內(nèi)防腐鋼質(zhì)油氣輸送管道現(xiàn)場(chǎng)連接安全性對(duì)比

熊 偉，陳英杰，周 瑞

（南京巨龍鋼管有限公司，江蘇南京 210061）

0 引言

當(dāng)前我國從油氣田提取的大多數(shù)石油和天然氣通常都包含一種或多種腐蝕性介質(zhì)，例如H2S、CO2、Cl-等，因此對(duì)輸送環(huán)境提出了更嚴(yán)格的技術(shù)要求。建議在碳鋼管內(nèi)部添加防腐涂層或使用諸如316L、2205 和鎳基825 等不銹鋼管，以防止腐蝕引起輸送管路故障，并避免發(fā)生嚴(yán)重的質(zhì)量和安全事故，例如泄漏和管道破裂。為降低油氣開發(fā)和建設(shè)成本，通常選擇在碳鋼管內(nèi)添加一層防腐涂層，前提是該涂層滿足防腐性能。連接碳鋼管，形成長途運(yùn)輸管道。選擇高效安全的連接方法，同時(shí)保持碳鋼管內(nèi)部防腐涂層的完整性和連續(xù)性，以防止在管道建成投產(chǎn)后因腐蝕而使管壁變薄、穿孔，一直是管道建設(shè)和施工方研究和討論的主題。

本文重點(diǎn)介紹石油和天然氣行業(yè)的管道建設(shè)，尤其是具有內(nèi)部防腐涂層的碳鋼管道。基于公司長期的生產(chǎn)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)有的焊接和現(xiàn)場(chǎng)接頭連接方法提出改進(jìn)或創(chuàng)新建議。比較并分析該連接方法的適用性、施工過程、試車后管道工程的安全性以及施工成本。

1 內(nèi)防腐鋼質(zhì)管道現(xiàn)場(chǎng)連接方法安全管理信息化的意義

石油和天然氣管道運(yùn)輸公司與其他行業(yè)不同，它們連接產(chǎn)油油田和化工煉油廠，是石化工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。石油和天然氣管道運(yùn)輸屬于高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，必須符合一般行業(yè)的一般安全規(guī)則，并具有高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)的特征。原油運(yùn)輸中的安全事故將導(dǎo)致巨大的直接財(cái)產(chǎn)損失以及巨大的間接經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。如果原油管道發(fā)生安全事故，無法運(yùn)輸上游油田或進(jìn)口原油，嚴(yán)重的甚至?xí)斐稍蛽p失、運(yùn)輸成本增加。下游石化煉油廠無法提煉石油、精煉汽油，柴油或化學(xué)產(chǎn)品無法保證市場(chǎng)供應(yīng)。因此，確保油氣管道安全生產(chǎn)至關(guān)重要。但是，由于設(shè)備陳舊，對(duì)人為風(fēng)險(xiǎn)的意識(shí)不足，工程建設(shè)的不合規(guī)操作以及違反操作程序而引起的事故并不少見。隨時(shí)了解生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的全過程監(jiān)控和施工現(xiàn)場(chǎng)的無死角監(jiān)控，過去需要大量人力和物力，信息技術(shù)的進(jìn)步可以解決這些問題，并在實(shí)際生產(chǎn)中獲得良好的效果。

2 內(nèi)防腐鋼質(zhì)管道現(xiàn)場(chǎng)連接方法與安全性比較

2.1 常規(guī)焊接連接

一般來說，內(nèi)防腐鋼管的施工現(xiàn)場(chǎng)有兩個(gè)地點(diǎn)，鋼管的制作和鋼管表面涂層處理屬于預(yù)制范疇，屬于工廠施工階段，而鋼管的具體應(yīng)用過程和連接等屬于現(xiàn)場(chǎng)施工階段，為了避免鋼管在使用過程中出現(xiàn)生銹的現(xiàn)象，鋼管一般都需要進(jìn)行除銹操作，具體方法是先進(jìn)行除銹，再進(jìn)行防銹漆的噴涂以及內(nèi)部的固化，通常在其兩端儲(chǔ)備約70 mm 的碳鋼管，避免防銹涂層熔化。

現(xiàn)有焊接連接實(shí)際上涉及現(xiàn)場(chǎng)焊接和現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)。整個(gè)連接過程是：①兩根鋼管對(duì)齊；②焊接并連接，并且兩根連接的管完好無損；③為確保管道防腐保護(hù)的連續(xù)性和完整性，智能機(jī)器人或人員將根據(jù)管道的尺寸進(jìn)入管道并重新噴涂140 mm的未涂覆區(qū)域。這種連接方法在工廠的預(yù)生產(chǎn)中很簡(jiǎn)單，并且鋼管可以被涂覆和交付。現(xiàn)場(chǎng)需要使用噴槍焊接，但焊接后需要內(nèi)部貼片，和手動(dòng)修補(bǔ)一樣，存在很高的安全風(fēng)險(xiǎn)。智能機(jī)器人的操作方法與人工相比，缺點(diǎn)是無法控制涂層的施工質(zhì)量，同時(shí)施工效率低。兩種方法的缺點(diǎn)都是施工周期較長，施工成本較高。

