長輸天然氣管道換管搶修關鍵技術及發展趨勢探討

賈文江 李剛 蘆濤

1川慶鉆探工程有限公司

2川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司

3中國石油青海油田管道處

天然氣管道在保障國家能源供給和促進經濟發展中占據重要地位[1]。天然氣管道的致害因素包括施工缺陷、機械損傷、腐蝕和第三方活動[2]。換管搶修是長輸管道管理維護的關鍵技術，管道發生斷裂、大量油氣泄漏事故，采用堵漏卡具無法修復時需要進行換管搶修作業[3]。隨著X80 高鋼級管線鋼管應用以及設計壓力等級提高，管道換管搶修技術的發展趨勢呈現數字化、智能化，保證時效性以及施工質量安全[4]。需要采用先進的換管搶修技術，制定科學的換管搶修方案，實現管道快速修復和恢復運行，減少管道事故人員傷亡和經濟損失[5]。為此，分析了管道換管搶修的關鍵環節和風險因素，闡述了管道換管搶修的技術現狀和發展趨勢，對于提升我國管道管理水平和保障管道安全具有重要意義。

1 作業流程

典型的管道換管搶修作業流程是：線路閥室關閉、放空、氮氣置換、氣體檢測、管道切割焊接、焊縫檢測、管道防腐補口、天然氣置換升壓和回填，其中關鍵程序階段的施工要點和注意事項如下：

（1）管段放空。將換管管段上下游的線路截斷閥關閉，開啟管道干線放空閥，為保證管段內天然氣全部放空，在放空立管處進行點火。通過控制放空閥開度調節火焰大小，降低對環境公眾的影響[6]。放空后期應更換小量程的壓力表，直至顯示為零。放空火焰呈微弱狀態或者熄滅，認為管段內天然氣全部放空，關閉放空閥。

（2）氮氣置換。換管管段內天然氣放空后進行氮氣置換，采用天然氣推空氣、氮氣隔離置換和氮氣加隔離球置換的方式，氮氣置換主要控制氮氣溫度、注入速度，保證注氮溫度＞5 ℃。每間隔5 min 連續3 次檢測管段出口氣體含量，氧氣體積分數＜2%、氮氣體積分數＞98%、可燃氣體濃度低于爆炸下限值的20%，認為氮氣置換合格。

（3）管溝開挖。在進行管段放空和氮氣置換同時，應做好作業坑開挖準備和更換新管預制，提高換管搶修工作效率。作業坑開挖應避免對管道的二次破壞，首先人工開挖作業坑，確定管道位置后再使用機械拓寬管溝。作業坑開挖除滿足施工安全條件，還應做好管溝塌方預案和逃生通道。

（4）管道切割焊接。管道切割方式有手動、機械、火焰和水射流切割，手動切割適用于小管徑管道，水射流切割屬于特種高精度切割方式，機械和火焰切割應用最廣泛[7]。管道焊接及檢測執行國家標準GB/T 31032—2014《鋼質管道焊接及驗收》，焊縫自然冷卻后進行射線檢測、超聲波檢測。

（5）天然氣置換。關閉兩端的線路截斷閥，開啟一端的閥室線路連通閥進行天然氣置換，置換壓力應在0.2 MPa，開啟另一端的閥室干線放空閥。每間隔5 min 連續3 次檢測管道內氧氣含量＜2%、甲烷濃度＞98%，認為天然氣置換合格。之后利用連通閥平衡壓力，如線路截斷閥上下游壓力處于平衡狀態，關閉連通閥。天然氣置換盡可能安排在白天進行，天然氣置換流速≤5 m/s。

