冬季極端天氣下工藝管道施工技術

石寶軍，劉太平

1.成都桑科人力資源服務有限公司，四川成都 610000

2.中國化學工程第七建設有限公司，四川成都 610000

1 項目概況

鄂木斯克州位于俄羅斯中南部，該區域屬于干燥性大陸氣候[1]：天氣變化劇烈，年溫差較大，年最低溫度達-42℃，年最高溫度30～35℃；夏季濕熱，冬季干冷漫長，每年10月中下旬至第二年5月份，均處于0℃以下，且多暴風雪；年平均降水量259 mm，且分布不均勻，主要集中在6～9月份。

俄羅斯天然氣工業股份有限公司鄂木斯克州煉油廠DCC項目，占地52 500 m2，包括200×104t/a加氫裂解裝置、10×104m3/h氫氣生產裝置、37 m3/h氨回收裝置、120 m3/h污水處理裝置、80×104t/a硫磺回收裝置。

由于氣候條件相對惡劣，對裝置安裝施工影響較大，特別是冬季氣溫較低，降雪時間久，有較厚的積雪及凍土層，需要采取工廠化預制、自動化焊接、保溫防護、優化壓力試驗等措施，以保證工藝管道預制、安裝工作順利進行。

2 極端天氣下工藝管道施工技術

2.1 管道材質

DCC項目工藝管道共長140 768 m，材質較多且制造標準不同（俄羅斯GOST標準和美國ASTM標準）。主要材質有：M01（GOST標準）普通碳鋼（СT20，09Г2С），M01（ASTM標準）低溫鋼（A333-6，A671-CC65）；M05（GOST標準） 合金鋼（15X5M），M05（ASTM標準） 合金鋼 （ A335-P5、 A335-P9、 A335-P11， A335-P22、A335-P91）；M11（ASTM標準） 不銹鋼（A312-TP304、 A312-TP304L、 A312-TP321、 TP347） ，M11（GOST標準）不銹鋼 （ 08X18H10T、12X18H10T）； M51雙相鋼（ ASTMA928-S32205），M51鎳基合金 （N08825、N06625、N10276）。 為了便于核對各種材料與表面標識的一致性，所有管件、管道、螺栓、焊材，均進行材料入場材質分析。為了對不同種類的材料進行區分，編制了《色標工藝技術文件》，在管材、管件的表面涂刷標志色，在使用過程中及時做好標識移植。根據不同材質的焊接、熱處理參數要求（見表1），編制焊接工藝卡、熱處理工藝卡。

由于管材制造標準不同，且焊條及焊絲購自不同國家（俄羅斯和中國），所以在焊接前編制了不同材質焊條、焊絲選用表，避免了材料錯用。

表1 不同材質焊接、熱處理工藝參數[2]

工藝管道施工主要采取預制場加工預制與現場安裝相結合的方法，降低天氣不利因素對整體施工周期、施工質量的影響。

2.2 管道組對、焊接

2.2.1 管道坡口型式、焊縫外觀

管道對接焊縫坡口型式、焊縫外觀、焊縫尺寸應嚴格執行GOST 16037-80及ASME B16.25的要求，當圖紙有特殊要求時，應執行圖紙要求。

本裝置按照設計要求，主管開孔與支管道連接形式全部采用騎坐式。先進行支管與主管道角焊縫的焊接，并對焊縫進行外觀檢查、PT檢測，方可進行補強板的安裝、焊接。角接焊縫的坡口型式、焊縫外觀以及補強板焊縫外觀尺寸均應滿足相關要求，方可進行后續焊接、檢測。補強板應與主管道貼合緊密，管道開孔及補強板焊縫，應盡量避開管道焊縫，否則應進行相應檢測。

