶走預熱和焊接時的熱量，從而容易產生裂紋。而采取管道停輸、降壓、放散、吹掃等操作，則會造成輸送管道停產、減產，進而造成經濟損失。

圖1 防風防雨帳篷內焊接

國內標準SY/T 6150.2—2011《鋼制管道封堵技術規程第2部分：擋板-囊式封堵》規定允許管道帶壓施焊的壓力通過公式進行計算，天然氣或成品油管道焊接處管內壓力，宜小于此處管道允許工作壓力的0.4倍；對20世紀80年代前建設的管道的在線焊接，介質壓力不宜大于3.0 MPa，管壁厚度不應小于5 mm。

ASME B31.8—2012《氣體輸送和分配管道系統》規定對于所有的對接環焊縫，如果發現不可接受的缺陷，則需要在停輸情況下對管道缺陷進行焊接維修。但在以下情形下，可以對此類管道缺陷進行在線焊接：如果焊接處沒有發生泄漏，可以在降壓情況下對管道進行在線焊接，降壓的標準為管道運行壓力不產生超過管道最小額定強度20%的環向應力，并且需要確保管道缺陷處在進行打磨之后，管道壁厚仍大于3.2 mm。俄羅斯標準СТО Газпром 2-3.5-454—2010《天然氣主干道使用規則》根據管道缺陷占壁厚的百分比確定在線焊接的降壓幅度，當缺陷深度達到管壁厚度的30%，天然氣管道中的壓力不低于規定工作壓力的30%。

由此可見，國外標準中，當管道出現不可接受的缺陷時，需要停輸進行焊接；若管道缺陷占壁厚的百分比確定滿足要求，則可以根據壁厚進行降壓在線焊接。中俄東線的維搶修焊接可以借鑒國外高強鋼焊接方法，進一步細化在線焊接的降壓停輸要求。

1.3 預熱條件

通常焊前預熱能防止高強鋼的脆裂性。在焊接高強鋼時預熱可以避免基體金屬的開裂，并可減緩低溫范圍內馬氏體鋼的冷卻速率，而什么時候預熱必須由焊接工程師判斷。

國家標準GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》根據管道材料的性能、焊件厚度、焊接條件、施工現場氣候條件，通過焊接工藝評定確定是否需要進行焊前預熱和焊后預熱處理；GB 50236—2011《現場設備、工業管道焊接工程施工規范》規定，焊前預熱根據鋼材的焊接淬硬性、焊件厚度、結構剛性、焊接方法、焊接環境及使用條件等因素綜合確定。俄羅斯標準СНИП III-42-80中規定只要管道壁厚大于17 mm，則在焊接之前都需要進行預熱。可見，國內外標準雖然規定了焊前預熱需要考慮環境溫度、管壁厚度等因素，卻沒有給出定量的數據，需要進一步細化。

國內生產實踐中，根據多年凍土區管道維搶修作業規程，通常凍土區管道焊接施工必須預熱，測溫合格后方能焊接。而國外的工程實踐中，當管道壁厚小于15 mm，碳當量小于0.45%可不進行預熱。

由此可見，國內標準對于焊前預熱要求不夠詳細，可以參考國外標準和實踐做法進一步完善。中俄東線管道屬于高寒區高壁厚管道，因此焊接前進行預熱較為穩妥。

2 預熱

2.1 預熱方法

國內標準SY/T 7033—2016《鋼質油氣管道失效搶修技術規范》中規定了焊接預熱方法有火焰加熱和中頻加熱技術，當環境溫度低于5℃或者需要對層間溫度加以控制，建議采用感應加熱器。而國外標準對于預熱方法沒有明確規定。

1）國內工程焊接中常見的預熱方法有：火焰加熱、電阻加熱和中頻加熱等技術。工程實踐中對于X70及以上高強度材質的管道，通常采用中頻加熱或火焰加熱和中頻加熱相結合的形式；當管道內部介質溫度偏低或介質流速過快時，環向角焊縫的預熱采用火焰加熱和中頻加熱相結合的形式；當環境溫度低于5℃或者需要對層間溫度加以控制，通常采用中頻加熱技術[3]。