（6）防腐回填。天然氣管道置換過程中，按照國家標準GB/T 51241—2014《管道外防腐補口技術規范》進行防腐補口處理，回填管溝。

2 作業風險因素

輸氣管道置換過程可能發生的突發事件有管道破裂、火災爆炸、天然氣中H2S中毒等[8]。

（1）管道破裂首先分析判斷失效位置，迅速現場勘測，關閉事故管段上下游截斷閥，對氣體擴散區域進行警戒，嚴格控制著火源，避免發生著火爆炸[9]。

（2）管道本體或裂縫發生小型漏氣，可不采取停輸放空措施，采用頂絲關卡等帶壓堵漏方法。

（3）天然氣中H2S 中毒指H2S 中毒，天然氣中含有H2S，H2S易聚集，不易飄散，空氣中H2S含量≥0.035 mg/m3，即可產生中毒。搶修作業中應佩戴防毒面具、防護眼鏡等護具。

（4）由于沿線地形起伏，管內可能殘存置換不完全在管道打磨、焊接時聚集有發生火災爆炸的風險，一般采用在線壓力監控式隔離球對換管管段上下游進行隔離封堵。

（5）氮氣置換中失效管段切割可能造成氮氣泄漏引起人員窒息。施工作業坑應設計專門的逃生通道，實時進行現場含氧量檢測，配備空氣呼吸機等救援設備等。

3 技術進展和發展趨勢

管道換管搶修技術數字化、智能化的基本思想是將制定作業方案、人員組織、資源調配和作業工序等復雜多變的信息轉化為可量化的數據，建立數字化模型進行處理，確定最優技術方案[10]。管道發生事故后，根據失效形式和泄漏量，在管道搶修數字化平臺生成作業方案，確定所需物資。針對換管作業工序中作業坑開挖、切割吊運、測量、下管、組對、焊接和焊縫檢測，數據自動采集上傳至數字化平臺，完成技術方案制定、現場可視化監控和糾正，高質量完成管道換管搶修工作。

3.1 管道搶修數字化平臺

建設管道搶修數字化平臺的功能是發生突發事件時，第一時間確定搶修作業方案以及人員、物資調配方案；采集施工各階段的信息和數據，通過設備工藝參數數據統計、整合、分析和處理，保證施工過程的系統優化；建立遠程控制人機交互界面，保證施工過程的安全受控。

3.2 作業準備

管道發生斷裂或泄漏重大事件，啟動應急預案，管道搶修數字化平臺生成作業方案和物資調配方案，人員盡快到達事故現場，開展作業坑開挖、供電和照明、現場指揮部組建等工作；在應急通信車設置監視終端，通過無線通信將現場畫面實時傳送至數字化平臺，為現場指揮提供決策支持。

3.3 切割吊運

搶修管段完成放空和氮氣置換后，進行受損管段切割吊運，切割方式有冷切割和火焰切割。受管段兩端不平衡應力影響，受損管段切割后不能直接取出，一般增加一道切口再抽取管段。切割吊運數字化技術即通過控制器控制切管機，精準測量管道應力，預測斷管后應力釋放過程，降低管段斷開應力瞬間釋放的風險（也是管道換管搶修需要重點解決的安全問題）。

3.4 測量下管

精準測量下管是換管搶修的關鍵環節。傳統方式是人工拉線、卷尺測量，存在人為因素影響，特別是由于有彎管、彎頭等異形管件，不可避免存在偏差。測量數字化技術是采用三維激光掃描儀對斷管管口進行整體測量，得到管口的三維數據，通過軟件計算得到下管的精確尺寸數據，將測量計算軟件與搶修數字化平臺關聯，遠程監控測量下管過程。

傳統的下管方式是火焰切割機在新管和管件上切割，存在的問題是切割后打磨量較大。下管智能化、數字化技術是將上述精準測量數據通過控制系統與機械切管機聯動實現快速機械切割。采用數控機床不適用大口徑管道且搬運困難，采用鉆銑或者銑刀切管機可實現下管智能化控制。