2.2.2 下料及組對

由于管道材質種類較多，需要在下料之前做好材質、規格、爐批號的移植。合金鋼、不銹鋼、雙相鋼、鎳基合金鋼在下料之前，需要進行排版，避免材料的浪費。碳鋼管可采用火焰切割進行下料，其他材質管道均需要使用帶鋸床進行下料、坡口機制備坡口。若合金鋼管道、管件采用火焰制備坡口，則坡口表面打磨后應進行表面檢測，避免坡口受熱產生裂紋、夾渣等缺陷[3]。

管道、管件、法蘭等均不得放置在低洼地段，并使用木方、膠皮與地面進行隔離，法蘭密封面使用潤滑脂、膠皮進行防護，所有管段、閥門均處于封閉狀態不得敞口。墊片、螺栓在入廠檢驗合格后，分類存儲在庫房貨架上，并做好色標標識。纏繞墊片、金屬環墊應放置平穩，不得傾斜或懸掛放置。

焊口應無應力組對且間隙均勻，焊口兩側管段應水平且滿足圖紙要求。當焊口兩側壁厚不一致時，應將較厚一側按照一定坡度打磨使兩側一致，削薄一側的過渡坡度應≤15°[4]。組對時，所使用的臨時卡具，應使用機械打磨，不得強力敲擊。臨時點焊點打磨后低于母材或母材表面有缺陷時，應進行相應檢測，補焊后再次進行相應表面檢測。

有縫鋼管、有縫管件、閥門在進行組對時，應將其邊緣焊縫打磨平滑，余高保留0.5～1.0 mm。管道開孔時，補強板、支架及支架弧板安裝應盡量避開管道焊縫。

有縫鋼管、管件組對形成T型焊縫時，其環向最小間距應滿足以下要求：

（1）對于外徑≤100 mm的管道、管件，其間距不得小于外徑，且不小于50 mm。

（2） 對于外徑＞100 mm的管道、管件，其間距不小于100 mm。

（3） 不得出現十字焊縫。

焊縫與支架、吊架、鋼梁等的安裝間距至少保證100 mm。相鄰焊口最小間距至少為焊接原件壁厚的3倍。管徑≤100 mm時，對接焊縫間距等于直徑[5]；管徑100～219 mm時，間距≥100 mm；管徑219～550mm時，間距≥250mm；管徑≥550mm時，間距為400 mm。

2.2.3 焊接前準備

焊接的溫度、濕度、風速應滿足焊接要求，不得影響焊接質量。當超過要求時，應采取相應防風、防雨、防雪、加熱保溫措施。

在焊接前，應檢查焊接設備（焊機、自動焊機）的完好性，且焊接時周邊無易燃易爆品，避免引起火災。焊接設備應做好接地，且有防雨雪、防凍措施，不得將焊接設備直接放置在露天地面、平臺或有積水積雪的低洼地帶。

碳鋼及低溫鋼管道焊縫兩側50 mm范圍有水汽時，或環境溫度低于要求值時，需要使用丙烷/加熱設備加熱。

不銹鋼或鎳基合金鋼管道焊縫兩側50 mm范圍有水汽時，或者環境溫度低于要求值時，需要使用丙烷/加熱設備加熱至50℃，層間溫度不得高于100℃。鎳基合金鋼焊口在焊接前，應使用丙酮/酒精將焊絲、坡口表面擦拭干凈。

2.2.4 焊接

嚴禁在焊件表面引弧、臨時點焊支撐物。焊接地線應與焊件相連接，并且靠近焊接側，不得連接在結構、設備、閥門側。定位焊、臨時點焊應按照WPS要求，與正式焊接程序一致。焊接時，不得將法蘭密封面與地面、結構面直接接觸，以免損傷（劃傷、電弧擦傷） 法蘭密封面。管徑大于DN500時，應由兩名焊工同時焊接，以免造成焊接變形。應保證起弧、收弧的質量，及時進行修磨，收弧處應將弧坑填滿。

