長輸管道B型套筒修復關鍵技術問題探討

李 勇 解 靜 牛志勇 李峰宜

（1. 中油國際管道有限公司中哈天然氣管道項目，北京 100029；2. 中國石油長慶油田分公司伴生氣綜合利用項目部，陜西 西安 710016；3. 中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4. 國家石油天然氣管網集團有限公司山東省分公司德州作業區，山東 德州 253000）

0 引言

管道建設運行中因土壤環境、施工和第三方活動，管道產生外腐蝕、裂紋缺陷和機械損傷，甚至發生大量泄漏和失效斷裂[1]。2009年12月30日中石油蘭鄭長成品油管道支線發生油品泄漏，約1400m3油品流入黃河造成環境污染。缺陷修復是管道管理維護的重要內容。隨著X80高鋼級管道建設，對管道修復技術質量、性能和效率提出更高要求，例如修復較長缺陷、大面積腐蝕、應力集中和環焊縫缺陷，降低管道正常輸送影響和動火作業風險。

管道焊接類修復技術如堆焊、補板適用X60低鋼級管道的腐蝕和淺裂紋，不適用高壓力、高鋼級管道。換管主要應用于管道斷裂、大量泄漏事故。非焊接修復技術如環氧鋼套筒不適用環焊縫缺陷，復合材料修復存在粘接產品性能質量不穩定問題。B型套筒在應用于大面積腐蝕、環焊縫和油氣泄漏修復具有優越性，成本僅為換管10%，只需適當降壓、降低輸量，對管道正常輸送影響小。為指導管道企業科學高效開展管道修復工作，研究國內外B型套筒修復技術先進實踐做法，有助于提高我國管道維修和管理技術水平。

1 B型套筒設計原理及要求

A/B型套筒指覆蓋在管道缺陷處的一對半圓形鋼質護板，經縱向對接焊縫焊接組合而成。A型套筒無需焊接在管道上，是非承壓套筒，可為缺陷提供補強性能，但對管道軸向應力無影響；B型套筒末端以環向角焊縫方式固定在管道上，是承壓套筒，能承受管道側向載荷產生的軸向應力。A型套筒是管道無泄漏損傷部位的加強件，用于相對短的缺陷修復，不能用于修復環向缺陷和泄漏，在掌握缺陷損傷機理和發展規律后采用。B型套筒適用修復缺陷類型廣泛，包括內/外腐蝕、裂紋、機械損傷、焊縫、劃傷、金屬損失、夾渣、分層和凹陷，特別是用于泄漏修復，套筒可承受管道內壓和軸向應力，屬于高可靠性永久修復。

A/B型套筒幾何尺寸設計應根據管道缺陷形狀，保證套筒與缺陷區域緊密貼合。如覆蓋區域管道有螺旋焊縫，應打磨消除焊縫余高，套筒預制凹槽，凹槽置于焊縫上，增強套筒與管體緊密度。套筒長度不小于150mm，套筒末端距離缺陷外側邊界不小于50mm。

2 傳統B型套筒工程應用情況

A型套筒安裝應采取預先加熱方法，或者在管道與套筒間隙充填環氧樹脂材料提高壓實度。A型套筒與管壁之間可能存在間隙，屏蔽陰極保護電流發生腐蝕風險，套筒兩端應采取密封措施保證套筒與管道之間的電連續性。

B型套筒修復應執行在役管道焊接安全要求，管道運行壓力應降至焊接工藝評估的安全壓力值，施工時操作壓力不大于0.8倍最大允許操作壓力。采用B型套筒安裝前對安裝位置進行清理，焊道應打磨至與母材平整。測試角焊縫處橢圓度和厚壁，應滿足焊接工藝要求。安裝后套筒角焊縫和管道環焊縫距離不小于D（D為管道直徑），并不少于150mm；相鄰套筒的角焊縫距離不應小于1/2D；套筒與管壁間隙不超過2.5mm。B型套筒厚度大于1.4倍管道壁厚，套筒與管道連接角焊縫的焊腳高度和寬度不應小于1.4倍管道壁厚；B型套筒厚度小于1.4倍管道壁厚，焊腳高度和寬度應為B型套筒壁厚與組對間隙之和。B型套筒對接焊縫和角焊縫應全焊透，并采用磁粉或滲透等無損檢測方法進行探傷，表面無裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷。如單個B型套筒不滿足管道修復長度，可在B型套筒串聯部位安裝環形墊板，使用對焊方法連接兩個B型套筒，或者用稍大的B型套筒連接兩個管道的B型套筒[2]。

3 高鋼級管道B型套筒研究進展

B型套筒廣泛應用于管道環焊縫缺陷修復，材質是Q345R、標準屈服強度345MPa，但應用于X80以上高鋼級管道存在諸多問題：套筒幾何尺寸不合理。套筒設計壁厚大，焊接質量難以保證，易存在殘余應力和角焊縫開裂傾向。根據GB/T 36701-2018《埋地鋼質管道罐體缺陷修復指南》規定B型套筒應大于管徑2倍，以管徑1219mm為例，套筒長度約2.5m，重量3t，對于套筒設計、選用和焊接造成困難。近年來國內外開展X80鋼級管道環焊縫修復B型套筒的幾何尺寸優化設計、焊接工藝條件和無損檢測方法研究。

