在役管道不停輸封堵的仿真試驗

摘 要

摘要：廣東LNG管道塘朗段因深圳市地鐵5號線規(guī)劃需遷移，受地形限制，新老管線對接時需在20°傾角管道上實施帶壓開孔和封堵作業(yè)。在非水平大口徑高壓管道上實施帶壓開孔及封堵，
摘要：廣東LNG管道塘朗段因深圳市地鐵5號線規(guī)劃需遷移，受地形限制，新老管線對接時需在20°傾角管道上實施帶壓開孔和封堵作業(yè)。在非水平大口徑高壓管道上實施帶壓開孔及封堵，存在著開孔及封堵設(shè)備在傾斜狀態(tài)下是否可以正常工作、封堵囊是否能達到密閉要求等未知因素。為此，采用仿真試驗方法，分別進行了焊接試驗和開孔及封堵模擬試驗，獲取了大量試驗參數(shù)，成功解決了在非水平高壓管道帶壓開孔技術(shù)難題，實現(xiàn)了不停輸封堵作業(yè)。為在較大傾斜角度、大口徑高壓管道上帶壓開孔和封堵提供了可參考的實例。
關(guān)鍵詞：仿真試驗；在役管道；較大傾角；帶壓開孔和封堵；焊接試驗；背溫試驗；熔深試驗；深圳市
1 工程概況
    深圳市擬建的地鐵5號線塘朗段與平南鐵路用地沖突，平南鐵路須向南平移。但鐵路平移將與廣東LNG塘朗段管道發(fā)生沖突，為保證LNG管道的安全運行、周邊在建各項目的正常施工及建成后的安全，深圳市政府及有關(guān)方面要求對該段管道進行遷移。該段管線為廣東LNG支干線的一部分，主要向深圳工業(yè)及民用用戶供氣，已于2006年竣工并投運。管道設(shè)計壓力為9.2MPa，規(guī)格為Φ610mm×12.7mm，材質(zhì)為X65鋼，需改線遷移的管道長720m。鑒于經(jīng)濟和社會影響，改線管道建成后，需與舊管線實施不停輸帶壓對接。改線示意圖見圖1。
 

2 施工工藝確定
    由于停氣實施新老管線對接對下游用戶影響較大，建設(shè)單位要求該段管線采用不停輸方式進行封堵連頭。由于改造段管線兩側(cè)封堵施工點距離長達700m，敷設(shè)長距離旁通管既不經(jīng)濟又費時間。因此決定采用在舊管線兩端對接點分別架設(shè)旁通的帶壓封堵工藝，其工藝示意圖如圖2所示。此工藝的優(yōu)點在于無須架設(shè)長距離旁通管道，所有工序均在不影響管線內(nèi)高壓介質(zhì)正常輸送的狀態(tài)下進行，安全可靠[1]。
 

