中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司

在役管道開孔三通焊接是油氣管道帶壓開孔封堵作業(yè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外關(guān)于在役管道開孔三通焊接質(zhì)量缺乏專門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，焊接質(zhì)量關(guān)鍵影響因素有待深入探討。本文就中外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)在役管道開孔三通焊接質(zhì)量的相關(guān)要求進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)一些差異點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行討論分析，以提高管道維搶修行業(yè)的施工作業(yè)能力和質(zhì)量安全。

1 在役管道開孔三通焊接的焊腳尺寸

焊腳尺寸關(guān)系到開孔三通的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與承壓能力。在2002年第4屆國際管道大會(huì)上， M.J.Rosenfeld和Rick Baldwin提交的《開孔三通角焊縫形式評(píng)估》，回顧了在役管道開孔三通焊接角焊縫形式的歷史沿革，并提出角焊縫焊腳尺寸最小為1.0倍的主管壁厚與組對(duì)間隙之和，最大為1.4倍的主管壁厚與組對(duì)間隙之和的理論數(shù)據(jù)。

ASME B31.8中規(guī)定，開孔三通端部角焊縫焊腳尺寸為（1.0～1.4）倍管道壁厚加三通與管道組對(duì)間隙，端部角焊縫焊腳尺寸最大值為1.4倍三通護(hù)板的厚度加三通與管道組對(duì)間隙（圖 1）。

ASME PCC-2《壓力設(shè)備與壓力管道的維修》規(guī)定“套袖壁厚小于等于1.4倍管道壁厚的，采用滿焊腳焊縫”“套袖壁厚大于1.4倍管道壁厚的，套袖末端以大約45度打磨至1.4倍的管道壁厚與組對(duì)間隙之和”。

國內(nèi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28055―2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》也是采用焊腳尺寸為1.4倍管道壁厚標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，針對(duì)不同等級(jí)的管道與三通焊接，環(huán)向角焊縫的焊腳尺寸是有區(qū)別的。以中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司為例，考慮到常用三通護(hù)板材質(zhì)為Q345R，對(duì)于管道材質(zhì)為X70及以上鋼級(jí)的在役管道，環(huán)向角焊縫焊腳尺寸為2.0倍的運(yùn)行管道壁厚，其他的環(huán)向角焊縫焊腳尺寸為1.4倍的在役管道壁厚。與國外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊腳尺寸的要求相比， 我們實(shí)際作業(yè)中采用較大較保守的焊腳尺寸的出發(fā)點(diǎn)是為了保障安全性，但是實(shí)際中可能會(huì)因?yàn)榻呛缚p尺寸過大，反而引起應(yīng)力集中。國外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊腳尺寸的要求多是針對(duì)材質(zhì)等級(jí)為X70以下的運(yùn)行管道，在材料方面有其局限性。綜上，應(yīng)著重對(duì)X70、 X80等高鋼級(jí)在役管道開孔三通焊腳尺寸進(jìn)行研究和論證，從安全、質(zhì)量、成本等多方面綜合考慮，確保高鋼級(jí)在役管道維搶修的安全。

2 在役管道焊接時(shí)管內(nèi)的介質(zhì)流速

API 2201《石油石化行業(yè)帶壓開孔安全做法》指明，“壁厚小于6.4 mm時(shí)，焊接時(shí)保持介質(zhì)流速需考慮降低熔穿與減少裂紋之間的平衡”“壁厚在6.4 mm與12.7 mm之間時(shí)，應(yīng)盡量降低流速以助于減少裂紋與避免熔穿”“當(dāng)壁厚大于12.7 mm時(shí)，流速的影響可以忽略不計(jì)”。

殼牌DEP 31.38.60.10《帶壓開孔》要求，“除非能夠確認(rèn)焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生易燃易爆混合物（即無氧氣混入），否則不能在無流速（0 m/s）或間斷流動(dòng)的管道上焊接”，如果確實(shí)需要焊接，應(yīng)該“保持最低0.4 m/s的吹掃流速”。同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)要求，液體管道焊接時(shí)最大流速為1.75 m/s，氣體管道無最大流速限制。

GB/T 28055―2011要求開孔三通焊接時(shí)，“管道內(nèi)液體流速不應(yīng)大于5 m/s，氣體流速不應(yīng)大于10 m/s”。

