長(zhǎng)輸天然氣管道環(huán)焊縫安全狀況等級(jí)評(píng)定及修復(fù)

□□ 蕭成珺，賈 航，蒲飛航 (.甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730050；.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司西部蘭州輸氣分公司，甘肅 蘭州 730070)

引言

1 檢驗(yàn)依據(jù)及管道情況介紹

《中國(guó)石油天然氣管道保護(hù)法》中第五十八條明確指出長(zhǎng)輸管道閥室屬于站場(chǎng)管道屬性，TSG D7003—2010《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則 長(zhǎng)輸(油氣)管道》第4章附則中明確指出，站場(chǎng)內(nèi)壓力管道定期檢驗(yàn)參照TSG D7005《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—工業(yè)管道》有關(guān)要求執(zhí)行[2]。長(zhǎng)輸管道閥室設(shè)計(jì)是遵循GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定。此次無(wú)損檢測(cè)磁粉、滲透、超聲檢測(cè)依據(jù)NB/T 47013《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》第1部分～第5部分，相控陣超聲檢測(cè)依據(jù)NB/T 47013.15—2021《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第15部分：相控陣超聲檢測(cè)》。

閥室內(nèi)管道情況：該管線(xiàn)為天然氣長(zhǎng)輸管道，于2001年11月投用至今。閥室內(nèi)的埋地管道規(guī)格為Φ660 mm×10.3 mm，材質(zhì)為L(zhǎng)415(X60)，地上旁通管線(xiàn)規(guī)格為Φ219 mm×7 mm，材質(zhì)為L(zhǎng)245。氣液聯(lián)動(dòng)閥(ESD閥)上下游三通、規(guī)格(Φ660 mm×10.3 mm)進(jìn)行全面開(kāi)挖、防腐層剝離、打磨清潔，地上旁通管線(xiàn)防腐層油漆進(jìn)行打磨。檢測(cè)過(guò)程中埋地部分管線(xiàn)共有焊縫8道，其中主管線(xiàn)(Φ660 mm×10.3 mm)6道，旁路管線(xiàn)(Φ219 mm×7 mm)2道；地上旁路管線(xiàn)共有焊縫8道(Φ219 mm×7 mm)。管道等級(jí)參照工業(yè)管道劃分為GC1級(jí)，設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa，最高工作壓力≤4.8 MPa，工作溫度為10～15 ℃，主管道長(zhǎng)度為23.4 m，工作介質(zhì)為潔凈天然氣。閥室內(nèi)管道焊縫均采用手工纖維素焊條立向下焊，由管口頂部0點(diǎn)位置起弧焊至管口底部6點(diǎn)位置結(jié)束，其電弧具有熔深大，穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，根部打底單面焊雙面成形好。

該埋地部分管道的開(kāi)挖定期檢驗(yàn)為首次定期檢驗(yàn)，按程序依次開(kāi)展資料審查、宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)，埋藏缺陷檢測(cè)采用相控陣超聲檢測(cè)，安全附件及儀表檢查。

由于閥室內(nèi)檢驗(yàn)屬于受限空間作業(yè)，在進(jìn)入閥室前，檢驗(yàn)人員必須先辦理受限空間作業(yè)許可證，并穿戴好勞動(dòng)保護(hù)用品，待閥室內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度經(jīng)過(guò)三次檢測(cè)，均達(dá)標(biāo)后，檢驗(yàn)人員和監(jiān)護(hù)人員方可進(jìn)入閥室。此次檢驗(yàn)中宏觀檢驗(yàn)共發(fā)現(xiàn)4座閥室干線(xiàn)(Φ660 mm×10.3 mm)的4條環(huán)焊縫存在未焊滿(mǎn)缺陷，詳見(jiàn)表1。

表1 未焊滿(mǎn)缺陷情況

2 未焊滿(mǎn)原因分析

未焊滿(mǎn)缺陷通常是指焊縫表面的熔敷金屬低于母材，即焊縫填充量過(guò)少(如圖1所示)，未完全填充滿(mǎn)基體母材，焊縫表面上呈現(xiàn)連續(xù)或斷續(xù)的溝槽(如圖2所示)，填充金屬不足是產(chǎn)生未焊滿(mǎn)的根本原因。未焊滿(mǎn)缺陷導(dǎo)致對(duì)接焊縫的有效截面積減少，使得焊縫強(qiáng)度降低，而且會(huì)引起應(yīng)力集中，降低了焊縫的疲勞強(qiáng)度，同時(shí)腐蝕概率增加，嚴(yán)重影響了管道元件的使用壽命。