    在役管道的焊接主要有2個方面的問題：①要避免焊接電弧灼傷管壁造成破裂，也就是燒穿現(xiàn)象；②要避免產(chǎn)生氫致裂紋。氫致裂紋主要是由于流動介質(zhì)增加管壁散熱，使焊接冷卻速度增大造成的。在役管道的焊接，既要保證焊縫的安全性，又要有可靠的適用性，這就要求在焊接中必須合理調(diào)整焊接參數(shù)，在保證不燒穿管線的情況下盡可能選擇大的焊接參數(shù)以避免產(chǎn)生氫致裂紋。此外，本次施工需在傾斜管道上作業(yè)，開孔機及刀具是否滿足在傾斜狀態(tài)的工作需要，封堵頭在傾角管線上進行封堵作業(yè)時是否能夠正常行走，下封堵三通塞柄到位是否良好，均存在未知因素。因此需要通過仿真試驗來獲取開孔及封堵設(shè)備在此工況正常工作的參數(shù)。
3 仿真試驗
3.1 試驗管輸介質(zhì)的確定
研究表明，焊接冷卻速度是評定在役管道焊接成敗的關(guān)鍵因素之一[2]。影響焊接冷卻速率的因素取決于管內(nèi)的介質(zhì)和介質(zhì)流速。在壁厚一定的情況下，水作為管輸介質(zhì)用于焊接工藝評定時產(chǎn)生的焊接冷卻速率大于任何介質(zhì)條件下的焊接冷卻速率。所以，焊接試驗采用水作為管輸介質(zhì)，比用油特別是成品油更安全可靠，降低了試驗的意外風(fēng)險.
3.2 運行管道條件下仿真試驗方法
傳統(tǒng)試驗方法無法獲得復(fù)雜條件下的試驗參數(shù)，采用兩階段仿真試驗法就能很好地彌補傳統(tǒng)方法的不足，即采用動態(tài)試驗?zāi)M管道有流量下的焊接和采用靜態(tài)試驗?zāi)M管道帶壓情況下的焊接，以驗證影響焊接質(zhì)量的氫致裂紋問題及燒穿管道問題。這種方法很好地實現(xiàn)了在役管道運行條件下的焊接模擬試驗。此外，在模擬20°傾斜管道上進行帶壓開孔及封堵試驗，獲取設(shè)備在此工況下正常工作的參數(shù)。
3.3 焊接試驗
3.3.1試驗臺制作
    分別制作動態(tài)和靜態(tài)焊接試驗臺，試驗臺傾斜45°，下端離地面0.3m，試驗管段長3～4m，下端連接進氣閥門。靜態(tài)焊接試驗臺兩端用封頭封死，上接進水泵、打壓泵和壓力表。
3.3.2背溫試驗
    研究管道背溫，有利于計算管道壁厚一定時的焊接壓力。如焊接溫度過高，相應(yīng)溫度下管道材料的屈服極限數(shù)值降低，熔池下未融的面積不能承受管道內(nèi)壓，導(dǎo)致燒穿管道。一般墊層焊接電流控制在100～120A之間，背溫試驗的材質(zhì)為X65，管道規(guī)格為Φ610mm×12.7mm。
試驗步驟：將試件放置在水平位置，分別調(diào)節(jié)電流到100A、110A、120A，進行焊接，測量背面溫度，數(shù)據(jù)見表1。焊接速度、電流與背面溫度的關(guān)系如圖3所示。
 

    由表1和圖3可以看出，隨焊接電流增大，背面溫度升高；隨焊接速度增大，背面溫度降低?？紤]設(shè)備誤差、環(huán)境因素、最高點定位以及人員讀數(shù)誤差，背面溫度實際數(shù)值會低于實際背面溫度，但在實際施工中，由于管道內(nèi)輸送氣體介質(zhì)，冷卻速度加快，背面溫度會降低。為保證實際焊接的安全系數(shù)，背面溫度可取500℃。
3.3.3熔深試驗
    試驗的目的是確定焊接工藝指導(dǎo)書中的焊接電流和焊接速度。影響熔深的因素有焊條直徑、焊接電流、電壓和焊接速度等。在實際焊接中要嚴(yán)格控制上述因素，以防止燒穿管線造成焊接人員受傷和釀成火災(zāi)。一般墊層焊接電流控制在100～120A之間。熔深試驗的材料與背溫試驗相同。
試驗步驟：試件放置在水平位置，分別調(diào)節(jié)電流到100A、110A、120A進行焊接。將焊接試件剖開，表面進行加工后，磨制成金相試件，然后拋光、腐蝕，測定最大熔深和平均熔深，數(shù)據(jù)見表2。
 
