上海煤氣第二管線工程有限公司 王可棟

施耐德電氣(中國)有限公司 張慶凱

0 序言

西氣東輸二線深圳天然氣高壓輸配系統(tǒng)工程于2009年9月全面拉開帷幕，截至目前兩年多的建設(shè)過程中，出現(xiàn)了幾次已建管線移位的情況，其中與我公司(上海煤氣第二管線工程有限公司)有關(guān)的如：(1)因深圳水官高速道路擴(kuò)建，2010年6月竣工通氣的水官高速改線工程第六段管線于2011年6月再次進(jìn)行管線移位；(2)2010年 4月完成敷設(shè)的11標(biāo)西麗段管線因與南光高速收費(fèi)站紅線沖突于2011年10月進(jìn)行管線移位；已竣工管線進(jìn)行管線移位的原因比較復(fù)雜，涉及規(guī)劃、設(shè)計(jì)、權(quán)屬等諸多問題，目前深圳天然氣高壓輸配系統(tǒng)已建設(shè)大半并陸續(xù)通氣，預(yù)計(jì) 2012年底將全線貫通，可以預(yù)料的是配合大規(guī)模市政工程建設(shè)的不停輸管線移位會(huì)在日后時(shí)有發(fā)生。

本文假定對(duì)松崗天然氣搶修服務(wù)中心及調(diào)壓站(以下簡(jiǎn)稱松崗調(diào)壓站)進(jìn)站管線進(jìn)行管線移位，以其管線基本參數(shù)為計(jì)算依據(jù)，分析、論述不停輸管線帶壓焊接管件的相關(guān)問題。

1 不停輸焊接三通存在的問題

在役管道不停輸焊接，是在一定的輸量、流速、壓力的狀態(tài)下焊接管件，以達(dá)到對(duì)管道維修、改造的目的。在役管道不停輸焊接管件存在以下問題。

(1)管道處于不停輸狀態(tài)，不易保證預(yù)熱溫度(100℃ 以上)和層間焊接溫度(150℃)，熱量損失大；

(2)若管內(nèi)外腐蝕嚴(yán)重，則易發(fā)生焊接穿透；

(3)管道焊接時(shí)過量的熱輸入易引起管材微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；

(4)在焊接過程中，由于輸送介質(zhì)流速過快，易產(chǎn)生冷裂紋、氫裂等缺陷；

(5)焊接三通產(chǎn)生的應(yīng)力易引起管壁褶皺，使封堵作業(yè)無法進(jìn)行。

在焊接三通等管件時(shí)要注意防止燒穿管壁，對(duì)焊條直徑、焊接電流、電壓、焊接速度、預(yù)熱溫度等焊接參數(shù)要嚴(yán)格控制，以防止燒穿管道造成人員傷亡和釀成火災(zāi)。在焊接時(shí)不但要防止管道被燒穿，而且要防止產(chǎn)生氫裂。

2 管道允許帶壓施焊壓力

2.1 算法一

《鋼制管道封堵技術(shù)規(guī)程第1部分 塞式、筒式封堵》(SY/T 6150.1—2003)給出如下公式(1)，確定管道允許帶壓施焊壓力。

式中：p—管道允許帶壓施焊的壓力，MPa；

σs—管材最小屈服極限，MPa；

t—焊接處實(shí)際壁厚，mm；

c—因焊接引起的壁厚修正量，mm，通常可取2.4 mm；

D—管道外徑，mm；

F—安全系數(shù)(原油、成品油管道取0.6，天然氣、煤氣管道取0.5)。

以松崗調(diào)壓站進(jìn)站管線(站外干線至調(diào)壓撬進(jìn)口之間的管線)為例擬算，具體參數(shù)如表1。

表1 松崗調(diào)壓站進(jìn)站管線基本參數(shù)

根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)取σs=359 MPa，利用公式(1)求得允許帶壓施焊壓力p=7.86 MPa

2.2 算法二

《在役管道焊接中燒穿管壁現(xiàn)象分析》給出公式(2)對(duì)管道允許帶壓施焊壓力確定如下：

式中：p—管道允許帶壓施焊的最大承受壓力，MPa；

S—管材最小屈服極限，MPa；

D—管道外徑，mm；

t=ta-u，mm；

u—焊接時(shí)穿透的深度，mm；

ta—管道最小實(shí)際壁厚，mm；

F—安全系數(shù)，推薦值最大0.8；

E—焊接系數(shù)，取1；

T—溫度降低系數(shù)(適用于管道最大承載壓力，具體見表2)。

表2 管道溫度降低系數(shù)