2.2 改善性焊接連接

為了降低施工安全隱患、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提出一種基于傳統(tǒng)焊接和管接頭的改進(jìn)連接方法，以解決現(xiàn)場(chǎng)焊接后管接頭的技術(shù)難題。為此，在分析現(xiàn)有焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的焊接技術(shù)，為鋼管連接提供便利。

2.2.1 不銹鋼管環(huán)的連接方式

鋼管預(yù)制時(shí)，在鋼管兩頭焊接套環(huán)，為了使鋼管平穩(wěn)過渡，使用V 形加工槽，加工過程中完成除銹、噴涂等一系列操作，可以減少操作步驟，避免二次加工。最終加工的碳鋼管交付現(xiàn)場(chǎng)后直接焊接兩個(gè)不銹鋼管環(huán)，不銹鋼管環(huán)本身具有優(yōu)良的耐腐蝕性，連接后不再需要維修管道上的端口。

由于不銹鋼和碳鋼的材料差異，屈服強(qiáng)度不匹配，當(dāng)管道進(jìn)料壓力高時(shí)很難找到適合該材料的不銹鋼管環(huán)，并且將不銹鋼添加到碳鋼管的兩端，管道還增加了焊接接頭的數(shù)量。對(duì)于同一油氣管道，焊接接頭越多后續(xù)管道生產(chǎn)和運(yùn)營的安全風(fēng)險(xiǎn)就越高。

2.2.2 管端擴(kuò)口和襯套的切換連接方式

使用這種連接方法，必須在工廠的預(yù)制階段分別制造襯套，并且必須將碳鋼管的端部擴(kuò)口。具體步驟如下：首先，根據(jù)碳鋼管的直徑制作合適的襯套。套管由基礎(chǔ)材料、防腐層、絕緣層、密封O 形圈、定位卡和管道組成，使用一種特殊的密封膠。然后擴(kuò)大碳鋼管末端直徑，并根據(jù)插入襯套的長度（通常為80～100 mm）確定碳鋼管末端擴(kuò)大直徑的長度。

施工步驟：①檢查鋼管和套管的清潔度，避免套管和鋼管在使用前就出現(xiàn)生銹現(xiàn)象；②使用專用密封劑對(duì)鋼管和套管連接處進(jìn)行密封處理；③將套管插入鋼管至合理位置進(jìn)行固定，將兩個(gè)鋼管通過套管連接。

一般來說，焊接區(qū)域的防腐是靠套管得以實(shí)現(xiàn)，套管使用的材料與鋼管內(nèi)防腐的涂料是相同的，而且在油氣輸送過程中，與輸送介質(zhì)直接接觸的只有套管，由于套管的自身特點(diǎn)，因此套管不需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝，但套管所需的操作技術(shù)難度較高，需要高技術(shù)的操作人員進(jìn)行套管的安裝，其中要求最高的是密封操作，并且襯套生產(chǎn)的初始階段更加復(fù)雜，必須由專業(yè)制造商生產(chǎn)。

2.3 創(chuàng)新性焊接連接

采用上述幾種連接方法，現(xiàn)場(chǎng)連接后并不需要填充管道，但是每種方法都有一定的局限性。考慮安全性、質(zhì)量和成本，參考復(fù)合鋼管表面處理技術(shù)進(jìn)行管端面焊接和現(xiàn)場(chǎng)焊接。這種連接方法不需要轉(zhuǎn)換不銹鋼管環(huán)或過渡襯套，只需將約1.5 mm 厚的耐腐蝕合金層焊接到鋼管內(nèi)表面，可以獲得與內(nèi)部防腐涂料相同的防腐性能，并且在現(xiàn)場(chǎng)連接后無需維修內(nèi)部管道。

整個(gè)連接過程簡(jiǎn)單可控，分為兩個(gè)階段：工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)施工。工廠的預(yù)制在現(xiàn)有涂層管生產(chǎn)的基礎(chǔ)上增加表面焊接工藝，建議使用氬弧焊機(jī)用于表面焊接，焊前/焊后加工設(shè)備是數(shù)控機(jī)床，焊接材料可以是309Mo、鎳基625 等。由于表層和基礎(chǔ)鋼管屬于冶金組合，因此可以直接對(duì)管端進(jìn)行加工，加工后的鋼管（形成現(xiàn)場(chǎng)焊接所需的V 形槽）輸送到現(xiàn)場(chǎng)后，操作人員無需特殊處理即可直接焊接。管道連接的施工效率與普通碳鋼管相同，但是由于使用了不銹鋼焊絲，因此與傳統(tǒng)的碳鋼管相比，增加了焊接成本。