    從表2可以看出，隨著焊接電流的增加，熔深呈逐步上升的趨勢；在相同焊接電流的情況下，隨著焊接速度的提高，熔深呈逐步下降的趨勢；焊接電流在100～120A變化時，熔深變化不是太大。在實際施工中，管道內(nèi)輸送氣體介質(zhì)，冷卻速度加快，焊接熔深將會變小?？紤]施工現(xiàn)場變化因素較多，焊工水平有差別，預(yù)堆焊及根焊電流控制在100～120A較為合適，其他焊道電流可控制在100～130A。
3.3.4動態(tài)焊接試驗
    根據(jù)現(xiàn)場實際，選用空氣為流動介質(zhì)進行試驗，空壓機排量一定，因此采用管中加管的方法加快介質(zhì)的流速，氣體流速計算公式為[3]：
    VA=Q
    A=π(D2-d2)/4
式中V為流速，m/s；A為兩管之間的環(huán)形截面面積，m2；Q為空壓機的有效排量，900m3/h；d為管段內(nèi)徑，取584.6mm；d為內(nèi)管外徑，取323.9mm。
    經(jīng)計算，流速V為5.31m/s，實際控制在設(shè)計要求5m/s。
    對直焊縫加熱，焊前預(yù)熱時間大于30min，確保護板和管道間的潮氣被清除，測量加熱溫度。焊接直焊縫，待直焊縫完成后，焊接環(huán)焊縫；全包圍護板與管道的環(huán)向角焊縫的焊接宜采用堆焊形式。停止循環(huán)系統(tǒng)，對各焊縫進行外觀檢查，對直焊縫進行超聲檢測和X射線檢測，對環(huán)焊縫進行磁粉檢測，并按要求進行試件取樣。
3.3.5靜態(tài)焊接試驗
    靜態(tài)介質(zhì)選用水，管道帶壓焊接時的承受壓力按下式進行計算：
 
式中p為管道帶壓焊接時的允許最大承受壓力，N/mm2；S為管道最小屈服極限，N/mm2；t為減少的管道壁厚，mm；F為安全系數(shù)，推薦值為0.8；E為焊接系數(shù)，取1；T為溫度降低系數(shù)；D為管道外徑，mm；ta為管道最小實際壁厚，mm；u為焊接時穿透的深度，mm。
管道溫度降低系數(shù)見表3(適用于管道最大承載壓力)。
 

    壓力為背溫試驗、熔深試驗時計算的壓力，當(dāng)背溫取400℃時最大壓力為8.4MPa，背溫取500℃時最大壓力為7.4MPa，實際控制壓力為8MPa。
   按套袖的材質(zhì)不同分別進行試驗。試驗步驟為：用吊車將套袖組裝到試驗臺上，要求安裝的全包圍護板焊口方向與水平成45°；檢測電焊機是否完好，壓力表等部件是否完好；啟動打壓泵進行打壓，壓力為8MPa；焊接、檢測及取樣程序與動態(tài)試驗相同。
3.3.6焊接工藝試驗
   檢查焊縫外觀，進行無損檢測，檢測合格后按照所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)進行試件加工。試件試驗包括力學(xué)性能試驗、金相試驗、硬度試驗和熔深測量等。試驗合格后，編制焊接工藝評定報告。根據(jù)焊接工藝評定報告制訂焊接工藝規(guī)程。
3.4 開孔及封堵模擬試驗
    由于下游封堵點受地形限制，開挖出的管線段面須由3個冷彎管組合敷設(shè)，帶壓封堵作業(yè)位置最深處距地面達4.3m，原有管道敷設(shè)時存在20°傾角，給帶壓開孔、帶壓封堵和提升封堵頭等工序帶來很大的不可預(yù)見風(fēng)險，為此進行開孔及封堵模擬試驗。
   具體試驗步驟：選擇空曠場地，搭建試驗平臺；剝防腐層，除去管線表面油污、底漆；測量管線橢圓度，保證封堵點位置橢圓度不超過1%；測量管線壁厚，盡量避開嚴(yán)重腐蝕區(qū)域；選擇合適點，焊接封堵三通、注氮短節(jié)、平衡短節(jié)以及管線封頭；對焊道進行滲透探傷檢查；安裝夾板閥、球閥，壓力表位置安裝示意圖見圖4，從口2注入氮氣，壓力為2.0MPa；安裝1200H開孔機和T101型開孔機，開DN600mm封堵孔和2號平衡孔；調(diào)試、安裝封堵器，進行封堵操作，封堵操作時先壓力平衡后方可進行下一步的操作；經(jīng)測量和計算，封堵尺寸下到位后，打開2號球閥放空氣體；使用火焰切割設(shè)備，切開2號球閥一側(cè)封頭，向管道內(nèi)安裝氣囊并給氣囊充氣；觀察1號位置處短節(jié)上的壓力表看壓力是否變化，用肥皂水噴氣囊貼管內(nèi)壁處，若壓力表無變化，氣囊貼管壁處無氣泡則封堵成功，否則封堵視為不成功，此時應(yīng)分析封堵不成功的原因，并有針對性地提出解決問題的措施，直到封堵成功為止。封堵試驗完成后，對1號位置處進行泄壓；拆卸封堵設(shè)備和焊接在試驗管道上的三通等機具、器材，并將它們擺放就位。

