長輸天然氣管道換管搶修關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)探討

賈文江 李剛 蘆濤

1川慶鉆探工程有限公司

2川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司

3中國石油青海油田管道處

天然氣管道在保障國家能源供給和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)重要地位[1]。天然氣管道的致害因素包括施工缺陷、機(jī)械損傷、腐蝕和第三方活動(dòng)[2]。換管搶修是長輸管道管理維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，管道發(fā)生斷裂、大量油氣泄漏事故，采用堵漏卡具無法修復(fù)時(shí)需要進(jìn)行換管搶修作業(yè)[3]。隨著X80 高鋼級(jí)管線鋼管應(yīng)用以及設(shè)計(jì)壓力等級(jí)提高，管道換管搶修技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)數(shù)字化、智能化，保證時(shí)效性以及施工質(zhì)量安全[4]。需要采用先進(jìn)的換管搶修技術(shù)，制定科學(xué)的換管搶修方案，實(shí)現(xiàn)管道快速修復(fù)和恢復(fù)運(yùn)行，減少管道事故人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[5]。為此，分析了管道換管搶修的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和風(fēng)險(xiǎn)因素，闡述了管道換管搶修的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于提升我國管道管理水平和保障管道安全具有重要意義。

1 作業(yè)流程

典型的管道換管搶修作業(yè)流程是：線路閥室關(guān)閉、放空、氮?dú)庵脫Q、氣體檢測(cè)、管道切割焊接、焊縫檢測(cè)、管道防腐補(bǔ)口、天然氣置換升壓和回填，其中關(guān)鍵程序階段的施工要點(diǎn)和注意事項(xiàng)如下：

（1）管段放空。將換管管段上下游的線路截?cái)嚅y關(guān)閉，開啟管道干線放空閥，為保證管段內(nèi)天然氣全部放空，在放空立管處進(jìn)行點(diǎn)火。通過控制放空閥開度調(diào)節(jié)火焰大小，降低對(duì)環(huán)境公眾的影響[6]。放空后期應(yīng)更換小量程的壓力表，直至顯示為零。放空火焰呈微弱狀態(tài)或者熄滅，認(rèn)為管段內(nèi)天然氣全部放空，關(guān)閉放空閥。

（2）氮?dú)庵脫Q。換管管段內(nèi)天然氣放空后進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，采用天然氣推空氣、氮?dú)飧綦x置換和氮?dú)饧痈綦x球置換的方式，氮?dú)庵脫Q主要控制氮?dú)鉁囟?、注入速度，保證注氮溫度＞5 ℃。每間隔5 min 連續(xù)3 次檢測(cè)管段出口氣體含量，氧氣體積分?jǐn)?shù)＜2%、氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)＞98%、可燃?xì)怏w濃度低于爆炸下限值的20%，認(rèn)為氮?dú)庵脫Q合格。

（3）管溝開挖。在進(jìn)行管段放空和氮?dú)庵脫Q同時(shí)，應(yīng)做好作業(yè)坑開挖準(zhǔn)備和更換新管預(yù)制，提高換管搶修工作效率。作業(yè)坑開挖應(yīng)避免對(duì)管道的二次破壞，首先人工開挖作業(yè)坑，確定管道位置后再使用機(jī)械拓寬管溝。作業(yè)坑開挖除滿足施工安全條件，還應(yīng)做好管溝塌方預(yù)案和逃生通道。

（4）管道切割焊接。管道切割方式有手動(dòng)、機(jī)械、火焰和水射流切割，手動(dòng)切割適用于小管徑管道，水射流切割屬于特種高精度切割方式，機(jī)械和火焰切割應(yīng)用最廣泛[7]。管道焊接及檢測(cè)執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》，焊縫自然冷卻后進(jìn)行射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)。