2）國外企業通常采用火焰加熱技術作為常用的預熱方法。該方法容易操作，移動性好，加熱設備的成本低，火焰預熱技術如圖2所示。而中頻加熱技術則具有預熱效率高、不損傷防腐層、不易產生氫致裂紋等優勢，是加熱效果較好的預熱方法，但是由于價格貴、耗能高，設備移動不便，因此更適用室內密閉環境的管道焊接預熱，而不適用于野外現場預熱。如果管道焊接冷卻條件和材料回火非常關鍵，也會使用電阻預熱。為了完成管道及焊接元件的加熱，可以采用利用感應加熱裝置、電阻式電加熱器、聯合作用的加熱器進行加熱，若供電中斷或加熱設備發生故障，允許在工作結束之前利用環形火焰加熱裝置進行加熱。對于中俄東線的高鋼級管道，采用火焰預熱和中頻加熱相互配合是較為理想的預熱方式。

圖2 火焰預熱技術

2.2 預熱溫度

由于管輸介質的吸熱作用，在線焊接預熱至較高溫度有一定困難。盡管如此，國內外管道焊接規程仍然要求預熱，并規定了預熱溫度，但在預熱溫度規定中并未區分環境溫度和壁厚。俄羅斯標準СНИП III—42—80中規定只要管道壁厚大于17 mm，則在焊接之前都需要進行預熱；РД 558—97《天然氣管道修理恢復作業的焊管工藝指導性文件》中對于預熱溫度的規定，針對不同環境溫度、厚度及碳當量明確規定應采取的不同預熱溫度，當管道壁厚小于15 mm、碳當量小于0.45%時，可不進行預熱。其中碳當量在某種程度上可以匹配鋼級，對于X80鋼的碳當量應在0.41%～0.46%。

預熱主要的作用是使氫充分擴散，同時控制開裂敏感組織的形成。因此對于X80管道預熱溫度達到93～121℃就足夠了。如果受條件限制，如低溫、高流速、薄壁厚等，預熱溫度達不到太高，則需要延長預熱時間以保證氫充分擴散。最低預熱溫度必須達到56℃以上，多數企業對于高強鋼管道預熱要求都在100℃及以上[4]，然而在實際操作中這一預熱溫度實現難度較大。

國內企業主要通過以下措施達到預熱的溫度要求：①使用火焰加熱或中頻加熱的預熱方法；②使用感應加熱器（管壁較薄時可采用電加熱器）、環形管口加熱器、電加熱帶作為預熱設備；③采用焊接保溫棚作為保溫措施。

國外企業使用如下預熱設備、預熱工藝以及保溫促方法使達到預熱要求。①預熱設備：當預熱溫度無法達到要求時，使用感應加熱設備、氣體火焰噴燈進行預熱，氣體火焰噴燈設備的熱功率比感應加熱器大；②保溫方法：需要確保預熱在避免受低溫、大氣降水和風影響的焊接保溫棚內進行，管道焊接區域加熱點周圍應蓋上熱絕緣物質，如保溫石棉。如果焊接溫度仍達不到規定要求，可以采取以下措施達到焊接預熱的溫度要求：①采取火焰預熱時，增加熱輸入（比如增加預熱火炬的數量）；②使用丙烷氣代替燃氣作為預熱火炬的能源，若仍無法達到預熱溫度，嘗試使用乙炔作為燃料；③適當降低管輸介質的流速；④根據現有的技術手段與方法，調整管道載荷與焊接工藝規程，從而達到焊接工藝要求。中俄東線管道焊接施工時可以借鑒國外做法來保證焊接溫度。

3 修復技術

3.1 快速堵漏

國內管道企業對于管道變形泄漏時通常采用機械式封堵三通、B型套筒、扣管帽、堵漏器、對開夾具等技術進行快速堵漏，其他技術堵漏壓力和響應速度等對D1422 mm高壓力管道適用性有限。

俄羅斯管道企業使用帶壓開孔技術作為主要的快速堵漏技術（圖3），該工藝包括夾芯板、熱壓機械等插件設備，針對小泄漏采用維修套筒進行堵漏，對于天然氣干線管道則不實施快速堵漏維修。美國天然氣工藝研究院以及PRCI推薦使用螺栓夾具或堵漏夾具作為臨時的快速堵漏設備，該螺栓卡具既可以安裝在發生泄漏區域的管道上，也可以焊接在管道上。

