雷宏峰

北京管道公司管道部

摘要：油氣管道因腐蝕、應力變化、缺陷擴展等原因會(huì )導致發(fā)生泄漏或斷裂，嚴重危害運行安全。換管是根除管道隱患的重要手段，但需要停輸影響下游用戶(hù)。同時(shí)天然氣管道換管時(shí)因放空會(huì )產(chǎn)生比二氧化碳更強“溫室效應”。B型套筒作為一種永久修復技術(shù)，相比換管在上述方面更具優(yōu)勢。介紹了B型套筒材質(zhì)、燒穿壁厚、施焊操作壓力、焊接工藝、無(wú)損檢測等技術(shù)的發(fā)展以及其具有的優(yōu)勢與應用范圍。

關(guān)鍵詞：燒穿；施工操作壓力；焊接技術(shù)；PAUT檢測；B 型套筒

B型套筒修復技術(shù)是利用兩個(gè)由鋼板制成的半圓柱外殼覆蓋在管體缺陷外，通過(guò)側縫焊接連接在一起，并在套簡(jiǎn)的末端采用角焊的方式固定在管道上。套筒可保持管道內壓，也能承受因管道受到側向載荷而產(chǎn)生的軸向應力。根據SY/T 6649―2018《油氣管道管體缺陷修復技術(shù)規范》及GB/T 36701―2018《埋地鋼制管道管體缺陷修復指南》等相關(guān)規范，B型套筒作為永久性修復方式，適用于包括泄漏及環(huán)向缺陷在內的多種管體和環(huán)焊縫缺陷修復。

1  B型套筒修復技術(shù)發(fā)展

1.1  套筒材質(zhì)

對于高鋼級長(cháng)輸管道缺陷修復，國內管道企業(yè)普遍采用鋼級較低的Q345R B型套筒，為了保障修復后的強度，套筒厚度可達60 mm、重量0.6 t，現場(chǎng)焊接工作量大、作業(yè)人員勞動(dòng)強度高、易出現焊縫缺陷等，同時(shí)厚壁套筒增加了主體管道負重，進(jìn)而影響管道本質(zhì)安全。近年中國石油集團工程材料研究院有限公司等科研單位開(kāi)展了X65、 X70 B型套筒及其配套技術(shù)科研攻關(guān)，成功研發(fā)出了性能優(yōu)異的X65/X70高鋼級B型套筒，并形成了配套的焊接、焊后熱處理以及無(wú)損檢測等關(guān)鍵技術(shù)。高鋼級B型套筒厚度較傳統套筒減薄19%～30%，現場(chǎng)組裝及焊接工作量降低約20%。有效縮短了管道在線(xiàn)修復用時(shí)，對保障管網(wǎng)安全、高效、平穩運行有著(zhù)積極重要的意義。

1.2  燒穿壁厚

B型套筒在役焊接修復過(guò)程中，若管道全壁厚金屬熔化，則稱(chēng)為燒穿；若管壁未熔化金屬的剩余強度不足以抵抗管道內介質(zhì)壓力，則出現管道塑性崩潰；兩者均可能造成嚴重安全事故。為了保障管道修復過(guò)程安全，就必須防止管道出現上述情況。對于燒穿，相關(guān)資料有以下規定或科研成果。

（1）按照標準API 1104《管道和相關(guān)設施的焊接》規定，當使用低氫焊條及常規焊接工藝時(shí)，只有在壁厚小于6.4 mm時(shí)，才會(huì )考慮燒穿發(fā)生的可能。

（2）SY/T 6554―2019《石油工業(yè)帶壓開(kāi)孔作業(yè)安全規程》認為當壁厚大于12.7 mm時(shí)，不必考慮管道焊接燒穿的發(fā)生，如果壁厚小于6.4 mm，需要特別注意燒穿風(fēng)險，壁厚處于6.4～12.7 mm時(shí)，可能有燒穿風(fēng)險。

（3）中國科學(xué)院金屬研究所的研究成果表明，當熱輸入為1.2 kJ/mm時(shí)，只有壁厚大于7 mm時(shí)，才能避免燒穿發(fā)生。

（4）美國愛(ài)迪生焊接研究院（EWI）的研究結果顯示，當焊條直徑為3.2 mm，電流為110 A，熱輸入0.9 kJ/mm時(shí)，不會(huì )發(fā)生燒穿的安全壁厚為4 mm。