    通過試驗，按照施工方案的相關(guān)內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)要求進行作業(yè)[4～7]，整個開孔過程未發(fā)生卡刀，開孔取下的鞍形板對中性好。
    試驗結(jié)果表明該施工工藝、開孔機及刀具能夠滿足此次施工作業(yè)的要求；下封堵過程封堵頭在傾斜20°管線進行封堵作業(yè)能夠行走正常；下封堵三通塞柄到位情況良好。
    根據(jù)背溫試驗、熔深試驗、破壞性試驗、工藝評定熔深試驗、傾斜管道上開孔及封堵試驗等試驗結(jié)果，以及由此計算出的管道帶壓焊接時的承受壓力，均符合標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件要求，開孔和封堵設(shè)備能夠在良好的工況下工作，滿足工程需要。
4 方案實施
4.1 上游點施工程序
4.1.1封堵準(zhǔn)備
    封堵操作過程必須嚴(yán)格進行氣體置換，安裝設(shè)備后使用氮氣置換空氣，拆除設(shè)備前使用氮氣置換天然氣，每次都要填寫氣體檢測記錄表。確定開孔、封堵三通位置；剝防腐層，除去管線表面油污、底漆；測量管線橢圓度及壁厚，必須符合標(biāo)準(zhǔn)要求；選擇封堵三通、旁通三通、下囊短節(jié)和2號平衡短節(jié)位置；焊接封堵三通、旁通三通、下囊短節(jié)和2號平衡短節(jié)，并對三通、短節(jié)所有焊道進行滲透探傷檢驗。焊接參數(shù)如表4所示。
4.1.2封堵作業(yè)
    安裝夾板閥，安裝前在三通管底用千斤頂進行支撐，千斤頂下面需加墊枕木；開孔前應(yīng)對所有焊道和組裝到管道上的閥門、開孔機等部件進行整體試壓，試壓介質(zhì)為氮氣，試驗壓力為管道運行壓力，穩(wěn)壓5min，使用泡沫水噴淋三通焊逢、各部件結(jié)合面，觀察有無氣泡產(chǎn)生，以壓力不降低、不產(chǎn)生氣泡為合格，填寫開孔作業(yè)檢查表；預(yù)熱液壓站，調(diào)節(jié)開孔參數(shù)；管線開孔，分別開封堵孔、旁通孔、下囊孔及平衡孔。
    依據(jù)輸氣量要求，采用DN300mm旁通線作為臨時輸送管線，旁通管線預(yù)制完成后進行超聲波無損探傷。驗收合格后對旁通線充氮氣試壓.旁通線試壓合格后，導(dǎo)通旁通管線。安裝封堵器，進行封堵作業(yè)。
4.1.3封堵效果驗證
    通過下游平衡孔放空被隔離管線內(nèi)的天然氣，當(dāng)壓力下降至1MPa時停止放空并觀察壓力表有無變化，如果壓力沒有上升說明封堵成功，繼續(xù)進行下步操作，如果壓力有上升則需要重新封堵。
    確認(rèn)封堵成功后，通過平衡孔放空隔離管線內(nèi)的天然氣。如果封堵有輕微滲漏或者封堵嚴(yán)密，則從下囊孔中下入隔離氣囊，氣囊充氣壓力不超過0.4MPa。
4.1.4管線斷管作業(yè)