管道焊接時，管口兩端應進行封堵，避免有穿堂風通過。需要進行充氬防氧化的焊口，必須充氬并且排凈內部空氣。在管道內部充純度不低于99.99%（體積分數） 的氬氣，以防止根部焊接時被氧化。管道內部充氬氣時，管道內部兩端的封堵板或水溶紙的間距應保持在1 000～2 000 mm，以免被焊接溫度燙壞。

根部焊接完畢后，應及時進行后續填充、蓋面的焊接，以防止產生裂紋。除非焊接工藝卡或檢驗有要求需要進行分次焊接，同一道焊縫應連續焊接完畢。合金鋼焊接臨時中斷時應立即保溫、后熱，再次焊接時應對焊縫外觀進行檢查，當確認無缺陷時，按照焊接工藝卡要求進行預熱、焊接、后熱或熱處理[6]。施工班組應做好記錄，不得遺忘未焊接完畢的焊縫，續焊時間間隔不得超過一天。

分層、分道焊接時，每道焊接寬度不得超過焊材直徑的3倍，且應及時進行層間清理，當焊縫焊接完畢后應及時進行外觀檢查，并填寫焊縫標識。嚴禁在焊縫熔池局部一次進行多層多道焊接。

所有焊縫（對接焊縫、角接焊縫） 均應分層、分道焊接，且焊接接頭必須錯開，錯開的距離至少是焊接件壁厚的3倍，且不少于100 mm；當管徑小于100 mm時，焊接接頭至少要錯開焊件周長的1/4。進行多層焊接時，各層間的接頭應錯開，錯開間距至少12 mm。

在焊接作業點正下方，鋪設防火毯，并使用接火盆，防止焊接火花飛濺。在焊接水平環焊縫之前，應使用防火毯將焊縫下側管道、管件進行遮蓋，防止被焊接飛濺、熔渣污染。

焊接完畢后，應進行自檢。焊縫表面不得存在熔渣、夾渣、飛濺、裂紋、低于母材、氣孔、未熔合、咬邊等缺陷；焊縫表面凹陷、咬邊深度不得大于0.5 mm，且連續長度不得大于100 mm，其總長度不應大于焊縫長度的10%。雙相不銹鋼、鎳基合金鋼在焊接完畢后，需要對焊縫進行100%PMI（含量分析） 和FT（鐵素體檢測）。

2.2.5 熱處理

熱處理測溫點布置、升降溫速率、恒溫溫度、恒溫時間應滿足PWHT工藝卡的要求。

在進行熱處理作業時，應降低因周圍環境因素造成的影響，且熱處理管段兩端應進行封堵，避免穿堂風造成溫度散失過快。當在室外或者裝置區域內進行熱處理作業時，應搭設相應的防護棚、增加保溫長度、延長保溫時間，降低因環境溫度過低而影響熱處理效果。在熱處理完畢后及時進行硬度檢測。

3 管道預制和存儲

3.1 預制

由于當地冬季氣溫較低、時間漫長、積雪較多，因此管道的預制需要在封閉廠房內進行，包括管道下料、坡口加工、組對、焊接、噴砂、噴漆，廠房內使用熱風炮進行持續加熱、通風，以保證室內溫度高于5℃。

本工程在距離場外5 km處，租用3 200 m2廠房2處，1 600 m2廠房3處，用于工藝管道的預制；規劃2處1 200 m2防腐廠，并分別搭設750 m2噴漆房2處；規劃10×104m2場地用于材料堆放。

按照圖紙進行預制，每道焊縫均按照圖紙號、焊口號、組對班組、焊工號、焊接日期、材質、爐批號、焊接質檢員、油漆種類進行標識，并使用帶有管段鋼印號銘牌進行掛牌標識。區域技術員、工藝質檢員、班組負責人，每天進行預制管段號檢查、確認、登記。預制管段在由預制場向臨時堆放場地、防腐廠、堆場轉運時，均進行管段轉運交接、確認，確保其準確性。