綜上可看出，各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)在役管道焊接時(shí)管道內(nèi)介質(zhì)流速的范圍規(guī)定存在較大的差異，而管道內(nèi)介質(zhì)流速是焊接過程產(chǎn)生氫致裂紋的關(guān)鍵因素之一。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控介質(zhì)流速與焊接熱輸入量的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)研究和模擬分析來確定合理的介質(zhì)流速范圍，保持介質(zhì)流速、降低熔穿與減少裂紋之間的平衡。

3 在役管道焊接時(shí)剩余壁厚與可焊壓力

3.1 在役管道最小可焊壁厚

API 2201―2003《石油石化行業(yè)帶壓開孔安全做法》建議對(duì)絕大多數(shù)焊接或開孔作業(yè)，“管道或容器剩余壁厚不低于4.8 mm”，實(shí)際壁厚應(yīng)滿足承壓要求再加上安全裕度（一般是2.4 mm）；當(dāng)專業(yè)分析許可時(shí)，此建議可被突破。

BS 6990《在帶介質(zhì)或其殘留物的鋼制管道上施焊建議》，對(duì)于“屈服強(qiáng)度不大于450 MPa、運(yùn)行溫度不高于350℃、運(yùn)行環(huán)向應(yīng)力不大于72%最小屈服強(qiáng)度的管道，焊接時(shí)要求最小壁厚為5 mm，以避免熔穿”。 EEMUA 185《管道及設(shè)備帶壓開孔指南》引用采納本條款。

3.2 在役管道最大可焊壓力計(jì)算公式

國際標(biāo)準(zhǔn)都以薄壁圓筒承內(nèi)壓計(jì)算公式為基礎(chǔ)計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)情況下的最大可焊壓力，用以防止熔穿的發(fā)生。

（1）殼牌DEP31.38.60.10 中列出在役管道焊接的最大可焊壓力計(jì)算公式（1）：

其中：

P―現(xiàn)場(chǎng)最大可焊壓力， MPa；

S―最小屈服應(yīng)力（站外管道）或基本許用應(yīng)力（站內(nèi)管道）， MPa；

D―管道外徑， mm；

ta―現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壁厚， mm；

u―焊接導(dǎo)致的壁厚減薄即熔池深度， mm （根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)附錄C、 D確定，或保守取3 mm）；

F ―站外管道安全系數(shù)，等于設(shè)計(jì)系數(shù)（最大取0.8）；

E―直焊縫接頭系數(shù)（對(duì)ISO3183或API 5L標(biāo)準(zhǔn)管取1）；

T―溫降系數(shù)（根據(jù)預(yù)估管壁背面溫度取值，見標(biāo)準(zhǔn)中表 1）。

（2） SY/T 6150.1―2017《鋼質(zhì)管道封堵技術(shù)規(guī)程 第1部分：塞式、筒式封堵》中，對(duì)管道允許帶壓施焊的計(jì)算公式（2）規(guī)定如下：

其中：

P―管道允許帶壓施焊的壓力， MPa；

σs―管材的最小屈服極限，MPa；

t―焊接處管道實(shí)際壁厚，mm；

c―因焊接引起的壁厚修正量，mm（通常取2.4mm）；

D一管道外徑，mm；

F一安全系數(shù)（原油、成品油管道取0.6，天然氣、煤氣管道取0.5）。

（3）GB/T 28055-2011中提出，在役管道焊接時(shí)，管道允許的壓力應(yīng)滿足式（3）要求：

式中各參數(shù)含義與行標(biāo)公式一致， c（修正量）和F（安全系數(shù)）的取值則按表 1、表 2。

從上述比對(duì)可以看出，焊接時(shí)如何避免熔穿、保證安全得到了各標(biāo)準(zhǔn)的廣泛重視，并相應(yīng)地對(duì)焊接時(shí)最小剩余壁厚做出了規(guī)定，對(duì)應(yīng)用公式法對(duì)實(shí)測(cè)壁厚下的最大可焊壓力計(jì)算也形成了共識(shí)。前述公式在結(jié)構(gòu)上保持了一致，只是在壁厚減薄、溫降系數(shù)等方面取值略有不同。在行業(yè)實(shí)踐中，大部分企業(yè)已經(jīng)開始采用公式法確定可焊壓力以保障焊接安全，海外相關(guān)工程也得到了各業(yè)主單位的認(rèn)同。但Q/SY 64―2012《油氣管道動(dòng)火規(guī)范》和Q/SY GD1039―2014《油氣管道動(dòng)火手冊(cè)》中則硬性規(guī)定了降壓至40%或50%的管道允許使用壓力，降壓對(duì)管道正常運(yùn)行造成了干擾，限制了在役管道焊接操作的實(shí)施，使得許多油氣管道維修改造不得不采取停輸大放空的方式，造成對(duì)社會(huì)資源的浪費(fèi)以及環(huán)境污染。中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司總結(jié)了薄壁高壓在役管道焊接安全評(píng)估和施工經(jīng)驗(yàn)，已多次成功實(shí)施4 mm以下壁厚管道的在役焊接作業(yè)。