圖1 未焊滿(mǎn)缺陷示意圖

圖2 未焊滿(mǎn)缺陷

在早期的焊接施工過(guò)程中，由于監(jiān)管機(jī)構(gòu)和安裝單位缺乏對(duì)焊接過(guò)程嚴(yán)格管控的質(zhì)量體系，同時(shí)焊接操作者責(zé)任心不強(qiáng)、未嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝導(dǎo)致存在未焊滿(mǎn)缺陷。

3 未焊滿(mǎn)缺陷的安全狀況等級(jí)評(píng)定

對(duì)于未焊滿(mǎn)缺陷依據(jù)TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—工業(yè)管道》中3.2.4規(guī)定的管子局部減薄程度進(jìn)行評(píng)級(jí)，詳見(jiàn)表2。同時(shí)管道應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

表2 GC1級(jí)管道所允許的局部減薄的深度最大值 mm

(1)管道結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

連旱天數(shù)和森林火險(xiǎn)等級(jí)呈正相關(guān)，連旱天數(shù)增加，可燃物可燃性增加，對(duì)應(yīng)的火險(xiǎn)等級(jí)升高。反之，可燃物可燃性降低，對(duì)應(yīng)的火險(xiǎn)等級(jí)降低[6]。在祁連山東端青海云杉林中，連旱天數(shù)小于7d，一般不易引發(fā)森林火災(zāi)，連旱天數(shù)大于32d，則較容易引發(fā)森林火災(zāi)。

(2)在工況下材料韌性良好且未出現(xiàn)材料劣化以及劣化趨向。

(3)壁厚局部減薄以及其附近無(wú)其他表面缺陷或者埋藏缺陷。

(4)局部減薄處剩余壁厚>2 mm。

(5)管道不承受疲勞載荷[3]。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

依據(jù)檢測(cè)管道外徑的實(shí)測(cè)值，D為660 mm，B為600 mm(5號(hào)閥室為例)，P為4.8 MPa，管道材料的屈服強(qiáng)度ReL依據(jù)GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線(xiàn)輸送系統(tǒng)用鋼管》規(guī)定，取最小屈服強(qiáng)度為415 MPa，tmin為缺陷附近壁厚的實(shí)測(cè)最小值。

3.2 腐蝕量計(jì)算

管道的腐蝕速率定義為管道減薄厚度和年限的比值，該天然氣管道設(shè)計(jì)名義厚度為10.3 mm，現(xiàn)實(shí)測(cè)最小厚度tmin(5號(hào)閥室為例)為10.0 mm，2001年11月投用，到2021年11月已投入使用約20年，故腐蝕速率K為0.015 mm·年-1，屬于輕微腐蝕;年均勻腐蝕速率≯0.05 mm·年-1，耐腐蝕等級(jí)可評(píng)定為優(yōu)良[4]。

至下一檢驗(yàn)周期的年限N，以3年和5年為例，計(jì)算至下一檢驗(yàn)周期的腐蝕量C1：

N=3年，則C1=KN=0.015×3=0.045 mm，te-有效厚度=tmin-C1=10.0-0.045=9.955 mm；

N=5年，則C1=KN=0.015×5=0.075 mm，te-有效厚度=tmin-C1=10.0-0.075=9.925 mm。

3.3 管道極限內(nèi)壓及最大允許腐蝕裕量深度計(jì)算

未焊滿(mǎn)缺陷不擴(kuò)展，則至下一檢驗(yàn)周期的局部減薄深度擴(kuò)展的估計(jì)值為0。管道極限內(nèi)壓PL0可按式(1)計(jì)算：

(1)

由式(1)可算出管道極限內(nèi)壓PL0為14.2 MPa。因管道正常工作壓力P為4.8 MPa，按表2規(guī)定，該管道工作壓力在0.3PL0

B/(πD)>0.28，當(dāng)下一檢驗(yàn)周期為3年時(shí)，2級(jí)和3級(jí)最大允許的腐蝕裕量深度分別為：0.10te-C1=0.95 mm；0.15te-C1=1.448 mm。