為了提高管段預制的工作效率，組裝了2套FPPPL-24Aa型管道高效切割帶鋸床，可進行DN50～600管道的切割；組裝了5套EPEBM-24Aa型管道數控端面坡口機，可用于DN50～600管道坡口加工；組裝了3套SPAWM-24Aa型分體式管道自動焊機，可進行DN50～600碳鋼、低溫鋼、不銹鋼焊縫的焊接。當焊接不銹鋼焊縫時，需要在熔池內焊接完畢一層后，暫停焊接，讓其自然冷卻，以滿足層間溫度不高于100℃的要求。

為提升管道坡口制備、焊口組對的質量及效率，購置了30臺便攜式管道坡口機，用于DN89～350管道坡口制備。利用組焊平臺、螺栓，自行制作管道組對固定裝置，極大提高了管道組對的精確度和工作效率。

當管道壁厚＞8 mm時，利用手工焊接與自動焊接相結合的焊接工藝，1/3壁厚熔池采用手工焊接、填充，2/3壁厚熔池采用自動焊接進行后續填充、蓋面，大大節約了焊接時間。準335mm×35mm的焊口，利用自動焊機僅用170 min即可完成焊接作業。在采用自動焊接過程中，焊縫熔池內的層間溫度，可保持在400℃左右。在焊接低溫鋼、合金鋼時，焊前利用丙烷進行火焰加熱，采用自動焊接時，完全可以滿足WPS層間溫度的要求。在進行不銹鋼焊接時，在焊接完畢一層時，應停止該焊接作業，使其自然冷卻至100℃以下，同時可進行其他自動焊接設備焊接，進行循環焊接作業。

為了及時將當天焊接完畢的焊縫進行熱處理，在各預制車間、材料堆放區共布置12臺型號為WDK-12-360KW的12通道熱處理設備，以滿足焊縫預熱、后熱、熱處理的需求。為了緩解熱處理用電負荷，配備了9臺450 kW、3臺350 kW可移動式柴油發電機，以滿足熱處理需求。每天對熱處理焊口進行統計，在熱處理完畢后、RT檢測前，進行硬度檢測。

焊接完畢后，對需要進行熱處理、RT檢測的焊口采用不同色帶進行標識，便于識別。在距離焊縫邊緣200 mm的地方進行焊口信息標識，主要包括圖紙號、焊口號、組對人員及日期、焊工代號及日期、質量檢查員及日期、爐批號、材質，并綁扎帶有管段號、焊口號、材質、油漆系統、施工隊信息的鋼印銘牌。

在預制場，按照每30名焊工配備1名焊接質檢員的比例進行人員配置，焊接質檢員對每道焊口的組對、焊接、焊后外觀進行檢查、簽字，并核對焊口標識，當焊口需要進行預熱、后熱、熱處理時，對其溫度、時間、設備進行測量、檢查。

3.2 防腐、存儲

管段噴砂防腐之前，在管道內部進行標識移植、編號。在油漆噴涂完畢、驗收合格后，及時在管道外側進行管段號、材質、油漆種類標識移植，并將管道標識銘牌恢復懸掛。

管段均在室內進行噴砂除銹，驗收合格后，將噴砂后的管段及時轉移至噴漆房，時間間隔不得超過2 h。將搭設的噴漆房分割成若干獨立區域，便于同時進行不同級別油漆的噴涂。為了保證噴漆室內溫度高于15℃，在每個獨立區域安裝柴油熱風炮及循環風管，提升室內溫度。在管段噴砂或噴漆檢查合格后，均使用壓縮空氣進行管道內部吹掃，檢查合格后使用管帽將管口進行封堵。

管段轉運至10×104m2堆場時，按照區域進行放置、登記、發放。由于俄羅斯冬季積雪較厚，需要在冬季之前對管道堆放場地進行平整、鋪設石子，并碾壓密實，并在上側鋪設300 mm×300 mm×2 000 mm木方，木方鋪設行間距≤2 000 mm；在小管段堆放區，在木方上側鋪設平臺用于存放；車輛行走道路均使用1 500 mm×4 500 mm×100 mm的混凝土預制板進行鋪設。每天及時對管段堆放區進行積雪清掃，天氣變暖時及時對積雪融水進行清理。

