長輸管道換管修復技術關鍵問題分析

楊雄偉

（國家管網集團西部管道有限責任公司烏魯木齊應急搶險中心，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

管道服役期間因施工、環境和第三方活動，可能產生腐蝕、裂紋、機械損傷等管體缺陷，甚至造成管道泄漏、斷裂失效事故[1]。2009年12月30日蘭鄭長輸成品油管道渭南支線發生柴油泄漏，約1500m3柴油流入黃河造成嚴重污染。換管修復是管道日常管理和完整性管理的重要組成部分。換管適用于所有缺陷類型及泄漏的修復。特別是應用于管道斷裂、大量油氣泄漏的情形，不能采用堵漏夾具等修復技術。由于X80高鋼級管道廣泛應用，對換管修復技術數字化、智能化、效率和施工質量提出更高要求。為指導管道企業科學高效開展換管修復，闡述了管道換管技術中關鍵問題的先進實踐做法，有助于提高我國管道搶修技術水平。

1 管道換管修復技術需求和發展趨勢

管道換管修復應編制技術方案，替換管段承壓能力應不低于待修復管道的設計能力。換管長度不小于2倍管徑，且不少于150mm。換管修復可選擇停輸換管和不停輸換管，不停輸換管一般通過帶壓封堵方式實現。施工期間避免管道運行出現劇烈壓力波動，禁止施工期間進行清管、內涂或內檢測作業，不停輸封堵施工前應降壓運行。施工前進行風險識別，制定風險減緩控制措施。施工現場設置危險地區、限制出入區、禁入區等標識，施工區域50m范圍內設置警戒線。施工現場配備便攜式消防設施保持消防通道暢通。動火作業期間，如檢測道可燃氣體，應停止動火作業，采取強制通風措施，直至檢測可燃氣體濃度合格，方可繼續動火作業。施工人員正確適用防護服、安全帽、防護眼鏡、手套、工作鞋等勞動防護用品。施工現場有影響人員健康的粉塵、噪聲、有害氣體時，應采取特殊防護措施。清理和妥善處置施工過程中產生的廢棄物，包括泄漏油品、清除的舊防腐層。施工造成的土地、植被等地貌、地表破壞，按照設計要求恢復。

隨著智慧化管道發展趨勢，管道換管修復技術也提出數字化和智能化需求，核心是搭建管道換管修復智能平臺，整合管道運行維護數據和焊接修復參數，實現對管道換管搶修的遠程自動控制。其技術路線是在管道發生事故后，根據失效類型和油氣泄漏量，整合人員和資源配置，分析處理換管修復各個環節信息轉化為可量化的數據，建立數學模型制定科學、優化技術方案。針對換管施工中管溝開挖、鋼管切割吊裝、組對焊接和檢測，實時自動采集數據參數，借助專家輔助決策系統完成操作糾偏和校正，保證操作規范和施工質量。

2 管道換管工作流程分析

管道換管修復典型工作流程是關閉線路截斷閥、管段放空、氮氣置換管內介質、可燃氣體檢測、管段切割、封堵隔離、新管組對焊接、焊縫檢測、防腐補口、管內介質置換升壓、管溝回填和地貌恢復。限于偏于僅針對關鍵環節介紹國內外先進實踐做法。

（1）換管管段通過干線放空閥排出，在放空立管處點火。通過控制放空閥開度調整火焰大小，降低對周邊環境的影響；

（2）氮氣置換過程重點控制氮氣溫度、注入速率，每5min檢測管段出口氣體組分含量，如O2小于2%、大于N298%且可燃氣體濃度低于爆炸下限20%認為置換合格；

（3）管溝開挖避免對管道造成機械損傷，先人工開挖確定管道位置，再機械開挖拓寬。管溝開挖應做好防塌方和臨邊防護措施，管溝預留逃生通道；

（4）切割管道吊運應關注管段兩端受力平衡問題，第一道切口后不能直接吊運，再增加一道切口后再吊運。借助管道換管修復智能平臺，測定管道應力分布以及預測斷管后應力衰變規律，精準控制切管機操作過程，降低斷管應力瞬間釋放風險，消除強力組對影響焊接質量；

（5）新管測量下管由于人工測量不可避免偏差，特別是有彎頭、三通異性管件情形。使用激光掃描儀準確測定斷管管口數據，上傳至管道換管修復智能平臺的計算軟件，遠程監控切管機測量下管過程，解決切割后打磨工作量較大的問題；