B/(πD)>0.28，當(dāng)下一檢驗(yàn)周期為5年時(shí)，2級(jí)和3級(jí)最大允許的腐蝕裕量深度分別為：0.10te-C1=0.92 mm；0.15te-C1=1.418 mm。

3.4 評(píng)定結(jié)論

以5號(hào)閥室為例，未焊透深度為3.3 mm，>1.448 mm，故該管道安全狀況等級(jí)應(yīng)評(píng)定為4級(jí)，不符合要求，使用單位應(yīng)當(dāng)對(duì)管道缺陷及時(shí)處理，否則不得繼續(xù)使用。參照此例，分別對(duì)其他閥室進(jìn)評(píng)定，最終評(píng)定結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 最終檢驗(yàn)結(jié)論

4 長(zhǎng)輸管道缺陷修復(fù)技術(shù)

長(zhǎng)輸管道修復(fù)方法按照適用范圍分為停輸置換管道修復(fù)和不停輸修復(fù)兩類(lèi)。以往使用單位一般會(huì)采用停產(chǎn)停輸、放空置換、動(dòng)火切割更換管段、無(wú)損檢測(cè)、再置換、再投產(chǎn)等流程。其更換工作量非常大、過(guò)程工序復(fù)雜，修復(fù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)生產(chǎn)影響較大、且還需要管網(wǎng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，作業(yè)期間的動(dòng)火作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高，經(jīng)濟(jì)損失較大、動(dòng)輒幾百萬(wàn)元甚至上千萬(wàn)元。如今不停輸修復(fù)技術(shù)因其工藝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，不僅減小了人力及物力的投入，并減小了經(jīng)濟(jì)損失。

此次修復(fù)未焊滿(mǎn)缺陷的管道均為埋地管道，采用玻璃纖維復(fù)合材料濕纏繞法修復(fù)技術(shù)，其原理在于利用纖維材料的強(qiáng)度特性來(lái)增加被修復(fù)管道的韌度，以此保證管道的整體強(qiáng)度。為了有效避免在使用過(guò)程中出現(xiàn)管道的二次受損，故在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)過(guò)程中，必須將樹(shù)脂在管道的外側(cè)進(jìn)行充分涂覆，待涂覆完成后再使用玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行包裹。這樣管道所承受的應(yīng)力被均勻地傳遞到管道外側(cè)的玻璃纖維上，從而保證了管道的承載能力。濕纏繞法修復(fù)技術(shù)由工作人員把玻璃纖維布通過(guò)纏繞與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合，其中樹(shù)脂的飽和度、玻璃纖維與樹(shù)脂的比例、施工環(huán)境的差異和工人的人為因素等都會(huì)對(duì)修復(fù)質(zhì)量造成不同程度的影響，以至于修復(fù)質(zhì)量每次都略有差異，但現(xiàn)場(chǎng)適用性好，應(yīng)用比較靈活，可應(yīng)用于不同管徑、結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)件，與被修復(fù)管道的貼合性較好(如圖3所示)。該方法修復(fù)成本相對(duì)低廉，操作簡(jiǎn)單，能滿(mǎn)足修復(fù)指標(biāo)要求[5]。

圖3 修復(fù)過(guò)程

通過(guò)對(duì)管道進(jìn)行復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，管道本身承受的載荷得到了有效傳遞，降低了管壁的應(yīng)力并避免在管道缺陷處的應(yīng)力集中，從而達(dá)到對(duì)管道補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)的目的，恢復(fù)管道的正常承載能力[6-7]。

5 結(jié)語(yǔ)

由于前期的監(jiān)督管理和安裝單位的管理不到位導(dǎo)致長(zhǎng)輸管道中存在未焊滿(mǎn)缺陷，為保證這些存在缺陷的管道能夠安全運(yùn)行，使用單位應(yīng)加強(qiáng)管理，并按照相應(yīng)的特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范采取有效可行的檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)方法，組織開(kāi)展隱患排查工作才是最行之有效的途徑。盡最大限度避免長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行維護(hù)中的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)管道使用壽命。