4 管道安裝

4.1 安裝防護

由于環境氣溫低，為了降低能量散失、降低投資成本，裝置的布局較為密集，施工作業、材料擺放區域較為狹小。為了充分利用現場有效空間，在現場搭設庫房、貨架，將臨時管段、預制短接、配件、支架進行擺放。所有的閥門、螺栓、墊片、儀表設備等，都放置在密閉的木箱或庫房內，防止其被雪掩蓋、損傷。

所有安裝的儀表閥門，在安裝后均在閥門上側搭設防護平臺，并鋪設防雨布，使用夾心棉防雨布及土工布對閥體執行機構進行包裹。

所有管道在安裝后均進行管口封堵，防止內部落入雜物、積雪。在管道、工藝設備安裝后，及時進行正式支架、臨時穩定支架的安裝。

管道施工遵循先主管后分支、支架安裝與管道同步的原則。在良好的氣溫條件下，進行管道的鋪設、安裝、焊接。由于冬季氣溫較低，倒鏈、吊帶的強度、荷載有所降低，應保證管道安裝有穩定的受力點，及時完成后續支架、管道的安裝。

螺栓在安裝前后均涂抹潤滑油脂，避免長期在雨雪環境下產生銹蝕。法蘭密封面應在配對安裝前對其完好性、清潔度、垂直度、水平度進行檢查，確保螺栓安裝無阻礙。在安裝后，及時進行螺栓安裝、緊固，螺栓采取星形對稱緊固，緊固完畢后在螺栓端部進行標識。

4.2 焊接、熱處理防護

當地5月下旬至10月最低溫度高于0℃，屬于施工黃金期；11月初氣溫降至0℃以下，在現場進行安裝作業時，需要采取相應的防護、加熱、保溫措施。

在現場進行焊接作業時，環境溫度、濕度、風速應滿足焊接要求，不得對焊接質量造成影響。當風速、濕度、溫度超過要求時，應采取相應防風、防雨、防雪、加熱保溫措施。

現場多層鋼結構布局，一般一層為機泵動設備，二層為換熱設備，樓層面為波紋板與混凝土復合結構。使用夾心棉防雨布將第一層以下四周全面進行遮擋，并使用350kW柴油加熱風炮、通風管道進行持續加熱，保證內部作業溫度不低于5℃。在內部提供充足的照明，便于安裝、焊接、簡單預制。

在室外進行安裝、焊接時，使用夾心棉防雨布搭設密閉防護棚，在下側鋪設防火毯、土工布，在地面層使用200 kW柴油加熱風炮進行持續加熱，在高空使用200 kW電加熱風炮進行持續加熱，并在焊接前使用丙烷對焊縫兩側各≥500 mm范圍內進行加熱，確保其表面無水汽，降低環境因素對焊接質量的影響。

在現場進行熱處理時，利用現有的焊接防護棚，在焊接完畢后立即進行熱處理，確保其不受環境的影響。根據現場作業點的需求，布置14臺WDK-12-360 kW的12通道熱處理設備，并為其配備專項配電箱。

4.3 無損檢測

每天利用晚上10時至次日早上6時的有效時間，安排11個班組進行射線檢測（RT），確保當天焊接完畢的焊口按照設計給定比例進行檢測。由于俄羅斯對放射性材料控制極其嚴格，故使用RT、UT（超聲波檢測） 相結合的方法對不同管徑、壁厚焊口進行檢測。當天檢測完畢的焊口，在第二天上午10時之前給出正式檢測結果。施工班組必須安排人員優先進行焊口返修。FT（鐵素體檢測）、PMI（元素含量分析）、HT（硬度檢測） 均在當天接收到委托單后安排專業檢測人員進行，并及時反饋檢測結果。