2.4 連接方法對(duì)比

除了傳統(tǒng)的焊接連接之外，其他連接方法不需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行復(fù)雜的管道填充工作，但具有許多優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，例如成本變化、適用范圍有限、以及后續(xù)管道工作的安全風(fēng)險(xiǎn)等。以上對(duì)幾種焊接方法進(jìn)行簡(jiǎn)單分析和闡述，以便選擇適合各種工況的施工計(jì)劃。

3 建立安全管理信息系統(tǒng)

首先，在構(gòu)建管理平臺(tái)之前，要了解什么是安全信息管理平臺(tái)。安全管理平臺(tái)是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全管理平臺(tái)，使用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將生產(chǎn)站點(diǎn)的所有元素和過程集中在網(wǎng)絡(luò)信息上，并將其與標(biāo)準(zhǔn)化管理系統(tǒng)相結(jié)合。借助該平臺(tái)，可以為員工提供一系列功能，如安全培訓(xùn)、系統(tǒng)學(xué)習(xí)規(guī)范和規(guī)定、操作前通知、錯(cuò)誤提示、活動(dòng)警報(bào)等。功能配置可以與企業(yè)自身的要求結(jié)合使用，以提高生產(chǎn)和安全管理系統(tǒng)的效率。

石油和天然氣管道的安全管理是一個(gè)復(fù)雜問題，分為站點(diǎn)的安全管理和地理位置中外部管道的安全管理。

SCADA 系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，在油氣管道安全管理的應(yīng)用主要是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)油氣管道的自動(dòng)控制，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行。并通過閾值設(shè)置來防止過壓、過分集中、泄漏等，完成實(shí)時(shí)報(bào)警。油氣的安全運(yùn)輸可確保車站的油氣濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

SCADA 系統(tǒng)具有多種控制功能，包括管道中數(shù)據(jù)的收集以及設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù)的調(diào)整和控制。石油和天然氣管道的生產(chǎn)和運(yùn)營具有幾個(gè)分支和長線的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)無法有效控制所有設(shè)備，而SCADA 系統(tǒng)可以有效監(jiān)視所有設(shè)備并將監(jiān)視數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀的圖形顯示。通過比較油氣濃度、硫化氫濃度等，同時(shí)與設(shè)定的閾值相比較，實(shí)現(xiàn)連鎖控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的快速判斷和快速關(guān)閉，觸發(fā)報(bào)警、提供最佳的應(yīng)對(duì)方案，有效改善油氣管理和控制運(yùn)輸管道站和場(chǎng)的安全性的能力。

對(duì)于油氣輸送站中的某些應(yīng)用，通常可以使用雙機(jī)熱備份系統(tǒng)平穩(wěn)地切換主機(jī)和備用機(jī)。站場(chǎng)可以配置為操作站（服務(wù)器）或觸摸屏人機(jī)界面，以完成過程監(jiān)視和安全保護(hù)聯(lián)鎖，并通過區(qū)域中心和控制中心實(shí)現(xiàn)無人值守站點(diǎn)。使用TCP/IP 協(xié)議工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)與區(qū)域中心和通用控制中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。通信介質(zhì)主要是光纖、衛(wèi)星、公共傳輸網(wǎng)絡(luò)、微波等。傳輸通道可以隨時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，以提高穩(wěn)定性。

油氣運(yùn)輸以外管道的安全管理，包括政治、經(jīng)濟(jì)、文化教育和人類行為，以及自然環(huán)境、人員分布、社會(huì)資源、地理?xiàng)l件、設(shè)施組成和管道管理水平等因素。在對(duì)管道進(jìn)行安全管理時(shí)，通常必須考慮特征信息，例如管道的位置及其周圍環(huán)境。該信息包括：待評(píng)估管道段的位置信息和系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)；可能發(fā)生事故的空間發(fā)展，即爆炸波的范圍，有毒氣體云擴(kuò)散區(qū)域的分布，膨脹蒸氣云的發(fā)展和分布等；在周圍環(huán)境的限制下，可以根據(jù)事故風(fēng)險(xiǎn)范圍模擬事故現(xiàn)場(chǎng)，并建立一個(gè)顯示影響范圍的模型。

傳統(tǒng)的管理方法沒有足夠重視此類信息的重要性，并且對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，通常會(huì)導(dǎo)致事件評(píng)估結(jié)果不準(zhǔn)確。信息技術(shù)的綜合利用將管道周界的綜合處理和各種地理信息與大數(shù)據(jù)結(jié)合起來，圍繞管道建立模型，完成系統(tǒng)分析，并提供客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 總結(jié)

綜上所述，石油和天然氣管道現(xiàn)場(chǎng)連接方式，需要根據(jù)工況進(jìn)行合適的選擇，同時(shí)建立安全信息管理系統(tǒng)，便于進(jìn)行預(yù)警和監(jiān)督。