2022年，北京管道公司維搶修中心完成了陜京一線(xiàn)多處管道壁厚為7.1 mm的B型套筒帶壓修復，據了解國內已有企業(yè)實(shí)施5 mm管道的B型套筒帶壓修復。

1.3  施工操作壓力

B型套筒帶壓修復壓力對管道運行及施工安全有著(zhù)重大影響。GB/T 28055―2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規范》、GB/T 36701―2018《埋地鋼制管道管體缺陷修復指南》、SY/T 6649―2018 《油氣管道管體缺陷修復技術(shù)規范》等規定，在運行的天然氣或成品油管道上焊接時(shí)，其施工操作壓力不應超過(guò)0.4倍的最大允許操作壓力，且輸送介質(zhì)充滿(mǎn)管道。但由于規定的允許壓力較低，影響了管道正常運行，因此管道企業(yè)在B型套筒修復時(shí)施焊壓力大都未采用該規定，而是采用上述國標或行標中關(guān)于超出0.4倍最大允許操作壓力后的計算方法，以減少對管道運行影響及天然氣放空量。

（1）國標行標推薦壓力計算方法。GB/T 28055―2011等國標行標規定：如果焊接施工操作壓力超出0.4倍最大允許操作壓力時(shí)，管道允許的帶壓施焊的最高壓力均執行公式（1）：

式中：P為管道允許帶壓施焊的壓力，MPa；σs為管材的最小屈服極限，MPa；t為焊接處管道實(shí)際壁厚，mm；c為因焊接引起的壁厚修正量，取值見(jiàn)表 1，mm；D為管道外徑，mm ；F為安全系數，取值見(jiàn)表 2。

表 1 國標行標推薦壁厚修正量

表 2 國標行標推薦安全系數

（2）集團公司推薦壓力計算方法�！秶�家管網(wǎng)集團動(dòng)火作業(yè)管理暫行細則》《在役管道環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險排查治理工作指南》關(guān)于壓力計算執行公式（1）計算方法，但參數c和F的取值不同，其中c取3.5 mm，F取0.5或0.6（原油、成品油管道取 0.6；天然氣、煤氣管道取0.5）。   

1.4  焊接技術(shù)

（1）目前高鋼級管道的B型套筒修復焊接工藝規程中都增加了回火焊道、退火焊道、中頻加熱焊后消氫等技術(shù)手段，以細化焊接接頭晶粒，消除應力與降低硬度，改善焊縫組織和力學(xué)性能，加速焊縫中氫的擴散逸出，降低焊縫和熱影響區中的氫含量，防止產(chǎn)生冷裂紋。

（2）雖然B型套筒用高等級鋼替代Q345鋼后，其焊接工作量有所減少，但仍比換管的焊接工作量高出幾倍，勞動(dòng)強度大，焊接時(shí)間長(cháng)，焊接質(zhì)量受焊工體力影響大。為解決上述問(wèn)題，西氣東輸等管道公司2019年以來(lái)開(kāi)展了B型套筒自動(dòng)焊研究。B型套筒自動(dòng)焊技術(shù)具有表面成型好、焊接質(zhì)量高、減少勞動(dòng)強度、節省焊接用時(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前該技術(shù)已大規模應用于高壓力、高鋼級、大口徑長(cháng)輸天然氣管道的缺陷修復[1]�！对谝酃艿拉h(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險排查治理工作指南》中明確規定B型套筒修復時(shí)自動(dòng)焊比例不低于10%。

1.5  無(wú)損檢測技術(shù)