圖3 快速封堵技術

因此，對于中俄東線D1422 mm高壓力天然氣管道，建議開發如螺栓型夾具等更加便捷有效的快速堵漏夾具來進行管道的快速堵漏。

3.2 永久堵漏

目前，國內企業通常采取套袖作為永久堵漏措施，但對于高鋼級高壓力的天然氣管道是否可以采用套袖進行永久修復，尚無明確的標準規定。

ASME B31.8-2012以及《美國聯邦法規》規定：在停輸的情況下，可以使用換管方法作為永久修復方法；如果不能停輸管道，則使用全包圍焊接套筒維修管道。如果管道運行壓力低于最小屈服強度的40%，且管道由機械管接頭進行連接時，則可以不使用全包圍焊接套筒；使用補板方法時，管道材質強度不能高于276 MPa。中俄東線天然氣管道采用的X80鋼的強度約為552 MPa，因此不宜使用補板進行修復。

俄羅斯管道企業對于管道修復區段，采用不同的管道修理方法。修理方法的選擇取決于幾何參數、使用條件等，如果更換部分管道，可以將套袖、補板等方法用作高質量的永久性措施。英國天然氣企業使用環氧填充套管技術作為修補各類管道缺陷的方法（圖4、圖5），該修復技術適用于：①D100～1 422 mm管徑的各種管道；②管道最大承壓10 MPa；③耐溫3～100℃；④修復各類缺陷，如腐蝕、裂紋、壓痕、不規則焊道等。

圖4 環氧填充套管示意圖

圖5 環氧填充套筒修復

環氧填充套管修復技術能永久性修復缺陷的最大范圍為：管壁缺損和裂紋的長度不限，最大深度可達壁厚的90%，平均深度可達80%；扭曲變形可達管徑的9%的同時，管壁缺損或裂紋達壁厚的12%；焊道管壁損失或裂紋達管道周長的60%[5]。該技術的主要優勢在于：①通常不需要降低管道運行壓力；②套管材料等級和壁厚匹配或優于管體；③環形空間寬度的允許誤差為3～40 mm；④解決了套管固定或潛在的應力集中問題。

由于環氧填充套筒修復技術具有以上優勢，對于中俄東線大口徑高鋼級管道，建議采用此技術進行管道永久修復，并開展環氧填充套筒修復技術的相關研究。

4 高強鋼切割

國內目前采用的切割技術主要包括：手動切割、機械切割、水射流切割、火焰切割和等離子切割等技術。

國外標準規定了4種主要的管道切割技術：機械切割、手動切割、等離子切割以及手動和機械化電弧切割，以及每一種切割設備具體使用的切割設備。CSA標準規定使用乙炔火焰或機械切割設備對管道進行切割。使用乙炔火焰時，必須進行氮氣置換；若無法進行氮氣置換，使用機械切割設備，且必須保證管道內氣體緩慢流動，并實時監控管道內壓力。在切割工作開始之前，或者隨著管道切割的進行，需要定期使用可燃氣體檢報警裝置檢測切割現場的氣體濃度；當管道切割完之后，立即使用合適的材料封閉切割端口。針對管道切割，國外標準既有原則性規定，又有詳細要求，具有一定的借鑒意義。

對于中俄東線D1422 mm大口徑管道的施工階段切割，采用火焰切割較為合適；而對于維搶修階段的切割則需要使用適當的冷切割設備。目前較為先進的切割設備主要有水射流切割和分瓣式切割等，其中水射流切割速率較慢，僅為60 mm/min；分瓣式切割機用途廣泛，能在受限空間內使用，不產生熱影響區，能完成倒角、開坡口和切割作業，適用的管徑也在1 219 mm～1 829 mm，分瓣式切割設備如圖6所示。

圖6 分瓣式切割設備

5 結語

國內對于大口徑高強鋼天然氣管道的在線焊接與維搶修技術的研究與應用起步較晚，缺乏運行以及維搶修的經驗，相關技術與標準還不是很完善。研究維搶修技術國內外技術和標準的差異，將為管道事故快速響應和高效處置提供強有力的支持，為中俄東線天然氣管道的安全高效運行提供有力保障。