天然氣管道及設備帶壓焊接修復的探討

，，，，，

（1.西南油氣田分公司安全環保與技術監督研究院，四川成都610093；2.西南油氣田分公司輸氣處成都管道搶險維修中心，四川成都610093；3.西南油氣田公司川中油氣礦龍崗凈化廠，四川南充637648）

0 前言

天然氣管道及設備在運行過程中因疲勞、腐蝕、第三方破壞等原因產生泄漏，處置方法與普通的管網維修方法差異較大，常因缺乏專業的修復技術而造成工廠停產、用戶停氣、環境污染等情況，處理不當則可能引發安全事故。帶壓焊接修復作業是天然氣管道及設備泄漏修復技術中常用的一種修復工藝，能根據實際泄漏的狀況采用合理的焊接修復方法，及時有效地完成搶修任務。

1 帶壓焊接修復作業的特點

帶壓焊接修復具有工藝簡單、使用可靠等特點，與換管作業相比，修復作業所需費用、設備、人員、時間約為換管作業的5%～10%，較其他修復方法的修復效果更牢固。但焊接修復的管道及設備內部介質為易燃易爆物品，且具有一定的壓力，因此修復作業受泄漏量、材質及壁厚等因素的影響有一定的局限性。當出現泄漏量過大、管道壁厚較薄、管道材質硬化、作業場地受限等情況時，焊接修復作業風險過大，無法進行焊接修復作業。

2 帶壓焊接修復作業的注意事項

帶壓焊接修復是在非正常工作狀態下的特殊焊接作業，與常規焊接作業區別較大，有一定的風險，作業時必須注意以下幾方面。

（1）管道不能“燒穿”。

帶壓焊接必須保證施焊管道不能出現“燒穿”現象，一旦出現燒穿，輕則修復作業失敗，重則人員受傷。影響管道燒穿的因素有管道厚度、氣體流速、焊接工藝參數等，如圖1所示，焊前需認真分析。在測量壁厚時需注意正常值與實際值的偏差，通過測量前震蕩管壁、管道檢測等方法來避免管道夾層、內腐蝕、硫化鐵粉層造成測量偏差，按照管道允許帶壓施焊壓力公式計算管壁測量數值[1]，確定管壁是否適合帶壓焊接修復，避免“燒穿”現象。此外管道壓力應為正壓，檢測焊接區域易燃易爆物質的濃度，濃度超標可用防爆風機吹掃稀釋，合格后方可施焊。

圖1 影響燒穿的因素

管道允許帶壓施焊的壓力計算公式為

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

表1 推薦修正量

表2 推薦安全系數

（2）防止修復焊縫產生氫致裂紋。

帶壓焊接修復時受焊縫殘余拉應力影響，應力集中現象不可避免，管內天然氣的流動加快焊縫冷卻，增大焊縫和熱影響區的硬度值，易產生氫致裂紋，降低焊接接頭的承載能力。

氫致開裂的原因如圖2所示，必須同時滿足3個條件：焊縫中擴散氫含量，淬硬組織，作用于焊縫上的拘束應力。控制方法為：a.采用多層多道焊，減少殘余應力；b.選用低氫焊條和低氫焊接工藝，降低焊縫擴散氫含量；c.淬硬組織是帶壓焊接控制的重點，對于管道帶壓焊接，管道內部流動的氣體不斷地帶走熱量（氣體流速應不大于10 m/s），應根據管材材質種類和硬度狀況進行焊前預熱和焊后保溫，并在確保不“燒穿”的情況下，通過控制焊接線能量來防止降低熱影響區硬度值和產生淬硬組織[2]。

（3）帶壓焊接修復角焊縫的焊接方法。

圖2 產生氫致裂紋的原因

修復蓋板、管套或堵漏罩的角焊縫焊接宜采用多道堆焊形式，如圖3所示。由于后層焊道對前層焊道有熱處理作用，相當于對前層(道)焊縫進行了一次正火處理，細化晶粒，改善了二次組織，降低了焊縫變形和應力，同時也有利于控制首層焊道的熔池溫度，減少“燒穿”發生的可能。并在堆焊層最后一道焊縫上進行回火焊道焊接（見圖3），參照ASMEⅧ-Ⅰ的標準要求，回火焊道通常要求被打磨掉。回火焊道使第二層焊道形成的細晶區能夠最大程度覆蓋第一層焊道所形成的粗晶區，從而改善粗晶區的冶金性能，達到焊后熱處理的實施效果，并顯著降低接頭的殘余應力[3]。