焊接時(shí)熱量計(jì)算見公式(3)。式中：E—熱量，J/mm；

K—系數(shù)，對(duì)焊時(shí)取0.85，角焊時(shí)取0.57；

U—焊接電壓，V；

I—焊接電流，A；

S1—焊接速度，mm/s。根據(jù)熱量計(jì)算結(jié)果，查圖1得到焊接時(shí)穿透深度u，管壁起始溫度為25 ℃。

圖1 管道熱穿透深度

依據(jù)《深圳市天然氣高壓輸配系統(tǒng)場(chǎng)站工程焊接工藝規(guī)程》(中石油天然氣管道科學(xué)研究院焊接技術(shù)中心編制于2011年4月1日實(shí)施)所列Q345、L360母材的焊接工藝評(píng)定，具體見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

因此，依據(jù)公式(3)及表3，焊接輸入熱量：

焊接時(shí)管壁最高溫度控制在500 ℃。查圖1得到穿透深度u=1.5 mm，利用公式(2)求得允許帶壓施焊壓力p=8.09 MPa。

2.3 算法三

《油氣管道動(dòng)火管理規(guī)范 第 1部分：天然氣管道》(Q/SY 64.1—2007)規(guī)定：“正常情況下，在帶壓天然氣管道上焊接，應(yīng)提前降低管道內(nèi)的氣體壓力，焊接處管內(nèi)壓力應(yīng)小于此處管道允許工作壓力的0.4倍?！卑创艘?guī)定，松崗調(diào)壓站進(jìn)站管線帶壓焊接允許壓力p應(yīng)低于0.64 MPa。

通過比較以上3種計(jì)算結(jié)果，經(jīng)算法三得出的允許帶壓施焊壓力明顯低于前兩種算法得到的結(jié)果，這間接說明松崗調(diào)壓站進(jìn)站管線設(shè)計(jì)壁厚偏大。其次，按《油氣管道動(dòng)火管理規(guī)范 第1部分：天然氣管道》要求帶壓施焊壓力低于0.64 MPa，即帶壓施焊時(shí)要降低管道內(nèi)介質(zhì)工作壓力，這將給管道運(yùn)行協(xié)調(diào)帶來困難并影響下游用戶供氣。面對(duì)三種計(jì)算結(jié)果，施工單位難于確定帶壓施焊壓力，為了既保證安全又不影響供氣，施工前應(yīng)按照《管道維護(hù)焊接規(guī)程》(API RP 1107)規(guī)定進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過模擬試驗(yàn)確定帶壓施焊壓力，并依據(jù)《管道及相關(guān)設(shè)備的焊接》(API Std 1104)編制焊接工藝評(píng)定報(bào)告和焊接工藝指導(dǎo)書。再次，《鋼制管道封堵技術(shù)規(guī)程第1部分 塞式、筒式封堵》給出的公式(1)中考慮到運(yùn)行時(shí)間、介質(zhì)腐蝕性、陰極保護(hù)情況、防腐層情況等對(duì)管道壁厚變薄產(chǎn)生影響，要求實(shí)際測(cè)量管道壁厚。而《油氣管道動(dòng)火管理規(guī)范 第 1部分：天然氣管道》規(guī)定“正常情況下，在帶壓天然氣管道上焊接，應(yīng)提前降低管道內(nèi)的氣體壓力，焊接處管內(nèi)壓力應(yīng)小于此處管道允許工作壓力的0.4倍?！蔽纯紤]管道本體實(shí)際腐蝕情況。

3 間斷焊、連續(xù)焊

研究表明，控制焊接時(shí)的熱量輸入可以減少燒穿的發(fā)生。為了控制焊接時(shí)焊縫區(qū)的溫度，施工中可采用間斷焊即焊接一段時(shí)間，立即冷卻一段時(shí)間，然后再重復(fù)該過程直至焊接結(jié)束。實(shí)踐證明，該種方法能有效地減小單位時(shí)間內(nèi)輸入的熱量，降低焊縫區(qū)的溫度，從而減少發(fā)生燒穿的可能性。