（5）天然氣置換。關(guān)閉兩端的線路截?cái)嚅y，開啟一端的閥室線路連通閥進(jìn)行天然氣置換，置換壓力應(yīng)在0.2 MPa，開啟另一端的閥室干線放空閥。每間隔5 min 連續(xù)3 次檢測(cè)管道內(nèi)氧氣含量＜2%、甲烷濃度＞98%，認(rèn)為天然氣置換合格。之后利用連通閥平衡壓力，如線路截?cái)嚅y上下游壓力處于平衡狀態(tài)，關(guān)閉連通閥。天然氣置換盡可能安排在白天進(jìn)行，天然氣置換流速≤5 m/s。

（6）防腐回填。天然氣管道置換過程中，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51241—2014《管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行防腐補(bǔ)口處理，回填管溝。

2 作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素

輸氣管道置換過程可能發(fā)生的突發(fā)事件有管道破裂、火災(zāi)爆炸、天然氣中H2S中毒等[8]。

（1）管道破裂首先分析判斷失效位置，迅速現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，關(guān)閉事故管段上下游截?cái)嚅y，對(duì)氣體擴(kuò)散區(qū)域進(jìn)行警戒，嚴(yán)格控制著火源，避免發(fā)生著火爆炸[9]。

（2）管道本體或裂縫發(fā)生小型漏氣，可不采取停輸放空措施，采用頂絲關(guān)卡等帶壓堵漏方法。

（3）天然氣中H2S 中毒指H2S 中毒，天然氣中含有H2S，H2S易聚集，不易飄散，空氣中H2S含量≥0.035 mg/m3，即可產(chǎn)生中毒。搶修作業(yè)中應(yīng)佩戴防毒面具、防護(hù)眼鏡等護(hù)具。

（4）由于沿線地形起伏，管內(nèi)可能殘存置換不完全在管道打磨、焊接時(shí)聚集有發(fā)生火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，一般采用在線壓力監(jiān)控式隔離球?qū)Q管管段上下游進(jìn)行隔離封堵。

（5）氮?dú)庵脫Q中失效管段切割可能造成氮?dú)庑孤┮鹑藛T窒息。施工作業(yè)坑應(yīng)設(shè)計(jì)專門的逃生通道，實(shí)時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)含氧量檢測(cè)，配備空氣呼吸機(jī)等救援設(shè)備等。

3 技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)

管道換管搶修技術(shù)數(shù)字化、智能化的基本思想是將制定作業(yè)方案、人員組織、資源調(diào)配和作業(yè)工序等復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化模型進(jìn)行處理，確定最優(yōu)技術(shù)方案[10]。管道發(fā)生事故后，根據(jù)失效形式和泄漏量，在管道搶修數(shù)字化平臺(tái)生成作業(yè)方案，確定所需物資。針對(duì)換管作業(yè)工序中作業(yè)坑開挖、切割吊運(yùn)、測(cè)量、下管、組對(duì)、焊接和焊縫檢測(cè)，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集上傳至數(shù)字化平臺(tái)，完成技術(shù)方案制定、現(xiàn)場(chǎng)可視化監(jiān)控和糾正，高質(zhì)量完成管道換管搶修工作。

3.1 管道搶修數(shù)字化平臺(tái)

建設(shè)管道搶修數(shù)字化平臺(tái)的功能是發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，第一時(shí)間確定搶修作業(yè)方案以及人員、物資調(diào)配方案；采集施工各階段的信息和數(shù)據(jù)，通過設(shè)備工藝參數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、整合、分析和處理，保證施工過程的系統(tǒng)優(yōu)化；建立遠(yuǎn)程控制人機(jī)交互界面，保證施工過程的安全受控。

3.2 作業(yè)準(zhǔn)備

管道發(fā)生斷裂或泄漏重大事件，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，管道搶修數(shù)字化平臺(tái)生成作業(yè)方案和物資調(diào)配方案，人員盡快到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)，開展作業(yè)坑開挖、供電和照明、現(xiàn)場(chǎng)指揮部組建等工作；在應(yīng)急通信車設(shè)置監(jiān)視終端，通過無線通信將現(xiàn)場(chǎng)畫面實(shí)時(shí)傳送至數(shù)字化平臺(tái)，為現(xiàn)場(chǎng)指揮提供決策支持。