3.5 組對

管口組對質量直接影響焊接質量和焊接工作效率，管口組對主要采用外對口器，同時借助管工打磨和調節，組對周期長且存在人為因素影響。管口組對數字化、智能化技術需求非常迫切，但由于受到管道附加應力、橢圓度和壁厚差異等因素影響，管口組對數字化、智能化技術難度大，這也是管道換管搶修技術的重點研究方向。

3.6 接工藝方法比選

目前國內外新建輸氣管道工程廣泛采用全自動焊工藝。長輸管道建設發展趨勢是高鋼級、大口徑、高壓力，對管道搶修技術安全性、時效性和機械化提出更高要求。我國在役管道搶修焊接普遍采用手工電弧焊，效率低、作業時間長，受操作人員技能水平影響，焊接質量不能完全保證。國外已有少數在役管道焊接使用自動化設備的案例。天然氣管道自動焊焊接B型套筒已進行管道現場應用，在焊接時間上與手工焊基本相同，在焊縫成形及外觀等方面優于手工焊，焊縫性能滿足規范要求，具有應用推廣價值。未來管道換管搶修采用自動焊工藝應著重解決和改進下列問題：

（1）在役管道焊接管件壁厚很大（開孔三通、修復套管），例如西氣東輸二線封堵三通弧板厚度已達80～120 mm。

（2）焊口組對差異性較大，包括修復套筒、開孔三通的加工情況，管道橢圓度，管件安裝與管道的貼合度等。

（3）國家標準GB/T 31032—2014《鋼質管道焊接及驗收》規定的新建管道焊接的根部組對間隙是3～6 mm，不能滿足根部自動焊要求，應從管件設計改進組對間隙尺寸參數，保證焊槍實現根部完全熔合。

（4）考慮在役管道存在變形，修復管件與管道組對間隙可能較大，在役管道自動焊工藝應配套電弧跟蹤技術，保證焊縫質量。

3.7 焊接過程控制

目前我國管道換管搶修主要采用氬弧焊根焊和半自動填充焊方式，這兩種方式只能實現焊接過程質量監控，即采集焊接參數進行工藝評定，如存在問題可反饋至操作人員，但無法直接反饋至焊機實現焊接參數自動調整及優化。管道換管搶修焊接技術數字化發展方向是采用全自動焊接工藝，即實現焊接過程數據采集、反饋和自動調整優化，在保證焊接質量同時縮短作業時間。

長輸管道焊接預熱采用中頻加熱器，可以通過電子數據精準控制加熱溫度和溫升速率。中頻加熱器如與溫度傳感器連接，可實現焊接作業自動感知加熱，溫度數據上傳至數字化搶修平臺可實現遠程監控焊接加熱溫度。

長輸管道焊接前消磁主要采用大功率消磁機，操作人員需反復調節消磁，時間長且無法徹底消磁。消磁數字化和智能化可定量描述組對后管口間的磁場分布規律，并反饋至數字化搶修平臺進行精準局部消磁。

3.8 焊縫檢測

焊縫無損檢測是審核焊接質量和確定管道恢復運行的重要依據。管道換管搶修焊縫檢測一般采用DR 檢測，數字化膠片需要審核員多次驗證才能確認缺陷點，評價結果取決于審核員的技能水平。焊縫檢測的數字化發展方向是將焊縫膠片上傳至管道搶修數字化平臺，利用專家決策系統進行自動評價，既可縮短工作時間，也可獲取更為權威的結論。

4 結束語

管道換管搶修作業在保證管道安全運行方面具有重要作用。隨著中俄東線智能管道建設運營，管道換管搶修技術也向智能化、數字化發展，搭建管道搶修數字化平臺，集成和整合管道運行維護數據信息，可對管道換管搶修全過程進行自動控制和監督。未來需要解決的主要問題包括：

（1）作業現場復雜環境條件評估以及應用全自動焊接工藝。

（2）數據、知識、經驗與自動控制的融合技術。

（3）建立專家輔助管理和決策指揮系統。

（4）管道搶修過程自動感知、預測、控制和處置，控制系統自我改進與持續優化等。