3.1 幾何尺寸優化設計

套筒長度設計考慮降低角焊縫應力水平，避開環焊縫和角焊縫焊接熱影響區。研究表明在彎曲載荷作用下，套筒長度越長，角焊縫應力越大。根據ASME壓力容器協會推薦角焊縫寬度值上，提出套筒長度公式（1）。B型套筒長度不超過600mm，低于GB/T 36701推薦值。

式中L為套筒長度，m；t管道壁厚，mm；G套筒與管體之間的間隙，mm。

B型套筒壁厚應滿足環焊縫泄漏時套筒機械強度和完整性，研究表明超過設計壁厚，角焊縫應力水平顯著提高。對于X80鋼級管道不推薦增加設計壁厚，可能降低套筒修復安全性。

標準推薦套筒與管道間隙不超過2.5mm，但對與X80鋼級大口徑管道，間隙過小存在焊接強力組對；間隙也不宜過大，會增加焊接工作量和角焊縫應力。研究表明，在彎曲載荷下安裝間隙在6mm以下，角焊縫應力水平變化不大。B型套筒安裝間隙應考慮鋼管偏差、和安裝焊接要求，控制在0～5mm的合理范圍內。

3.2 加工工藝

推薦采用冷加工工藝，套筒成型后進行600℃、2.5h回火消除應力。以X70管線鋼制造套筒，控制關鍵合金元素含量，套筒碳當量不高于管道碳當量。X70鋼級套筒屈服強度和抗拉強度不低于485MPa和570MPa。新型B型套筒安裝間隙不超過5mm，軸向錯位不超過2mm，鈍邊間距不超過7mm，實現X80高鋼級管道專用套筒輕型化，較傳統Q345R套筒重量降低約30%。X70鋼級套筒應用于西氣東輸三線、中緬管道X80鋼級管道環焊縫缺陷修復，X65鋼級套筒應用于西氣東輸二線管道環焊縫缺陷修復。

3.3 焊接工藝

焊接工藝主要考慮角焊縫在役焊接要求，除避免“燒穿”、“氫致裂紋”問題，還應考慮管道壓力及流速、預熱溫度、焊接方式、焊后熱處理和焊材選用。

控制管道流速是預防氫致裂紋，結合GB/T 36701要求和工程實踐經驗，X80鋼級管道套筒修復液體管道流速不超過4m/s，氣體管道流速不超過7.5m/s。控制焊接壓力是防止電弧燒穿管壁，GB/T 36701針對焊接壓力設置過高，甚至存在超出設計壓力的情形。提出X80鋼級管道套筒修復焊接壓力公式（1）。

式中p焊接壓力，MPa；F設計系數；sσ屈服強度，MPa；t壁厚，mm；c焊縫熔深，mm。

GB/T 31032-2014《鋼制管道焊接及驗收》規定B型套筒角焊縫采用回火焊道技術。X70鋼級焊材淬硬組織傾向大，推薦X80鋼級管道套筒修復角焊縫根焊、蓋面焊選擇強度較低E5015焊材，降低硬度避免氫致開裂；填充焊選擇強度較高的E5515焊材，保證角焊縫強度。該工藝可保證角焊縫蓋面韓硬度小于260HV，避免氫致裂紋問題。

GB/T 36701規定在役管道焊接前預熱應達到100～150℃，國內中頻加熱設備能力難以滿足，西氣東輸三線（管徑1219mm、壁厚18.4mm）在流速5m/s、中頻加熱期額定功率180kw條件下預熱溫度僅為80℃。研究表明X70鋼級套筒焊接預熱溫度高于65℃即滿足焊接要求。

GB/T 36701未規定B型套筒焊接后熱處理要求。焊后熱處理有利于改進焊縫機械性能和降低殘余應力。推薦X70鋼級套筒焊接完成后進行300℃、5h熱處理工藝。

3.4 無損檢測

國內B套筒修復角焊縫無損檢測做法是在根焊和填充焊期間進行三次磁粉檢測，但實際較少發現裂紋，原因在于角焊縫裂紋屬于延遲裂紋，施工和檢測期間還未形成。針對套筒角焊縫延遲開裂，考慮取消根焊和層間磁粉檢測，增加焊后超聲相控陣檢測和48h后磁粉檢測。

4 結語

B型套筒在消除、抑制管道腐蝕、泄漏和焊縫缺陷方面發揮重要作業，提升B型套筒修復質量是研究的焦點，特別是針對X80鋼級管道環焊縫缺陷修復，應持續完善X70鋼級套筒的性能檢測和評價技術，例如基于應力/應變的含缺陷套筒角焊縫完整性評價技術，確定其長期服役可靠性。結合國內外B型套筒研究成果，應用于國家標準GB/T 36701修訂改進焊接壓力、套筒幾何尺寸等條款內容，保證安全、環保、經濟和高效實時開展管道修復作業。