山地成品油管道封堵技術的焊接壓力控制研究

段含斌

(國家石油天然氣管網集團有限公司華南分公司，廣東 廣州 510620)

隨著我國長輸成品油的管道的不斷建設和發展，在管道遷改、維修換管或泄漏搶險等活動中，帶壓封堵已經成為一項被廣泛應用的技術，其中封堵三通的焊接又是帶壓封堵作業中必不可少的關鍵工序。由于三通焊接作業產生的高溫會導致金屬管道強度顯著降低，因此一旦管道在高溫狀態的承載能力低于當時的管內壓力，將極易誘發管道穿孔、油品泄露，伴隨焊接高溫引發火災或爆炸事故，甚至引發群死群傷的惡性事故。因此，合理的壓力控制對封堵三通焊接作業風險控制極其重要。

我國成品油管道的管徑越來越大、管道的長度也越來越長、管道占地區域環境也越來越復雜、輸送的油品種類也愈加多樣化，輸送壓力的控制手段就會變得比較復雜。在實際生產應用中，管道企業選擇合理的水力控制技術對于管道的系統控制非常重要。在流體力學研究理論體系中，成品油管道壓力、流量和高程變化之間相互影響，互為變量；在高程不變的情況，常用的成品油管道水力系統控制措施主要有壓力控制和流量控制兩種方法。由于封堵焊接理論重點對管內壓力進行了限定，因此對于待封堵的管道要求優先采用壓力控制方法對管道水力系統進行重點控制。在我國西南山區，沿途敷設的成品油管道高低落差較大，管道壓力隨地形起伏變化大，其管內壓力相對于平原地區的管道而言更難控制，這必然給管道遷改時三通焊接壓力的控制造成一定困難[1]。

國內石油天然氣行業已經針對成品油管道封堵已經頒發了相應的技術規范，特別是對于管道封堵焊接期間的焊接壓力控制給出了理論計算方法，但是因成品油管道沿線的高差起伏、地形地貌、輸送介質和管內壓力不一致，因此管道封堵的行業規范沒有也無法對油氣管道的壓力控制給出統一而具體的控制措施，還需要在具體的問題中做具體的分析。因此，分析研究山地成品油管道遷改中的封堵三通焊接壓力控制方法及其適用條件，對保障管道遷改工程作業安全具有非常實際的指導意義。

1 焊接壓力控制理論

根據管道輸送的介質和工藝狀況，可以選擇停輸或不停輸工藝。對于允許停輸的管道，若能夠在規定的時間內完成遷改或維修改造工作，宜采用停輸封堵工藝，否則應采用不停輸工藝。一般不停輸工藝是在管道上開旁通孔，建立旁通管道以達到不停輸目的。無論管道停輸與否，焊接三通都是開孔、封堵或建立旁通管路的必要前提。為確保施工安全，三通焊接時的管內壓力不得超過允許施焊的最大壓力值[2]。根據行業規范、管道技術規格和現場實測數據，計算成品油長輸管道封堵三通允許帶壓施焊的最大壓力如下：

式中：p——管道允許帶壓施焊的壓力，MPa

σs——管材的最小屈服壓力，MPa

t——焊接處管道實際壁厚，mm

c——因焊接引起的壁厚修正量，mm

D——管道外徑，mm

f——安全系數(原油、成品油管道取0.55)

2 壓力控制方法

2.1 不停輸帶壓焊接

在條件允許的情況下，為了盡量避免或者減少封堵作業對成品油市場供應的影響，在管道遷改過程中，通常建議采取不停輸、只降低運行壓力的控制方法進行施工。結合三通焊接的理論基礎，不停輸帶壓焊接要求焊接時的管內壓力既要不小于焊接點允許的最小運行壓力[3]，同時也要求不超過焊接作業允許的最大壓力值。因此，如果允許焊接的最大壓力值低于該點允許的最小運行壓力，則不停輸降壓焊接的壓力控制方法將無法使用，必須采取停輸封堵的方式。

2.2 停輸帶壓焊接

2.2.1 焊接點靜壓力小于允許焊接的最大壓力值

在條件具備的情況下，通過下游站庫打開閥門泄壓，將封堵三通焊接點壓力降低至允許施焊的最大壓力值以下，以確保焊接作業時管內壓力滿足施焊工藝計算要求。為確保焊接安全和給焊接作業留夠安全余量，在條件具備的情況應當盡量降低焊接點的管內靜壓力。

對于山地成品管道而言，在三通焊接點與壓力泄放點中間管段，因地形起伏將不可避免的在局部形成翻越點[4]或小高點，因此在實際工作中不能做到無止境的泄壓。另外，下游的過度泄壓將導致管道上游較高位置的管段拉空形成負壓，甚至有可能造成管道吸癟現、油品氣化或者吸入空氣，從而破壞管道或增加混油量，甚至引發安全事故和質量事故。

2.2.2 焊接點靜壓力大于允許焊接的最大壓力值

在山地管道中，由于地形起伏和管內壓力變化較大，下游翻越點(或小高點)與上游封堵三通計劃焊接位置的之間的高程差產生的靜壓力有可能已經超過允許焊接的最大壓力值。此種情況在山地管道遷改施工過程中比較常見，主要采取以下兩種方式來控制三通焊接點的管內壓力：

(1)如果擬遷改成品油管段長度和位置固定不變，可以采取“二級封堵-截斷高程靜壓”的方式來解決三通焊接壓力超限的問題，如圖1所示。一級封堵點A1、A2的位置選取不僅要求滿足該點壓力低于允許施焊的最大壓力值，而且要求能夠將二級封堵點B1、B2點的靜壓力降低在允許施焊的最大壓力值以下且留有安全余量。

(2)如果擬遷改成品油管段長度和位置可以根據需要適當調整，則可以采用“雙側雙封”[5]的方式將擬遷改改管段由C1-C2段延長為A1-A2段，從而省去二級封堵降壓的施工過程。但是由于遷改管道長度的延長，這必將導致管道遷改工程造價的大幅度增加，同時也增加了廢棄管道長度和油品回收的工作量。

圖1 “二級封堵-截斷高程靜壓”示意圖Fig.1 Schematic diagram of “secondary plugging - cut off elevation static pressure”

3 結 論

對于不停輸帶壓焊接而言，封堵三通焊接位置的選取要滿足允許施焊的最大壓力值大于該位置的最小運行壓力，這必將導致不停輸焊接時管道運行壓力控制區間極為有限；再加之成品油密度的變化、高程數據測量誤差以及油品流態的變化等因素，又進步一給壓力控制增加難度。因此，在實際應用中，不停輸帶壓封堵遷改成品油管道的工藝并不常見。

對于停輸帶壓焊接而言，可以采用停輸泄壓、二級封堵減壓、“雙側雙封”以及調整遷改長度和封堵位置等方式來解決，但是對于管道遷改工程而言，還要綜合考量工程造價、安全條件以及土地和環境保護等問題進行綜合比較。因此，在成品管道管道帶壓封堵壓力控制問題上，還需要進一步分析工程經濟、技術和安全的相互關系，以尋求一個最優解決方案。