圖3 角焊縫焊接示意

（4）其他方面。

帶壓焊接修復作業必須有完善的作業方案和安全預案。作業場地狀況應符合帶壓焊接作業要求，帶壓修復焊接堵漏作業的焊工應選用焊接技術水平高、操作經驗豐富，并從事過帶壓焊接的人員。

3 常用的帶壓焊接修復方法

修復焊接時根據泄漏天然氣的流動狀態可分為引流帶壓焊接修復和非引流帶壓焊接修復。引流帶壓焊接修復主要用于壁厚較厚的中、高壓管道及管件的修復，非引流帶壓焊接修復適用于泄漏量小的中、低壓管道及設備的修復。

3.1 非引流帶壓焊接修復

天然氣管道非引流帶壓焊接堵漏方法常用捻壓鉚接蓋板堵漏修復和頂針式堵漏修復兩種方法。

3.1.1 捻壓鉚接蓋板堵漏修復

捻壓鉚接蓋板堵漏修復方法是先根據管徑和腐蝕情況加工好焊接修復蓋板，用防爆扁鏟或尖鏟（見圖4）將泄漏處周圍一圈的母材金屬向泄漏縫隙處擠壓，減少泄漏流量，再用鐵絲、焊條頭或加工成泄漏孔形狀的鉛塊（略大于泄漏孔）鉚住泄漏處，此時若泄漏處管壁較厚，可直接用電弧焊進行堵漏（鉛塊鉚住的除外）。泄漏處較薄時，蓋上堵漏焊接蓋板迅速完成第一層焊道，第二層焊接可采用分段焊接，控制熔池溫度不能過高，避免泄漏處鉛板受熱熔化，造成泄漏氣體沖穿捻壓鉚接處，增加焊接難度。焊接難度主要是出現泄漏氣流從第一道焊縫封口處噴出，熔滴被吹走，與母材熔合困難，且焊縫處有泄漏氣體燃燒，造成封口困難。常用處置措施為采用石棉板、布遮擋火焰或用風機將火焰吹向無操作人員一側，確保操作人員安全，并以“先堵后焊”為作業指導思想，即用石棉繩或焊條頭磨尖強行壓入封口處，再由外向內逐步焊，并對封口周圍金屬捻壓配合，若一次封堵不了就按原方法再次進行，直至完成封口焊接。

圖4 捻壓鉚接用扁鏟

2008年9月，成都某天然氣管道因第三方施工破壞，正上方出現4～8 mm不規則泄漏孔，因下游用戶無法停氣，只能降壓輸送。作業人員采用銅扁鏟先捻壓，待泄漏孔收小后再用鉛塊鉚住，焊上堵漏蓋板，迅速完成堵漏作業。

3.1.2 頂針式堵漏修復

頂針式堵漏修復方法主要用于管道單點孔狀的泄漏，如點狀腐蝕穿孔。可使用頂針式卡具[4]將圓錐焊接頂針頂入泄漏點，施加頂鍛力，如圖5所示，泄漏點無氣體溢出后，快速焊接圓錐焊接頂針，完成焊接后撤除頂針式卡具，去掉圓錐焊接頂針上部的圓錐臺即可，如圖6所示。

圖5 頂針式堵漏修復示意

圖6 修復后示意

3.2 引流帶壓焊接修復

引流帶壓焊接修復是根據泄漏點的實際狀況，對加工合理的引流焊接配件進行修復的一種措施。修復焊接的前提條件是引流要成功，在引流過程中常因泄漏偏向、泄漏量過大、引流放散管受堵等因素的影響，大量泄漏天然氣從待焊的修復焊縫間噴出，無法進行焊接。處置措施為：a.增大修復管套、放散管以及閥門直徑，加大泄漏天然氣的排泄；b.精加工引流套管（引流蓋板），使之與泄漏管壁緊密結合，防止氣體從堵漏焊縫位置溢出；c.降壓輸送，減小管內氣體壓力，減少氣體泄漏量等方法。天然氣管道引流帶壓焊接修復常用方法有引流蓋板修復、引流套管修復和引流堵漏罩修復三種。