筆者認(rèn)為，在充分評(píng)估管道腐蝕程度或?qū)嵉販y(cè)量管道壁厚的情況下，選擇適用的計(jì)算公式計(jì)算可焊壓力，或經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證和科學(xué)的安全評(píng)估是可以保證焊接質(zhì)量的。

4 焊接后開孔三通試壓壓力計(jì)算

開孔作業(yè)實(shí)施前需要對(duì)焊接后的開孔三通進(jìn)行試壓，以檢驗(yàn)焊縫的嚴(yán)密性。試壓一般應(yīng)包括強(qiáng)度試壓和嚴(yán)密性試壓兩項(xiàng)，常用的GB/T 28055―2011僅規(guī)定了嚴(yán)密性試壓，殼牌DEP 31.38.60.10規(guī)定了強(qiáng)度試壓的要求。

GB/T 28055―2011規(guī)定“試驗(yàn)壓力宜等于管道運(yùn)行壓力，最高為不應(yīng)超過管道運(yùn)行壓力的1.1倍”。俄羅斯CTO Gazprom 2-2.3-116《輸氣管道帶壓開孔施工工藝規(guī)范》規(guī)定對(duì)三通“用惰性氣體以1.1倍運(yùn)行壓力進(jìn)行試驗(yàn)，穩(wěn)壓2 h”。 API RP 2201《帶壓開孔安全做法》規(guī)定，“對(duì)焊接件及開孔機(jī)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力不高出當(dāng)時(shí)運(yùn)行壓力10%”“如果條件不允許，可進(jìn)行氣壓試驗(yàn)”。

殼牌DEP 31.38.60.10帶壓開孔標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)鞍座式支管提供了圖表法以確定試驗(yàn)壓力（見標(biāo)準(zhǔn)附錄F）。針對(duì)三通要求以外壓力容器的角度計(jì)算強(qiáng)度試壓壓力以防止主管道失穩(wěn)，規(guī)定強(qiáng)度試壓的穩(wěn)壓時(shí)間為5 min，嚴(yán)密性試壓的穩(wěn)壓時(shí)間為30 min。試壓的介質(zhì)首選為水，若使用氣體進(jìn)行試壓，試驗(yàn)壓力不應(yīng)超過0.7 MPa。

國內(nèi)施工對(duì)開孔三通焊縫的試壓一般按照GB/T 28055―2011的要求進(jìn)行，打壓數(shù)值比較保守，業(yè)主有時(shí)候會(huì)對(duì)三通焊接的強(qiáng)度提出質(zhì)疑，對(duì)三通整體能否承受以后可能的管道升壓運(yùn)行無法確認(rèn)。在國外施工中，三通焊縫的打壓壓力數(shù)值通常參照殼牌DEP31.38.60.10對(duì)試壓的規(guī)定，通過ASME第VIII卷第1部分UG-28節(jié)的圖算法進(jìn)行圓筒承外壓計(jì)算，GB 150―2011《壓力容器》中也對(duì)圓筒承外壓計(jì)算有專門的闡述。

目前，我國在役管道維搶修標(biāo)準(zhǔn)還是以翻譯、遵守、跟隨為主，在技術(shù)深度、技術(shù)細(xì)節(jié)等方面與北美、歐洲的標(biāo)準(zhǔn)還存在一定差距，不少的技術(shù)要求還缺乏理論支撐和試驗(yàn)驗(yàn)證。在整體的標(biāo)準(zhǔn)體系上，乃至法律法規(guī)體系上，我國的體系還需要做好頂層設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)規(guī)劃性、覆蓋性與可操作性，并及時(shí)更新以反映最新技術(shù)發(fā)展。

作者：王  鑫， 高級(jí)工程師，中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司副總經(jīng)理。

      戚建利，高級(jí)工程師，中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司國際市場(chǎng)開發(fā)中心主任。

      王  琥，中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司華中應(yīng)急搶險(xiǎn)中心經(jīng)理。

      王雙偶， 工程師，中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司華中搶險(xiǎn)中心副經(jīng)理。