低温环境下大直径污水管线带压封堵与更换

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(1.中国石油 独山子石化分公司 乙烯厂，新疆 独山子 833699；2.新疆寰球工程公司，新疆 独山子 833699)

中国石油独山子石化分公司1 000万t/a炼油及120万t/a乙烯工程配套装置工业污水处理场总设计规模为1 800 m3/h，采用生物处理工艺处理炼油、化工装置产生的污水。由于污水中的炼油电脱盐污水、碱渣出水、含硫污水、动力站污水、过滤罐排污水等含盐、含油量高并且含有其它杂质，乳化严重，造成装置内管线和设备腐蚀严重，引发多处点蚀泄漏[1]。

1 污水管线漏点分布及补漏情况

本次施工前现场65 m管线曾经陆续发现共计8处点蚀漏点(5个普通漏点和3个带压堵漏点)，其中带压堵漏的3处漏点在2015-08～09已经出现了渗漏，泄漏量不大，属于渗漏。各泄漏点在污水处理流程中的位置见图1。

图1 各泄漏点在污水处理流程中的位置

漏点集中的DN500 mm碳钢管线原壁厚7.1 mm。堵漏过程中发现该管线腐蚀严重，管壁普遍减薄，最薄处实测值已至5.32 mm ，需要对腐蚀减薄后的DN500 mm 碳钢母管进行带压封堵、增加阀门及管线更换工作。

在没有出口阀门控制污水处理池的情况下，堵漏和更换操作过程很可能发生大量泄漏,甚至导致曝气池内3 000 m3工业含盐污水泄漏，造成环境污染事故，工业水场也将被迫停工。为了有效降低大量泄漏风险，经过综合考虑,决定在2015年冬季(12月)-20 ℃的环境气温条件下对污水管线实施封堵施工。

2 污水管线带压封堵施工概况

2.1 风险分析

此次施工主要存在以下风险：①腐蚀减薄管线在施工中出现大量污水泄漏导致环境污染事故。②在施工过程中存在有限空间作业人员中毒窒息、动火作业着火爆炸、机械伤害、吊装作业高处坠物等风险。③室外气温-15～-25 ℃，若封堵后增加阀门及更换管线工作时间较长，则存在封堵盲端冻凝、封堵设备无法撤离情况，严重时可导致装置停工。

2.2 消减风险措施

此次施工采取的施工风险消减措施：①严格HSE管理，实行现场作业票制。②制定详细应急预案及工艺处理方案，如出现大量泄漏情况，立即启动三级响应。③现场开挖排水沟，预备4台60 m3/h气动泵，随时准备将污水排放至事故水池。④落实监护人职责，做好中毒窒息、起火燃烧的防护、急救准备。⑤现场制作保温管线、搭设保温棚，每1 h监控封堵部位温度。

2.3 总体施工方案

基于一般带压封堵流程，结合管线腐蚀和泄漏情况以及施工时的环境气候特点，制定的施工总体方案为：加工伴热线—搭设保温棚—制作封堵设备支撑垫板—管壁测厚—确定封堵点—封堵设备试运—焊接三通扣件—带压开孔—投放筒式封堵器—检验封堵效果—抽取管线积水—断开管路安装阀门—检验焊接质量—撤除封堵—三通扣件安装堵塞—更换管线—施工完成。

3 污水管线带压封堵施工准备

3.1 作业空间和逃生通道挖掘

本次通过机械、人工共计挖掘土方280 m3,主要满足带压封堵部位的作业空间以便三通扣件能够安装到位，同时要方便夹板阀操作。土方挖掘过程中应注意做好护坡，防止土方滑落。同时设立逃生通道、四合一报警器、直梯、逃生绳及急救空气呼吸器等防护急救器材。

3.2 测厚确定封堵位置[2]

测厚是带压封堵的必须程序。本次施工管线漏点多，腐蚀严重。为保证测量数据的代表性和全面性，在预带压封堵管线部位的0°、90°、180°、270°方位各选取4个点(每隔1 m进行一次)进行测厚，共计16个点。为保证测厚工作的可靠与专业性，特委托独山子石化分公司的设备研究所对待施工管段作专业测厚。管线原始厚度为7.1 mm，本次选取的16个测量点的测厚结果按照从小到大的顺序依次为：5.32 mm、5.76 mm、5.89 mm、5.97 mm、5.99 mm、6.09 mm、6.10 mm、6.14 mm、6.15 mm、6.16 mm、6.17 mm、6.18 mm、6.22 mm、6.33 mm、6.41 mm(2处)，其中最薄部位(厚度为5.32 mm)对应的腐蚀率为25%，最厚部位(厚度为6.41 mm)对应的腐蚀率为9.7%。本着带压封堵部位尽量靠近池底盲端的原则，三通扣件的焊接最终选择在腐蚀率较低部位进行，尤其是扣件三通环焊缝部位尽量避开管线减薄部分。

