油氣管道在役焊接修復技術(shù)研究

蘭曉冬，周洪軍，丁 輝

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300457)

油氣管道在役焊接修復技術(shù)研究

蘭曉冬，周洪軍，丁 輝

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300457)

根據(jù)油氣管道在役焊接修復的兩種常用修復方法，分析出影響在役焊接修復安全性的主要因素是燒穿和氫致開裂，并設計出一種油氣管道在役焊接修復裝置，采用管道內(nèi)油氣壓等于密閉空間內(nèi)CO2氣壓＋焊接產(chǎn)生壓力的創(chuàng)新方法，有效降低焊縫中含氫量，成功解決了影響油氣管道在役焊接修復安全性的技術(shù)難題。

油氣管道 在役焊接 安全性 修復裝置

0 引 言

隨著我國西部油氣田和海洋油氣田的開發(fā)，以及“加強輸油氣管道建設，形成管道運輸網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略的實施，在未來幾年，我國還要建設十幾條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫”，總長超過萬公里的油氣管輸格局。[1]油氣管道輸送已成為現(xiàn)代石油工業(yè)的重要環(huán)節(jié)。

油氣管道深埋地下，具有不可見性。在長期服役過程中，受到各種自然和人為因素的影響，往往會出現(xiàn)腐蝕穿孔、陰極保護失效、環(huán)向焊縫開裂、機械損傷等情況，不可避免會造成管線的局部減薄、損傷甚至泄漏。如果不及時對油氣管道進行修復，輕則影響油氣的供應，重則將造成油氣輸送管道爆炸、火災等事故。[2]傳統(tǒng)油氣管道修復方法是將整條油氣管道線路泄壓、停輸，然后對需要修復的部位進行處理。這樣的修復方式不僅費用昂貴，也會給人們?nèi)粘Ｉ顜聿槐?。同時，修補作業(yè)時排出的油氣還會污染環(huán)境。20世紀70年代末開始，美國、加拿大[3]等國家陸續(xù)開展在役焊接修復技術(shù)的研究。在役焊接，顧名思義就是在油氣管道運行狀態(tài)下(不泄壓、不停輸)，對其直接進行焊接。由于在役焊接具有保持油氣管道運行的連續(xù)性、修復時間短、速度快及不污染環(huán)境等優(yōu)點，因此在役焊接修復技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟效益和廣闊的應用前景。

1 在役焊接修復方法

根據(jù)油氣管道在役焊接現(xiàn)場的需要，在役焊接修復技術(shù)主要包括兩種方法，即套管修復和安裝支管修復。

1.1 套管修復

套管修復是將兩半圓管套在待修復的油氣管道外壁上，然后半圓管和管道之間采用角焊縫焊接及半圓管對接，從而使二者成為一體。套管修復一般用于修復管道因腐蝕局部變薄的情況。對于管道因腐蝕產(chǎn)生穿孔或裂紋不大且管道內(nèi)油氣壓較低的情況，也可采用此種修復方法。具體操作方法為：先堵住管道穿孔或裂縫，然后再采用套管修復，圖1為套管修復示意圖。

圖1 套管修復示意圖[4]Fig.1 Schematic diagram of sleeving repairing[4]

1.2 安裝支管修復安裝支管修復是在出現(xiàn)問題管段的前后部位各焊接一段帶法蘭的管外套管，然后通過法蘭孔用特制的刀具在管道上開孔，通過前后兩個法蘭連接分流旁路，使管內(nèi)油氣介質(zhì)從分流旁路通過，隨后將出現(xiàn)問題的管段切除，重新焊接一段管子，焊好后將分流旁路撤除，油氣介質(zhì)再重新從主管線通過。[5]安裝支管修復主要用于修復受到嚴重腐蝕、人為破壞的管線及管線整改等。圖2為安裝支管修復示意圖。

圖2 安裝支管修復示意圖[6]Fig.2 Schematic diagram of branch pipe repairing[6]