B型套筒角焊縫以往只能用磁粉或著(zhù)色探傷檢測表面和近表面缺陷，無(wú)法檢出焊縫內部裂紋、氣孔、夾雜等焊縫內部缺陷。近年隨著(zhù)相控陣超聲檢測技術(shù)（PAUT）的發(fā)展，可通過(guò)超聲聲場(chǎng)的計算仿真來(lái)適應角焊縫檢測，實(shí)現全覆蓋[2]。目前國內多家研究單位根據B型套筒焊縫的特點(diǎn)，編制特殊的PAUT檢測工藝并制作加工專(zhuān)用的對比試塊，通過(guò)反復進(jìn)行靈敏度校驗和檢測工藝驗證，角焊縫內部缺陷基本都能檢測。為了保證有效檢出延遲裂紋，在焊縫冷卻后、24小時(shí)及48小時(shí)分三次同時(shí)進(jìn)行磁粉、超聲、相控陣檢測，進(jìn)一步確保焊接質(zhì)量。

2  B型套筒修復技術(shù)優(yōu)勢

長(cháng)期以來(lái)，換管被認為是修復管道缺陷最徹底的方式，隨著(zhù)B型套筒修復技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，其優(yōu)勢與換管相比越發(fā)明顯：一是在換管施工過(guò)程中因舊管道往往存在較大的焊口錯位，強力組對難以杜絕，使得被修復的環(huán)焊縫除承受介質(zhì)的正常壓力外還需承受額外的安裝應力；二是換管修復增加了焊口數量，而環(huán)焊縫是整個(gè)管道系統的薄弱點(diǎn)和風(fēng)險點(diǎn)，換一次管相當于給管道系統至少增加一個(gè)風(fēng)險點(diǎn)；三是換管修復的焊口焊縫無(wú)法試壓，相當于新建管道的“金口”，焊口組對間隙、坡口尺寸等參數難以保證，焊接難度大，焊接質(zhì)量不易保證；四是換管需全線(xiàn)或部分管段停輸，對管道下游用戶(hù)影響較大且影響管輸量；五是換管需對至少一個(gè)閥室管段內的天然氣全部放空，大口徑管道換管一次天然氣放空量可達百萬(wàn)立方米以上，研究表明天然氣引起溫室效應的能力是二氧化碳的20倍以上，國家雙碳目標實(shí)施后，天然氣排放控制越來(lái)越嚴。2021年某管道企業(yè)在換管修復作業(yè)時(shí)天然氣放空被國外衛星遙測到，引起了國際社會(huì )關(guān)注。

實(shí)驗表明Ｂ型套筒角焊縫所能承受的極限彎矩約為管道母材的69.4%[3]。在費用方面，以管徑1016 mm管道為例，采用B型套筒修復環(huán)焊縫裂紋缺陷的費用約30～40萬(wàn)元，而換管費用約需200～300萬(wàn)元，兩種修復方式費用相差懸殊。    

3  結語(yǔ)

自2017年國內管道企業(yè)開(kāi)展大規模的環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險排查以來(lái)，管道缺陷數量激增，B型套筒修復技術(shù)應用案例成倍增長(cháng)。實(shí)踐證明，B 型套筒作為一種管道缺陷永久修復方式，適用修復的缺陷類(lèi)型較為廣泛，包括管道的腐蝕、裂紋、機械損傷、焊縫缺陷、管體劃傷、金屬損失、碳弧燒傷、夾渣或分層、凹陷以及泄漏性缺陷，修復成本低，可靠性高。隨著(zhù)B型套筒的材料質(zhì)量、焊接質(zhì)量、檢測質(zhì)量等進(jìn)一步提高，其在長(cháng)輸管道缺陷修復中的應用會(huì )越來(lái)越廣。

參考文獻：

[1]陳娟，宋錦，張悅，等.鋼質(zhì)管道B型套筒自動(dòng)焊接技術(shù)及其應用[J/OL].油氣儲運，2021，網(wǎng)絡(luò )首發(fā)地址：ttps://kns.cnki.net/kems/detail/13.1093.TE.20210527.1509.002.html.

[2]黃磊，李亮，李汝江，等.B型套筒搭接焊縫的相控陣超聲檢測[J].無(wú)損檢測，2021，43(5)：49-53. 

[3]成志強，胡聰，段金偉，等. B型套筒角焊縫力學(xué)性能模擬實(shí)驗[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2021，43(6)：111-118.

作者簡(jiǎn)介：雷宏峰，1971年生，碩士，高級工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），現從事管道管理、環(huán)焊縫質(zhì)量風(fēng)險排查等工作。聯(lián)系方式：01084884298，leihf01@pipechina.com.cn。