（6）管口組對精度決定焊接質量，采用強力外對口器存在人為因素影響且耗費時間，應在根焊完成不少于50%圓周再拆卸，避免根焊位置承受過大應力。管口組對數字化、智能化是未來發展趨勢，但應解決管道附加載荷、管體平直度/不圓度和壁厚差異化等問題；

（7）管道換管修復的焊縫射線檢測或超聲檢測，審核員驗證數字膠片確定缺陷，評價結論取決于審核員能力水平。借助管道換管修復智能平臺的專家輔助系統提升檢測評價權威性；

（8）焊口檢測合格后進行防腐補口。預計未來3LPE防腐層仍是長輸管道應用主要型式，通過完善熱收縮套/環氧底漆長期抗陰極剝離的測試檢定標準，解決熱收縮套對施工條件和質量要求高的需求，解決聚乙烯層與環氧粉末底層粘接失效以及熱收縮套屏蔽陰極保護電流。

3 管道換管切割技術

機械切割和火焰切割應用最廣泛，水射流、等離子和聚能爆破等特種切割技術應用較少。機械切割主要考慮安全性和操作方便，不停輸換管或作業環境有可燃氣體時應采用機械切割方式，以及第一道口應采用機械切割方式。采用火焰切割方式，管內介質應用氮氣或惰性氣體置換，確認管內無可燃氣體或烴類積液，火焰切割應考慮對坡口性能和殘余應力的影響。

大口徑管道（中俄東線管徑1422mm）應解決切割速率和效率問題[2]，國內ZYQ 2600切管機可切割X70鋼級管道，切割厚度22mm，運行速率80mm/min，對標德國Baner火焰切割機，運行速率1905mm/min，適用管徑6095mm。高鋼級管道采用火焰切割技術更易氧化產生脆硬層，對斷管破口性能影響更大。高鋼級管道切割應解決切割前表面清潔處理、預熱、切口與焊縫距離以及切割后打磨處理，切割前預熱應滿足50～100℃，切口與焊縫距離不小于200mm，火焰切割管件鈍邊打磨深度應滿足0.5～3.0mm。

4 管道隔離封堵技術

國內管道企業主要應用塞式封堵器和擋板-囊氏封堵器，斷管后，應對管口進行清理，采取氣囊、黃油墻等隔離措施，隔離處距管口不小于300mm。通過借鑒美國TDW公司產品，具備最大管徑1219mm、最大操作壓力12MPa管道不停輸封堵搶修能力。美國TDW公司代表性產品2600型開孔機，最大滿足罐體開孔直徑2500mm，最大操作壓力15MPa，管道運行流速不低于9.2m/s。不停輸封堵技術需解決的問題包括進一步提高封堵器密封性能以及開孔精度和效率，延長筒刀使用壽命。

5 管道換管修復焊接技術

替換管段與待修復管道應采用對接環焊縫焊接工藝，組對可使用管道聯接器，調整端部徑向圓周螺栓至管道聯接器與被修復管道圓周間隙均勻。管道組對焊接執行國家標準GB/T 31032-2014《鋼質管道焊接及驗收》，焊縫射線、超聲波檢測執行行業標準SY/T 4109-2013《石油天然氣管道無損檢測》。相對長輸管道采用全自動焊工藝，管道換管修復采用手工氬弧根焊和半自動填充焊，焊接質量效率偏低，國外已有X80管道采用自動焊設備焊接B型套筒的案例，焊縫性能滿足工藝要求，且焊縫成型和效率優于手工焊。管道換管修復需要解決的主要問題是管道存在變形或橢圓度較大時，焊口組對精度需進一步提高；修復套管、開孔三通等大壁厚管件焊接工藝。管道換管修復焊接發展趨勢是全自動焊接工藝，焊接過程數據采集、傳輸和自動優化調整，進一步提高焊接質量和效率。

管口剩磁可能造成引弧困難、燃燒不穩定或焊縫成型差的問題，借助管道換管修復智能平臺準確掌握管口間磁場分布規律，焊接前進行局部精準消磁，管口磁場強度應小于3mT；焊接過程中精準控制加熱溫度和熱輸入量，防止焊接熱影響區沖擊韌性離散問題。

6 結語

管道換管修復的發展趨勢是建立涵蓋專家輔助決策系統的智能化平臺，實現對管道數據、知識、技能、經驗和標準規范的高度融合，全面應用自動焊工藝，實現對管道切割、吊運、下管、組對、消磁以及焊接過程的自動感知、預測、控制和處理，平臺控制系統實現持續改進優化方便操作監視等，保證管道換管修復時效性和施工質量。