3.3 切割吊運(yùn)

搶修管段完成放空和氮?dú)庵脫Q后，進(jìn)行受損管段切割吊運(yùn)，切割方式有冷切割和火焰切割。受管段兩端不平衡應(yīng)力影響，受損管段切割后不能直接取出，一般增加一道切口再抽取管段。切割吊運(yùn)數(shù)字化技術(shù)即通過控制器控制切管機(jī)，精準(zhǔn)測(cè)量管道應(yīng)力，預(yù)測(cè)斷管后應(yīng)力釋放過程，降低管段斷開應(yīng)力瞬間釋放的風(fēng)險(xiǎn)（也是管道換管搶修需要重點(diǎn)解決的安全問題）。

3.4 測(cè)量下管

精準(zhǔn)測(cè)量下管是換管搶修的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方式是人工拉線、卷尺測(cè)量，存在人為因素影響，特別是由于有彎管、彎頭等異形管件，不可避免存在偏差。測(cè)量數(shù)字化技術(shù)是采用三維激光掃描儀對(duì)斷管管口進(jìn)行整體測(cè)量，得到管口的三維數(shù)據(jù)，通過軟件計(jì)算得到下管的精確尺寸數(shù)據(jù)，將測(cè)量計(jì)算軟件與搶修數(shù)字化平臺(tái)關(guān)聯(lián)，遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)量下管過程。

傳統(tǒng)的下管方式是火焰切割機(jī)在新管和管件上切割，存在的問題是切割后打磨量較大。下管智能化、數(shù)字化技術(shù)是將上述精準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)與機(jī)械切管機(jī)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速機(jī)械切割。采用數(shù)控機(jī)床不適用大口徑管道且搬運(yùn)困難，采用鉆銑或者銑刀切管機(jī)可實(shí)現(xiàn)下管智能化控制。

3.5 組對(duì)

管口組對(duì)質(zhì)量直接影響焊接質(zhì)量和焊接工作效率，管口組對(duì)主要采用外對(duì)口器，同時(shí)借助管工打磨和調(diào)節(jié)，組對(duì)周期長且存在人為因素影響。管口組對(duì)數(shù)字化、智能化技術(shù)需求非常迫切，但由于受到管道附加應(yīng)力、橢圓度和壁厚差異等因素影響，管口組對(duì)數(shù)字化、智能化技術(shù)難度大，這也是管道換管搶修技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。

3.6 接工藝方法比選

目前國內(nèi)外新建輸氣管道工程廣泛采用全自動(dòng)焊工藝。長輸管道建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)是高鋼級(jí)、大口徑、高壓力，對(duì)管道搶修技術(shù)安全性、時(shí)效性和機(jī)械化提出更高要求。我國在役管道搶修焊接普遍采用手工電弧焊，效率低、作業(yè)時(shí)間長，受操作人員技能水平影響，焊接質(zhì)量不能完全保證。國外已有少數(shù)在役管道焊接使用自動(dòng)化設(shè)備的案例。天然氣管道自動(dòng)焊焊接B型套筒已進(jìn)行管道現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在焊接時(shí)間上與手工焊基本相同，在焊縫成形及外觀等方面優(yōu)于手工焊，焊縫性能滿足規(guī)范要求，具有應(yīng)用推廣價(jià)值。未來管道換管搶修采用自動(dòng)焊工藝應(yīng)著重解決和改進(jìn)下列問題：