《帶壓開孔結(jié)構(gòu)多道間斷焊的數(shù)值模擬》一文提到，通過對(duì)正交接管間接焊結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并將之與連續(xù)焊時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較，得出結(jié)論，采用間斷焊可以有效降低焊接時(shí)的局部高溫，而且其殘余應(yīng)力也略低于連續(xù)焊；由于間斷焊起弧次數(shù)多，容易產(chǎn)生缺陷，但金相分析表明間接焊接金相組織正常，內(nèi)壓試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)能安全運(yùn)行。

《不連續(xù)焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度研究》一文通過類似試驗(yàn)方法證實(shí)間斷焊金相組織正常，其焊接工藝包括預(yù)熱、焊接、熱處理等是正確的，滿足安全要求。認(rèn)為連續(xù)焊時(shí)由于連續(xù)加熱，溫度隨著熱源的移近而不斷升高達(dá)到峰值，又隨著熱源的離開而逐漸降低；間斷焊時(shí)，由于加熱與冷卻的不斷交替，其熱循環(huán)曲線呈鋸齒狀，間斷焊后殘余應(yīng)力大于連續(xù)焊后殘余應(yīng)力。

4 管內(nèi)介質(zhì)

管線在運(yùn)行時(shí)，管內(nèi)介質(zhì)的流速、溫度、壓力等特性必然會(huì)對(duì)在線焊接產(chǎn)生影響?！朵撝乒艿婪舛录夹g(shù)規(guī)程第 1部分 塞式、筒式封堵》規(guī)定：封堵管件焊接時(shí)，管道內(nèi)液體流速不應(yīng)大于 5 m/s，氣體流速不應(yīng)大于10 m/s。流動(dòng)的介質(zhì)會(huì)帶走焊接時(shí)的熱量，而介質(zhì)壓力作用于局部高溫導(dǎo)致的有效壁厚減薄區(qū)域時(shí)可能會(huì)使管線失效。

《壓力管道在線焊接的數(shù)值模擬》一文提到，內(nèi)壓對(duì)在線焊接完全冷卻后的軸向應(yīng)力有較大影響。由于內(nèi)壓作用，Mises應(yīng)力峰值較無內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)時(shí)大。

《運(yùn)行管線在役焊接試驗(yàn)研究》一文提到，16Mn管線內(nèi)介質(zhì)使得焊接區(qū)快速冷卻，在焊接區(qū)形成上貝氏體，使得氫致開裂敏感；隨著冷卻速度增大，焊縫和HAZ硬度值增大；增大焊接電流可以減少接頭硬度，減少淬硬組織，降低氫開裂敏感性。

焊接接頭的殘余應(yīng)力和氫含量也是導(dǎo)致氫致開裂的因素。焊接殘余應(yīng)力一般不可避免，焊前清理和采用低氫型焊條可以降低氫含量。提高焊接電流、增大焊接線能量可減少淬硬組織的含量，降低硬度。但是，提高焊接電流、增大焊接線能量增加了燒穿的可能性，因此需要在防止燒穿的前提下增大焊接線能量，根據(jù)管道的壁厚選擇合適的焊接電流。

《在役管道焊接中燒穿管壁現(xiàn)象分析》得到如此結(jié)論，在役管道不停輸焊接時(shí)，為達(dá)到既不燒穿管壁，又不產(chǎn)生氫致裂紋的滿意焊接結(jié)果應(yīng)采取以下焊接工藝參數(shù)：焊接電流I=100~140 A；焊接熱輸入E=0.8~1.4 kJ/m，焊接速度v=12~16 cm/min。

5 結(jié)語

帶壓焊接是不停輸開孔、封堵施工中一個(gè)較危險(xiǎn)施工環(huán)節(jié)，對(duì)施工技術(shù)要求比較苛刻。本文假設(shè)對(duì)松崗調(diào)壓站進(jìn)站管線進(jìn)行管線移位，論述帶壓施焊中施焊壓力、間斷焊接、介質(zhì)流速等對(duì)焊接的影響，建議在深圳地區(qū)后續(xù)同類施工中，帶壓焊接前應(yīng)進(jìn)行必要的模擬試驗(yàn)，重點(diǎn)確定帶壓施焊允許壓力、焊接電流、電壓、焊接速度、預(yù)熱溫度等焊接參數(shù)。