5 管道壓力測試、吹掃

根據不同的介質系統和壓力情況，將整個DCC項目的工藝管道劃分為2 352個試壓包（包含目視檢查試驗包、壓力試驗包），壓力試驗介質有壓縮空氣、水、液體（水+乙二醇混合物），最高試驗壓力28.49 MPa。適用于氣壓試驗的管道系統：燃料氣、輕烴排放、重烴排放；不能使用乙二醇進行壓力試驗的管道系統：胺液、氨、沖洗油、燃料氣、工業油、鍋爐給水、排污、低壓蒸汽凝結水、過熱低壓蒸汽、低壓蒸汽、高壓蒸汽、驟冷水、脫鹽水、熱循環水、氮氣/液、儀表風、工藝空氣等。所有試壓包的壓力試驗時間不得低于80 min，當壓力表值達到試驗值或達到設計壓力值，需要穩壓30 min進行全線檢查。

當環境溫度低于5℃時，不得使用水作為介質進行水壓試驗，需要使用乙二醇與水的混合物進行水壓試壓，或者使用壓縮空氣進行氣壓試驗，以適用俄羅斯冬季氣溫特點。根據廠家推薦，乙二醇∶水 （ 質量比） 分別為 65∶35、60∶30、54∶46時，其混合液冰點分別為-65、-54、-44℃。根據水壓試驗壓力值和系統情況，配備12臺JT4DSY-30/63型電動試驗泵，8臺手動試壓泵。

根據不同試壓包的管段長度，在裝置外搭設200 m2的保溫棚，并使用350 kW柴油加熱風炮進行持續加熱，維持室內溫度不低于10℃。使用350 kW柴油加熱風炮對試壓用水或混合液進行加熱，確保壓力試驗介質溫度不低于5℃且不高于40℃。將可拆除管段的試壓包放置在室內，利用水或混合液體進行壓力試驗。

當管段無法拆除而需在現場進行壓力試驗時，利用加熱風炮對試壓介質及試壓泵進行加熱。在壓力試驗最高處安裝壓力表的位置，搭設保溫防護棚，并使用200 kW電加熱風炮對部分管段持續加熱。

壓力試驗完畢后，立即進行試壓介質的排放，并使用容器進行搜集，不得隨意排放。試壓包所有管道，必須在當天吹掃完畢，吹掃所用壓縮空氣壓力不得低于1 MPa。

利用壓縮空氣進行氣壓試驗時，需要對試壓管道30 m范圍內的作業人員進行清場，并懸掛顯著警示標識，試驗只能在白天進行，在光線不好的地方要增加照明。泄漏性檢查人員不得少于2人，且在檢查過程中不得敲擊管道。當發生泄漏時，不得帶壓處理泄漏點。氣壓試驗時，試壓壓力值應以不大于5%的速率進行緩慢升壓或降壓，且在升壓過程中分階段進行穩壓。

6 現場除銹防腐

在現場進行管道局部除銹作業時，均采用手工機械除銹，除銹等級達到ST3，露出金屬光澤。在進行管道局部油漆修復、補涂時，應根據環境溫度選擇不同適用溫度范圍的油漆。當環境溫度高于5℃時，正常進行涂刷油漆。當環境溫度低于5℃時，需要在現場搭設保溫棚，將作業區域封閉，并使用電加熱風炮、循環風管進行加熱，可選用普通油漆進行涂刷；或采用可耐-30℃的耐低溫油漆進行現場油漆涂刷。現場進行油漆補涂作業完成后，應對其表面進行遮蓋防護，防止油漆未表干時被積雪、雨水破壞。

7 結束語

通過采取工廠化預制、自動化焊接、保溫防護、優化壓力試驗等技術措施，克服了俄羅斯冬季極端寒冷天氣對工藝管道施工的影響，保證了工藝管道預制、安裝施工順利進行。經過17個月的努力拼搏，戰勝了俄羅斯的極端天氣，完成了工藝管道的預制、焊接、安裝、壓力試驗工作，順利實現項目的施工、質量和經濟目標。