（1）在役管道焊接管件壁厚很大（開孔三通、修復(fù)套管），例如西氣東輸二線封堵三通弧板厚度已達(dá)80～120 mm。

（2）焊口組對(duì)差異性較大，包括修復(fù)套筒、開孔三通的加工情況，管道橢圓度，管件安裝與管道的貼合度等。

（3）國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》規(guī)定的新建管道焊接的根部組對(duì)間隙是3～6 mm，不能滿足根部自動(dòng)焊要求，應(yīng)從管件設(shè)計(jì)改進(jìn)組對(duì)間隙尺寸參數(shù)，保證焊槍實(shí)現(xiàn)根部完全熔合。

（4）考慮在役管道存在變形，修復(fù)管件與管道組對(duì)間隙可能較大，在役管道自動(dòng)焊工藝應(yīng)配套電弧跟蹤技術(shù)，保證焊縫質(zhì)量。

3.7 焊接過程控制

目前我國管道換管搶修主要采用氬弧焊根焊和半自動(dòng)填充焊方式，這兩種方式只能實(shí)現(xiàn)焊接過程質(zhì)量監(jiān)控，即采集焊接參數(shù)進(jìn)行工藝評(píng)定，如存在問題可反饋至操作人員，但無法直接反饋至焊機(jī)實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)自動(dòng)調(diào)整及優(yōu)化。管道換管搶修焊接技術(shù)數(shù)字化發(fā)展方向是采用全自動(dòng)焊接工藝，即實(shí)現(xiàn)焊接過程數(shù)據(jù)采集、反饋和自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化，在保證焊接質(zhì)量同時(shí)縮短作業(yè)時(shí)間。

長輸管道焊接預(yù)熱采用中頻加熱器，可以通過電子數(shù)據(jù)精準(zhǔn)控制加熱溫度和溫升速率。中頻加熱器如與溫度傳感器連接，可實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)自動(dòng)感知加熱，溫度數(shù)據(jù)上傳至數(shù)字化搶修平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控焊接加熱溫度。

長輸管道焊接前消磁主要采用大功率消磁機(jī)，操作人員需反復(fù)調(diào)節(jié)消磁，時(shí)間長且無法徹底消磁。消磁數(shù)字化和智能化可定量描述組對(duì)后管口間的磁場(chǎng)分布規(guī)律，并反饋至數(shù)字化搶修平臺(tái)進(jìn)行精準(zhǔn)局部消磁。

3.8 焊縫檢測(cè)

焊縫無損檢測(cè)是審核焊接質(zhì)量和確定管道恢復(fù)運(yùn)行的重要依據(jù)。管道換管搶修焊縫檢測(cè)一般采用DR 檢測(cè)，數(shù)字化膠片需要審核員多次驗(yàn)證才能確認(rèn)缺陷點(diǎn)，評(píng)價(jià)結(jié)果取決于審核員的技能水平。焊縫檢測(cè)的數(shù)字化發(fā)展方向是將焊縫膠片上傳至管道搶修數(shù)字化平臺(tái)，利用專家決策系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)評(píng)價(jià)，既可縮短工作時(shí)間，也可獲取更為權(quán)威的結(jié)論。

4 結(jié)束語

管道換管搶修作業(yè)在保證管道安全運(yùn)行方面具有重要作用。隨著中俄東線智能管道建設(shè)運(yùn)營，管道換管搶修技術(shù)也向智能化、數(shù)字化發(fā)展，搭建管道搶修數(shù)字化平臺(tái)，集成和整合管道運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)信息，可對(duì)管道換管搶修全過程進(jìn)行自動(dòng)控制和監(jiān)督。未來需要解決的主要問題包括：

（1）作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境條件評(píng)估以及應(yīng)用全自動(dòng)焊接工藝。

（2）數(shù)據(jù)、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與自動(dòng)控制的融合技術(shù)。

（3）建立專家輔助管理和決策指揮系統(tǒng)。

（4）管道搶修過程自動(dòng)感知、預(yù)測(cè)、控制和處置，控制系統(tǒng)自我改進(jìn)與持續(xù)優(yōu)化等。