    使用液壓爬管機或者液壓鋸管機進行斷管作業(yè)；斷管完畢后主管線上焊接封頭；平衡壓力提封堵器并回收氣囊；封堵三通下塞柄閥門加蓋盲板。完成上述施工作業(yè)后，上游施工作業(yè)點留人看護，其余人員設(shè)備轉(zhuǎn)至下游作業(yè)點施工。
4.2 下游點封堵施工工藝
4.2.1開孔及封堵
    同4.1。
4.2.2新舊管線連頭
    上游主管線封堵三通、拆除盲板后安裝三明治閥門及開孔機；使用開孔機取出封堵三通的塞柄；關(guān)閉三明治閥門，拆除開孔機；重新安裝封堵器然后下封堵、下隔離氣囊；斷開主管線封頭；可燃?xì)怏w分析合格后上、下游同時進行動火連頭。
4.2.3解除封堵，恢復(fù)管線正常運行
    當(dāng)完成上下游新舊管線連頭作業(yè)后，開始解除管線封堵工作：使用氮氣置換新管線內(nèi)的空氣；壓力平衡完畢后提封堵頭，解除封堵，新管線導(dǎo)通；兩作業(yè)點的旁通閥門不關(guān)閉，保持旁通管線運行，直至新管線升壓完成，并運行穩(wěn)定后再關(guān)閉旁通閥門，截斷旁通管線運行，拆除旁通管線；上、下游封堵三通、旁通三通以及下囊短節(jié)安裝塞柄，加蓋盲板；上、下游平衡短節(jié)下塞堵，蓋管帽；管線恢復(fù)正常運行。
4.2.4對管線及管件防腐處理
    新舊管線連頭處采用聚乙烯熱縮帶防腐，對留下的封堵三通采用STOPAQ黏彈性防腐涂料刷干后再用STOPAQ防腐膠帶纏繞處理。
4.3 舊管線處理
    舊管線內(nèi)天然氣放空：在此次改線的上游，距離南坪快速公路40m之外的地方選擇一平坦場地建立火炬管線?；鹁姹仨毎惭b單向閥和回火器，剛開始放空階段使用限流孔板進行放空，當(dāng)放空壓力低于2MPa時可以拆除限流孔板進行快速放空處理。放空采用點燃方式。
    火炬制作：放空火炬選用DN80mm的鋼管制作，基礎(chǔ)是用混凝土砌成?；鹁嫱ㄟ^舊線2號球閥接到外面空地上，中間需要安裝限流孔板、2臺閥門以及阻火器等。
    舊管線氮氣置換使其天然氣濃度低于最低爆炸下限。使用氮氣置換完成之后，完成舊管線開挖及移除。
5 實施效果
    帶壓封堵作業(yè)自2008年12月23日動火開工，至2009年1月9日上午10：00完成上下游封堵點新舊管線的對接工作，歷時17d完成開孔、封堵和新舊管線對接。實現(xiàn)了改線段不停輸帶壓作業(yè)，確保了深圳市用氣安全。
    通過一系列的仿真模擬試驗，獲取了三通焊接、20°傾角管道上開孔及封堵的數(shù)據(jù)，平南鐵路改線帶壓封堵作業(yè)成功，取得了在特殊位置的管道不停輸焊接作業(yè)的寶貴經(jīng)驗。
參考文獻
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(本文作者：徐小兵1 黃文堯2 陳紅1 1.中國石油四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司；2.中海石油廣東大鵬液化天然氣有限責(zé)任公司)