3.3 制作伴热管线和搭设暖棚

此次污水管线的带压封堵和更换施工是在室外-20 ℃环境下进行的，没有充足的防护措施极可能造成施工过程中的夹板阀冻结无法启闭、封堵设备冻凝无法拆卸等影响到整体作业进度的问题，因此防冻、防凝工作尤其需要重点关注。同时工艺方面配合此次施工的时间只有24 h,时间紧迫，需要连续作业，一旦超出此时间将导致污泥失活和污水无法有效处理的生产性事件。

根据现场施工环境的具体情况，按照暖棚内的温度始终保持在13 ℃以上的原则，本次施工中落实的防冻措施主要包括：①在封堵作业区搭设暖棚。②封堵器加设暖气片。③污水处理池体的管线盲端加装伴热管。在防冻措施落实后，做好每小时一次的测温记录工作，如出现温度骤降情况，及时增设暖气数量。

污水管线堵漏施工现场暖棚见图2。

图2 污水管线堵漏施工现场暖棚

3.4 封堵设备保温和试运

带压封堵的设备均采用液压驱动方式，在正式封堵前要对以下设备及参数进行重点检查及试运：①柴油发电机，包括油量、可靠性等，并进行试运发电。②液压站油位、油量、黏度、牌号，液压油管线及其接头密封性，各挡位顺畅可靠。③开孔机、封堵器、堵头投放器均进行满行程试运，无卡阻现象。④电焊机、配电箱等施工器具符合现场使用要求。⑤液压设备在开工前应放置在室内，运行时再由叉车运至现场。此举可尽量提高液压油流动性，一定程度上缩短作业时间。

3.5 制作封堵设备支撑

本次封堵工作对象的管径大(DN500 mm)，配套封堵设备大，仅封堵作业计划使用的三通扣件、封堵器、夹板阀这3类设备的总质量就有5 t。为避免出现封堵设备重力集中造成管线沉降，在封堵作业前根据封堵扣件的底部形状制作专用支撑。本次封堵扣件底部为弧形，制作的专用工具承托面尽量贴合扣件底部，增加受力面积。同时该支撑在施工时可以增大封堵扣件与松软地表的接触面积，降低局部压强，减小封堵部位的管变形以及管线切割后的垂直位移。

4 污水管线带压封堵作业

4.1 三通扣件焊接

根据SY/T 6150.1—2003《钢制管道封堵技术规程 第一部分:塞式、筒式封堵》计算管道的允许带压施焊压力[3]。

式中，p为管道允许带压施焊的压力，σs为管材的最小屈服强度，MPa；δ为焊接处管道实际壁厚，D为管道外径，mm；C为壁厚修正值，一般取2.4 mm；F为安全系数，本管线取0.6。

污泥管线材质为Q235B，σs取235 MPa ，δ取5.32 mm，D取500 mm，C取2.4 mm，F取0.6。带入公式计算得到管道带压施焊允许压力p=1.64 MPa[4]。此处管线在泵送停止情况下，只存在曝汽池内含盐污水静压力0.06 MPa，符合现场施工焊接要求[5]。扣件材质20钢和母材Q235均为普通碳钢，焊条选用型号J427焊条，焊接时电流在90～100 A，采用小电流多道焊。对焊缝采用着色检测，保证焊接质量符合焊接要求[6-7]。

4.2 安装夹板阀

在-20 ℃环境下进行夹板阀开启试验时发现，无保温措施无法做到夹板阀全开。结合测试阶段发现的启闭困难情况，进一步分析动工后可能出现的问题。开孔工作开始后，夹板阀、开孔器筒室内充满工艺介质，在低温情况下将很快冻凝，无法启闭[8]。届时将导致开孔设备无法撤离，整个施工无法继续进行，装置被迫停工。为此，在夹板阀上下两侧各设置1组暖气片，见图3。

图3 增加了暖气片的夹板阀

实际施工过程中，增设的暖气片及时融化了阀板上的积雪，切实保障了夹板阀的启闭顺畅和施工的顺利进行。

4.3 带压开孔[9]