2 在役焊接的安全性

套管修復和安裝支管修復都是在管道內(nèi)有油氣介質(zhì)流動的狀態(tài)下進行的焊接作業(yè)。從焊接角度來看，這兩種修復方法要解決的難題是一致的，即管道在運行(不泄壓、不停運)狀態(tài)下實施焊接。在役焊接過程中，保證安全是第一要務。一般而言，影響在役焊接安全性的主要因素是燒穿和氫致開裂。

2.1 燒穿

燒穿就是焊接熔池下方未熔化的金屬強度不能承受它所受的應力。燒穿失效模式一般分為兩種：[7]①在常壓狀態(tài)下直接焊穿，屬于塑性失穩(wěn)；②管子在內(nèi)部壓力和焊接電弧共同作用下發(fā)生燒穿。影響燒穿的因素有很多，主要包括：壁厚、熔深、流動介質(zhì)、應力等。

2.1.1 壁厚

Battelle焊接研究所采用熱分析計算模型研究發(fā)現(xiàn)：在役焊接時，當管道內(nèi)壁溫度達到982℃，管道將會發(fā)生燒穿。[8-10]一般管道壁厚在6.4mm以上時，焊接時管道內(nèi)壁很難達到982℃，也就是壁厚大于6.4mm的管道采用低氫焊條及合理焊接工藝，管道焊接就不會燒穿。油氣管道在長期服役過程中會發(fā)生腐蝕、磨損及機械損壞等情況，使管道出現(xiàn)局部變薄，焊接時燒穿的可能性會增大。因此，在焊接修復時，盡量選取管道壁厚處?？傊?，管道壁越厚，燒穿的幾率就越小。

2.1.2 熔深

熔深就是管道焊接熔池的垂直深度。焊接線能量越大，熔池就越深，發(fā)生燒穿的幾率越大。線能量過小，熔深雖淺，但由于熔池冷卻過快，容易導致氫致開裂。因此，焊接時既要保證足夠的線能量輸入，防止發(fā)生氫致開裂，又要避免線能量過大，防止發(fā)生燒穿。

2.1.3 流動介質(zhì)

不同介質(zhì)對燒穿的影響主要體現(xiàn)在對熔池的冷卻能力上。相同條件下，液體比氣體冷卻能力強，當管道內(nèi)流動的介質(zhì)是液體時，管道燒穿的幾率要小。當介質(zhì)一定時，熔池冷卻速度取決于流速，流速越快，熔池降溫越快，燒穿幾率變小，但流速增大到一定程度時，冷卻速度不再隨流速變化而變化。通常認為管道內(nèi)液體壓力越大，燒穿幾率越大。但氣體不滿足這一規(guī)律，[11]一般認為管內(nèi)氣壓越小，燒穿幾率越小。然而，由于氣壓小，流速也小，冷卻熔池速度也小，燒穿最小壁厚反而增大。[12]

2.1.4 應力

在役焊接時，管道內(nèi)壁一直受到油氣壓力影響，當受熱時，管道局部會發(fā)生變形而管道周圍材料限制此變形，從而管道會產(chǎn)生較大應力。在高溫和應力共同作用下，管壁不能承受此應力時，管道會發(fā)生燒穿。

2.2 氫致開裂

氫致開裂是由于氫原子滲入到鋼中，并在鋼內(nèi)部空穴處變?yōu)榉肿討B(tài)聚集而產(chǎn)生較高的壓力，造成鋼材內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。氫致裂紋的產(chǎn)生需滿足3個條件，即焊縫中的含氫量、焊接接頭的淬硬程度傾向及焊接接頭所承受的約束應力。[13]因此，為防止氫致開裂，研究工作必須從導致裂紋產(chǎn)生的條件入手，分析原因，找到應對氫致裂紋的辦法。

