天然氣長輸管道在線補償新技術的應用

劉宇航

摘 要：基于管道受損狀態以及受損部位應力解析上，采取開橢圓形孔進行在線補強，管道受壓軸線與孔面垂直時，孔面邊界所受應力相對較小，避免孔邊應力過于集中。通過大量實驗以及實例研究，認為管道在受損情況下，進行安全補強基本參數：H壁厚≥2.3 mm，P管道壓力<2.7 MPa；同時，現場作業操作人員應按照要求衣著，配備有效的滅火器10具，在線焊接作業完畢后，應及時進行檢測焊縫，采取相應的防腐、檢漏措施，在線補強新技術一項高效、實惠、便捷的技術，有良好的借鑒價值。

關 鍵 詞：天然氣；長輸管道；在線補償技術；應用效果

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1809-03

Abstract： On-line reinforcement by opening the oval hole need be carried out based on the pipeline damage state and stress analysis on the damage. When pipe compression axis is vertical to the hole surface， stress of the hole surface boundary is relatively small， avoiding stress concentration on the side of hole. Through a large number of experiments and case study， the security reinforcing basic parameters were obtained as follows： H≥2.3 mm， and line pressure P<2.7 MPa； At the same time， on-site operating personnel should be dressed in accordance with the requirements， 10 effective fire extinguishers should be equipped； after the welding operation， the weld seam should be timely tested， anticorrosion and leakage detecting measures should be used. The new online reinforcing technology is efficient， economical and convenient， it has good reference value.

Key words： natural gas； long pipeline； online compensation technology； application effect

目前，隨著我國國內各大城市長輸天然氣管線星羅棋布的建設，掀起了天然氣能源發展的新高潮，同時，也帶來了許多安全生產隱患，近年來，天然氣管道因意外受損導致事故時有發生，嚴重威脅著管道維護工作人員以及周圍人民群眾的生命財產安全。對天然氣管道運輸的安全調控需要各方面的協調配合，真正做到運行狀態實時監控，管道意外損傷做到在線及時補強，因此，在保障天然氣管道輸送安全不停輸的情況下，應加強管道在線補強技術的研究，最大限度地降低事故發生率[1-3]。

1 管道受力狀態與應力分析

1.1 管道受力狀態

輸送天然氣管道經過長時間運行，難免會出現劃痕、裂紋和變形，在保證天然氣正常輸送的情況下，對管道受損部位進行在線補強，補強的方式分為補焊加強板或密集焊接補焊。天然氣管道運行過程中常見受損狀態如下圖1。

a 劃痕； b 局變形； c 焊縫裂紋

1.2 管道應力分析

以圖1（b）局部變形為例，當管道局部變形受損面及深度對清管通球或穿孔漏氣造成影響時，應采取開孔清創以及貼補加強板等進行修復處理[4，5]。

（1）在管道上開單個圓形孔時，管道應力分布情況如圖2所示。

管道受壓較大，圓形孔周邊產生應力集中，據實際檢測結果，圓形孔邊應力一般為3～4倍總體薄膜應力，受損程度嚴重的部位可達到5～7倍。集中應力系數K是指孔邊最大應力σmax與壓力管道總體薄膜應力之比。根據孔邊應力與管道總體應力數據，可采用矢量疊加原理得到單個圓形孔集中應力系數，K=2.2；同理，按照上述理論和計算方法，可得雙圓孔集中應力系數，K=2.7。

（2）下面分析橢圓孔應力分布以及受力情況，與圓形孔相比，橢圓孔邊應力分布規律是不一樣的，如圖3所示。

因此，管道受損處進行橢圓孔處理，管道受壓軸線與孔面垂直時，孔面邊界所受應力相對較小，反之，孔邊應力相對集中，受力較大，采取在管道受損面做橢圓形開孔補強是最為合理、有效的技術。

2 管道靜載強度分析

選取X52、Φ426 mm螺旋焊縫管進行大量的動態模擬實驗，根據實驗數據結果，認為管道在受損情況下，進行安全補強基本參數：H壁厚≥2.3 mm，P管道壓力<2.7 MPa；同時，在進行在線修復過程中，要嚴格按照規范的焊接工藝技術以及修復操作規定進行，應熟練掌握熱輸入量和冷卻速度，“氫致裂紋”、 “燒穿”等現象即可有效避免發生，確保管道輸送天然氣安全的運行[4，5]。

3 新技術應用及效果

天然氣管道出現管道損傷，一般會采取停輸、放空和換管處理，維護起來時間耗費較長、費用較高，而且風險較大。采取不停輸在線補強新技術，可以實現確保下游供氣量的情況下維護，作業簡單、耗時較短、原材料耗費較少、便于檢測，作業人次5～7人，每次作業費用不過4 000元。

3.1 作業規范

（1）依據管道受損程度和狀態，采購管道材料，選取合理的焊接工藝技術，制定易于焊接和在線補強的工藝方案。（2）檢測管道受損段深度、長度，繪制受損樣圖，選取合理補強工藝方案。（3）清點作業涉及到的相關人員，檢查材料齊全，滿足施工作業條件。（4）作業過程中，對受損處進行焊接焊縫探傷檢驗。（5）修復作業后，進行受損處防腐處理，同時進行焊接處電火花檢漏。

3.2 技術應用及效果

以Z市天然氣長輸管道為例，該地區天然氣管道位置有違章施工作業，導致管道有不同程度不同形式的受損，隨后根據受損管道狀態采取了相應的應急處理預案，對管道受損部位進行了在線焊接補焊處理，如圖4所示。

①位受損長度L=39 mm，寬度W=11 mm，深度D=2.15 mm；②號位受損長度L=37 mm，寬度W=9 mm，深度D=1.83 mm；③點號位受損長度L=35 mm，寬度W=9 mm，深度D=1.25 mm。管道材質為X52螺旋焊縫管，H壁厚=6.8 mm。

對管道受損程度進行充分評估，采取了如下工藝措施。焊條型號為E5015，尺寸Φ2.5 mm，保持焊條在500 ℃下，烘烤150 min；隨后進行150 ℃恒溫處理。焊機型號為ZX7-401，工藝處理電流控制在55～82 A之間，電壓21～25 V。根據生產工藝要求，在管壓P≤1.2 MPa、環境溫度為16～20℃、無風或微風條件下安全作業，以①②③順序進行在線焊接補強作業。作業現場操作人員應按照要求衣著，配備有效的滅火器10具，在線焊接作業完畢后，應及時進行檢測焊縫，采取相應的防腐、檢漏措施，確保受損管線不再第二次毀壞。在保障下游用戶用氣的情況下，采取在線補強新技術可以減小停輸經濟損失，操作簡便，耗費的原材料少，作業時間短，同時避免了大量更換管線造成對周邊生活環境的破壞，對天然氣長輸管道受損部位進行在線補強，是一項高效、實惠、便捷的技術，在管道局部受損部位補強處理值得借鑒。

4 結束語

針對天然氣長輸管道受損事故，首先應對管道受損狀態與受損部位應力進行解析，提出科學合理補強預案，熟練掌握并控制焊接熱、冷卻速率，避免二次受損。管道受壓軸線與橢圓孔面垂直時，孔面邊界所受應力相對較小，采取在管道受損面做橢圓形開孔補強是最為合理、有效的技術。在保障下游用戶用氣的情況下，采取在線補強新技術可以減小停輸經濟損失，是一項高效、實惠、便捷的技術，值得在類似受損管道進行應用。

參考文獻：

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