在管线上带压开孔存在较大人员安全风险，需要专用的开孔设备。此开孔设备主要由扣件、夹板、连箱、刀夹、刀头及钻杆等部件组成，其在管线上工作时的分解图见图4。

图4 污水管线封堵施工专用开孔设备分解图

在管线上带压开孔操作分10个步骤进行：①将开孔机与短管连箱的贴合面清洁干净，检查O形圈是否完好，清理刀具和钻杆的配合面，紧固刀头与钻杆同心。②擦净U形卡表面油脂保证其灵活性，测量并记录U形卡的位置及刻度。③将开孔机安装于夹板阀顶部，固定后打开夹板阀，将进给箱手柄打至空位，记录原始位置刻度值，手动进刀，当感觉遇到阻碍无法进刀时，复核H1=H2+H3是否成立，若上式成立，则刀具已与母管管顶触碰。④将进给手柄打在自动进给位置，空载启动液压站试运后启动开孔机，开始切削开孔。记录此时开孔机钻杆刻度位置S1。⑤预算开孔结束位置S2=S1+H4。⑥开孔作业过程中，开孔机及液压站旁必须有技术人员值守，一旦遇到意外情况需及时停机。⑦开孔期间密切注意行程刻度，当刻度位置达到S2时，切削完毕，现场切削声停止。⑧将进给手柄打到空位，手动向下继续摇动手柄两圈，无卡阻后提升刀头，直至恢复到原始位置。⑨关闭夹板阀。打开泄压阀，观察是否关闭彻底。⑩拆除开孔机，观察开孔筒中切割下管线是否完整，以判断下一封堵工序的具体操作。开孔工作完成。

污水管线封堵施工专用开孔设备刀头切割下管线的瞬间情况见图5。

图5 污水管线封堵施工专用开孔设备刀头切割下管线瞬间

4.4 投放筒式封堵器

污水管线封堵过程中的筒式封堵器投放施工现场见图6。

图6 筒式封堵器投放施工现场

筒式封堵器投放分3个步骤进行：①吊装封堵设备到夹板阀上，固定彻底后稍开夹板阀，观察密封面无泄漏，打开连箱排气阀，平衡压力。②确定封堵筒下放尺寸，具体步骤参照开孔操作流程。做好各位置的刻度记录。③待封堵筒下方到位后，逆时针旋转膨胀筒中心螺杆，筒体膨胀，开始封堵，打开连箱放空阀，观察封堵效果30 min，无异常及泄漏则进行下步作业。

4.5 封堵后管线加装阀门[10]

按照施工计划对封堵后管线进行加装阀门作业，当阀门安装完毕后，将封堵筒手动缓慢提升，确认阀门加装效果。若各部位无泄漏，则将封堵筒提升至起始位置，关闭夹板阀，开始更换管线工作。

4.6 安装堵塞和盲盖[11-12]

堵塞和盲盖的安装按以下步骤进行：①将堵塞与连箱组合好，将堵塞缩回连箱。②测定堵塞锁环结合面至连箱下法兰面的距离，确定下堵器标尺刻线数字。③将下堵器吊装到夹板阀上，螺帽紧固。④打开夹板阀，手动下放堵塞，待到达计算刻度后，使用内六角扳手旋转锁环螺母，使锁环卡压住堵塞，四处锁环对称旋紧，打开连箱排放阀，观察堵塞密封性。⑤排放阀无泄漏，撤离连箱，增加三通盲盖。封堵任务结束。

5 污水管线带压封堵工程难点及注意事项[13]

(1)封堵结束后，管线打开增加阀门过程中，会出现因封堵设备重力、管线应力导致的位移，封堵前应充分考虑以保证余量。本次施工过程中管线切割完毕后垂直方向出现15 cm位移，当时采取了清除垫土、液压抬升、焊接L型勾、螺栓拧紧等办法完成管线对接。

(2)封堵设备总重5 t左右，为防止地基松散或跑水后整体下陷，需制作专门支撑工具，增大与地面松软地表的接触面积，减少局部压强，防止下沉。

(3)环境温度在-15～25 ℃，应定期测温，防止冻凝。液压设备必须选用冬季低温抗凝液压油，防止液压油因流动不畅导致开孔时间延长。

(4)此项工程存在动火、空间有限、临电、带压封堵等施工过程风险，需要指派专业的监护及HSE管理人员。

6 结语

本次带压封堵作业克服了管线腐蚀减薄、气温低、空间作业受限、连续施工等不利影响，依靠前期大量细致的准备工作才得以保证工程的顺利实施[14]。整个作业由焊接扣件到封堵结束历时20 h，圆满完成了更换管线工作。为今后低温环境下，大管径管线带压封堵施工积累了经验[15]。