焊接過程中，氫的主要來源是空氣、水及介質(zhì)含氫化合物等，一般而言，由于焊接環(huán)境無法改變，控制焊縫中含氫量比較容易操作的方法是控制焊條含氫量，即焊接時盡量采用干燥低氫焊條。含碳量低的管線，冷卻速度慢，一般會得到低碳馬氏體或鐵素體＋珠光體，這些組織硬度低，淬硬傾向小。只有冷卻速度過快時，才會產(chǎn)生高碳馬氏體，此組織淬硬傾向大。[12]因此，控制介質(zhì)流速可以控制淬硬傾向。焊接后產(chǎn)生的殘余應力，不僅會引起氫致開裂，還可能導致疲勞開裂，同時這些又是評定管道系統(tǒng)安全性的重要因素。郝建斌[13]等人研究發(fā)現(xiàn)，預熱、合理的焊接順序及必要的裝配等可以減少焊縫根部的應力集中。

3 在役焊接修復裝置

在役焊接過程中，影響管線安全的主要因素是燒穿和氫致裂紋，而造成燒穿和氫致裂紋的原因也十分復雜，筆者從應力造成管道燒穿及含氫量過高造成管道裂紋入手，設計出一種能夠確保管道不會因為上述原因引起失效的管道在役焊接修復裝置。

圖3 油氣管道在役焊接修復裝置示意圖Fig.3Schematic diagram of devices for in-service welding repair

油氣管道在役焊接修復裝置(見圖3)主要由超聲波測厚儀、測壓儀、紅外遙控器、自動激光焊槍、平衡氣囊、CO2發(fā)生器、氣泵、熱處理設備等組成。超聲波測厚儀主要是用來檢測油氣管道壁厚是否在規(guī)定范圍之內(nèi)，測壓儀主要測量管道內(nèi)油氣壓力及平衡氣囊CO2壓力，紅外遙控器通過紅外光控制自動激光焊槍對管道需進行修補的部位進行自動焊接，CO2發(fā)生器是CO2的來源，且CO2氣體可以稀釋焊接周圍環(huán)境的含氫量，氣泵的作用是把CO2發(fā)生器產(chǎn)生的CO2輸送給平衡氣囊。平衡氣囊密封CO2，當油氣管道內(nèi)油氣壓力等于管道外平衡氣囊內(nèi)CO2壓力＋焊接壓力時，氣泵停止工作，熱處理設備是對焊接過后的管道進行熱處理，適當降低焊接處硬度，提高焊接部位的韌性。

管道在役焊接修復現(xiàn)場操作的具體過程如圖4所示：①利用超聲波測厚儀檢測出管道壁厚不符合規(guī)定的部位。②對該部位進行清理，這樣便于半圓套管和管道焊接時更完美的結(jié)合。③在需焊接處將半圓套管固定在管道上。④通過氣泵站適當降低管道油氣壓并用測壓儀記錄此時油氣壓，由此降低油氣的流速從而減小油氣管道燒穿的危險性。⑤把自動激光焊槍安放在角焊縫第1道焊縫處。⑥把平衡氣囊固定在半圓套管外的油氣管道外表面，從而在平衡氣囊和油氣管道之間形成一個密閉空間。⑦用氣泵把CO2發(fā)生器產(chǎn)生的CO2注入平衡氣囊和油氣管道形成的密閉空間，隨時用測壓儀測量密閉空間氣壓，當密閉空間油氣壓比油氣管道油氣壓小0.2～0.8MPa(激光焊接產(chǎn)生的壓力值)時，停止對密閉空間加壓，使管道內(nèi)油氣壓等于密閉空間內(nèi)CO2氣壓＋焊接產(chǎn)生壓力，從而避免在焊接過程中管道因內(nèi)外壓差而燒穿管道。⑧用紅外遙控器啟動自動激光焊槍，自動激光焊槍沿油氣管道行走1周，從而自動焊接完角焊縫處的第1道焊縫。由于角焊縫中的第1道焊縫極易燒穿油氣管道，所以只要第1道焊縫順利通過，其他幾道焊縫的焊接危險系數(shù)將大大降低。⑨拆除上述所有設備，用手工焊接其他焊縫，并用熱處理設備對焊接處做必要的退火處理。⑩最后對管道進行防腐處理。

圖4 半圓套管焊接修復示意圖Fig.4 Schematic diagram of welding repair of a semicircular sleeving