3.2.1 引流蓋板修復

引流蓋板修復方法的作業流程為：首先根據泄漏管道腐蝕情況確定焊接修復蓋板尺寸，由泄漏量大小確定引流管與球閥的通徑大小，再在引流蓋板的引流孔與待焊角焊縫之間同泄漏管壁結合面加工密封槽，密封槽內放入耐高溫密封圈、石棉盤根等（見圖7），然后使用自制拉緊鏈、千斤頂或葫蘆給予外加作用力，使精加工引流蓋板與泄漏管壁緊密結合，且泄漏點正對引流孔（見圖8），此時若待焊角焊縫還無法焊接，可采用二級或多級密封槽間引流放散（見圖9、圖10）。焊接時應采用分段對稱焊接，以減少焊接變形與應力，修復角焊縫焊接完成后關閉球閥即可。

圖7 引流蓋板

圖8 引流蓋板修復方法示意

圖9 二級引流蓋板

圖10 二級引流蓋板結構示意

3.2.2 引流套管修復

引流套管修復方法主要用于泄漏處有較長管壁腐蝕現象的管道修復。引流套管修復示意如圖11所示，作業流程為：根據管道腐蝕程度選擇合理的引流套管長度，再由泄漏量大小確定引流管與球閥的通徑大小，將加工的兩半式引流套管用拉緊鏈固定在泄漏管道管壁上，且泄漏點正對引流孔，焊縫焊接完成后關閉球閥即可。焊接時應注意縱向對接焊縫焊接時不能熔化泄漏管道管壁母材，合理的焊接順序為：a.同時焊接兩側對接焊縫，再焊接環焊縫；b.2名或4名焊工焊接縱向對接焊縫的順序如圖12所示；c.兩道環向填角焊縫的焊接應先焊接完成一側環向填角焊縫后，再焊接另一側環向填角焊縫。當2名焊工同時焊接一道環向填角焊縫時，應按如圖13所示焊接順序同時焊接。

圖11 引流套管修復示意

圖12 縱向對接焊縫焊接順序

圖13 環向填角焊縫焊接順序

3.2.3 引流堵漏罩修復

當管道上的管件或不規則焊縫發生泄漏，而管件和泄漏焊縫的形狀不標準無法進行常規修復時，應采用引流堵漏罩將泄漏管件整體罩住的修復方式，如圖14所示。在單引流堵漏罩引流無法滿足堵漏時，可選用雙級或多級引流堵漏罩，即第一個引流堵漏罩的作用是整理泄漏氣流方向和減小泄漏量，后面的引流堵漏罩起堵漏密封修復作用。操作方法與引流蓋板堵漏方式類似。

2004年9月采用引流堵漏罩修復方式成功修復了某閥室干線球閥閥腔泄壓閥泄漏[5]，修復現場如圖15所示，減少直接經濟損失數10萬元。

圖14 堵漏罩修復示意

圖15 干線球閥閥腔泄壓閥焊接修復現場

4 結論

管道及設備出現泄漏且無法停氣搶修時，帶壓焊接修復技術是保障連續生產過程的一種有效應急措施，其修復方法快捷方便，修復后的管道及設備運行穩定可靠。汶川地震發生后，成都市及周邊多條干線、民用天然氣管道出現了泄漏狀況，采用上述焊接修復方法進行修復取得了良好的臨時應急效果。但是，帶壓焊接修復角焊縫畢竟在管道上產生了較大的應力集中現象，因此除在設備上可長期保留外，管道上的焊接堵漏點應選擇適當時機進行停氣更換，達到長期處置效果。

[1]JB/T28055-2011，鋼質管道帶壓封堵技術規范[S].

[2]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.

[3]呂曉春，秦建，杜兵，等.回火焊道焊接技術的研究進展[J].焊接，2014（7）：16-21.

[4]楊景順，谷風濤.油氣管線維搶修技術[M].北京：石油工業出版社，2013.

[5]王帥，肖農，付雪松，等.異種鋼帶壓焊接堵漏[J].電焊機，2014，44（9）：14-18.