4 結(jié) 語

根據(jù)焊接現(xiàn)場實際情況，在役焊接修復有兩種修復工藝，即套管修復和安裝支管焊接修復。套管修復適用于管道因腐蝕局部變薄、穿孔及輕微裂紋的情況。安裝支管焊接修復適合于修復嚴重腐蝕的管道、人為破壞管道及整改管道等情況。在役焊接過程中，保證安全是第一要務。影響在役焊接安全性的主要因素為燒穿和氫致開裂。

基于此，研究設計出的油氣管道在役焊接修復裝置主要由超聲波測厚儀、測壓儀、紅外遙控器、自動激光焊槍、平衡氣囊、CO2發(fā)生器、氣泵、熱處理設備等組成。其裝置的核心設計理念是：管道內(nèi)油氣壓等于密閉空間內(nèi)CO2氣壓＋焊接產(chǎn)生壓力，因此管道不會因為內(nèi)外壓差燒穿管道，且密閉空間內(nèi)的CO2可以稀釋焊接周圍環(huán)境的氫，以降低焊縫中含氫量。

［1］ 夏麗洪，郝鴻毅，洪保民. 2006年中國石油工業(yè)綜述[J]. 國際石油經(jīng)濟，2007(4)：29-34.

［2］ 宋立新. 管線鋼在役焊接接頭應力分析[D]. 青島：中國石油大學(華東)，2008.

［3］ Nippard F，Pick R J，Horsley D. Strengthen of a hot rap reinforced tee junction[J]. International Pressure & Piping，1996(68)：169-180.

［4］ Bang I W，Son Y P，Oh K H，et al. Numerical simulation of sleeve repair welding of in-service gas pipelines[J]. Welding Journal，2002(12)：273-282.

［5］ 高強. 運行管線在役焊接燒穿機理研究[D]. 青島：中國石油大學(華東)，2008.

［6］ Bruce W A. Repair of in-service pipeline by welding[J]. Pipes &Pipelines International，2001(9-10)：5-11.

［7］ Oddy A S，Mcdill J M J. Burnthrough prediction in pipeline welding [J]. International Journal of Fracture，1999(97)：149-261.

［8］ Fischer R D，Kiefner J F，Whitacre G R. User’s manual for model 1 and 2 computer programs for predicting critical rates and temputer during repair and hot-tap welding on pressurized pipelines[Z]. Battelle Memorial Institute，1981.

［9］ Fischer R D，Kiefner J F. Models aid pipelines repairwelding procedure[J]. Oil&Gas Journal，1998，86(10)：41-46.

［10］ Bruce W A，Threadgill P L. Welding onto in-service pipelines[J]. Welding Design Fabrication，1991，64(2)：19-22.

［11］ Cisilino A P，Chapetti M D，Otegui J L. Minimum thickness for circumferential sleeve repair fillet welds in corroded gas pipelines[J]. International Journal of Pressure Vessels & Piping，2002，79(1)：67-76.

［12］ 張東亮，王澤根，岑康. 油氣管道在役焊接的安全性研究[J]. 油氣儲運，2009，28(12)：71-74.

［13］ 郝建斌，武新娟，張水清，等. 在役管道修復與搶修焊接工藝模擬試驗方法[J]. 油氣儲運，2006，25(2)：37-40.

In-service Welding Repair Technology for Oil and Gas Pipelines

LAN Xiaodong，ZHOU Hongjun，DING Hui
(CNOOC EnerTech Equipment Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300457，China)

Based on two common in-service welding repair methods for oil and gas pipelines，major factors endangering in-service welding were found out，including burning and hydrogen induced cracking. Besides，a new in-service welding repair device for oil and gas pipelines was designed. This device adopts an innovative method based on the pipeline oil pressure equaling to the atmospheric pressure of CO2within a confined space＋the pressure generated by welding. The device has been proved as effectively reducing the amount of hydrogen in welds and successfully addressing the technical problem of in-service welding safety.

oil and gas pipeline；in-service welding；safety；repair device

TG404

：A

：1006-8945(2015)04-0045-03

2015-03-09