冬季极端天气下工艺管道施工技术

石宝军，刘太平

1.成都桑科人力资源服务有限公司，四川成都 610000

2.中国化学工程第七建设有限公司，四川成都 610000

1 项目概况

鄂木斯克州位于俄罗斯中南部，该区域属于干燥性大陆气候[1]：天气变化剧烈，年温差较大，年最低温度达-42℃，年最高温度30～35℃；夏季湿热，冬季干冷漫长，每年10月中下旬至第二年5月份，均处于0℃以下，且多暴风雪；年平均降水量259 mm，且分布不均匀，主要集中在6～9月份。

俄罗斯天然气工业股份有限公司鄂木斯克州炼油厂DCC项目，占地52 500 m2，包括200×104t/a加氢裂解装置、10×104m3/h氢气生产装置、37 m3/h氨回收装置、120 m3/h污水处理装置、80×104t/a硫磺回收装置。

由于气候条件相对恶劣，对装置安装施工影响较大，特别是冬季气温较低，降雪时间久，有较厚的积雪及冻土层，需要采取工厂化预制、自动化焊接、保温防护、优化压力试验等措施，以保证工艺管道预制、安装工作顺利进行。

2 极端天气下工艺管道施工技术

2.1 管道材质

DCC项目工艺管道共长140 768 m，材质较多且制造标准不同（俄罗斯GOST标准和美国ASTM标准）。主要材质有：M01（GOST标准）普通碳钢（СT20，09Г2С），M01（ASTM标准）低温钢（A333-6，A671-CC65）；M05（GOST标准） 合金钢（15X5M），M05（ASTM标准） 合金钢 （ A335-P5、 A335-P9、 A335-P11， A335-P22、A335-P91）；M11（ASTM标准） 不锈钢（A312-TP304、 A312-TP304L、 A312-TP321、 TP347） ，M11（GOST标准）不锈钢 （ 08X18H10T、12X18H10T）； M51双相钢（ ASTMA928-S32205），M51镍基合金 （N08825、N06625、N10276）。 为了便于核对各种材料与表面标识的一致性，所有管件、管道、螺栓、焊材，均进行材料入场材质分析。为了对不同种类的材料进行区分，编制了《色标工艺技术文件》，在管材、管件的表面涂刷标志色，在使用过程中及时做好标识移植。根据不同材质的焊接、热处理参数要求（见表1），编制焊接工艺卡、热处理工艺卡。

由于管材制造标准不同，且焊条及焊丝购自不同国家（俄罗斯和中国），所以在焊接前编制了不同材质焊条、焊丝选用表，避免了材料错用。

表1 不同材质焊接、热处理工艺参数[2]

工艺管道施工主要采取预制场加工预制与现场安装相结合的方法，降低天气不利因素对整体施工周期、施工质量的影响。

2.2 管道组对、焊接

2.2.1 管道坡口型式、焊缝外观

管道对接焊缝坡口型式、焊缝外观、焊缝尺寸应严格执行GOST 16037-80及ASME B16.25的要求，当图纸有特殊要求时，应执行图纸要求。

本装置按照设计要求，主管开孔与支管道连接形式全部采用骑坐式。先进行支管与主管道角焊缝的焊接，并对焊缝进行外观检查、PT检测，方可进行补强板的安装、焊接。角接焊缝的坡口型式、焊缝外观以及补强板焊缝外观尺寸均应满足相关要求，方可进行后续焊接、检测。补强板应与主管道贴合紧密，管道开孔及补强板焊缝，应尽量避开管道焊缝，否则应进行相应检测。

2.2.2 下料及组对

由于管道材质种类较多，需要在下料之前做好材质、规格、炉批号的移植。合金钢、不锈钢、双相钢、镍基合金钢在下料之前，需要进行排版，避免材料的浪费。碳钢管可采用火焰切割进行下料，其他材质管道均需要使用带锯床进行下料、坡口机制备坡口。若合金钢管道、管件采用火焰制备坡口，则坡口表面打磨后应进行表面检测，避免坡口受热产生裂纹、夹渣等缺陷[3]。

管道、管件、法兰等均不得放置在低洼地段，并使用木方、胶皮与地面进行隔离，法兰密封面使用润滑脂、胶皮进行防护，所有管段、阀门均处于封闭状态不得敞口。垫片、螺栓在入厂检验合格后，分类存储在库房货架上，并做好色标标识。缠绕垫片、金属环垫应放置平稳，不得倾斜或悬挂放置。

焊口应无应力组对且间隙均匀，焊口两侧管段应水平且满足图纸要求。当焊口两侧壁厚不一致时，应将较厚一侧按照一定坡度打磨使两侧一致，削薄一侧的过渡坡度应≤15°[4]。组对时，所使用的临时卡具，应使用机械打磨，不得强力敲击。临时点焊点打磨后低于母材或母材表面有缺陷时，应进行相应检测，补焊后再次进行相应表面检测。

有缝钢管、有缝管件、阀门在进行组对时，应将其边缘焊缝打磨平滑，余高保留0.5～1.0 mm。管道开孔时，补强板、支架及支架弧板安装应尽量避开管道焊缝。

有缝钢管、管件组对形成T型焊缝时，其环向最小间距应满足以下要求：

（1）对于外径≤100 mm的管道、管件，其间距不得小于外径，且不小于50 mm。

（2） 对于外径＞100 mm的管道、管件，其间距不小于100 mm。

（3） 不得出现十字焊缝。

焊缝与支架、吊架、钢梁等的安装间距至少保证100 mm。相邻焊口最小间距至少为焊接原件壁厚的3倍。管径≤100 mm时，对接焊缝间距等于直径[5]；管径100～219 mm时，间距≥100 mm；管径219～550mm时，间距≥250mm；管径≥550mm时，间距为400 mm。

2.2.3 焊接前准备

焊接的温度、湿度、风速应满足焊接要求，不得影响焊接质量。当超过要求时，应采取相应防风、防雨、防雪、加热保温措施。

在焊接前，应检查焊接设备（焊机、自动焊机）的完好性，且焊接时周边无易燃易爆品，避免引起火灾。焊接设备应做好接地，且有防雨雪、防冻措施，不得将焊接设备直接放置在露天地面、平台或有积水积雪的低洼地带。

碳钢及低温钢管道焊缝两侧50 mm范围有水汽时，或环境温度低于要求值时，需要使用丙烷/加热设备加热。

不锈钢或镍基合金钢管道焊缝两侧50 mm范围有水汽时，或者环境温度低于要求值时，需要使用丙烷/加热设备加热至50℃，层间温度不得高于100℃。镍基合金钢焊口在焊接前，应使用丙酮/酒精将焊丝、坡口表面擦拭干净。

2.2.4 焊接

严禁在焊件表面引弧、临时点焊支撑物。焊接地线应与焊件相连接，并且靠近焊接侧，不得连接在结构、设备、阀门侧。定位焊、临时点焊应按照WPS要求，与正式焊接程序一致。焊接时，不得将法兰密封面与地面、结构面直接接触，以免损伤（划伤、电弧擦伤） 法兰密封面。管径大于DN500时，应由两名焊工同时焊接，以免造成焊接变形。应保证起弧、收弧的质量，及时进行修磨，收弧处应将弧坑填满。

管道焊接时，管口两端应进行封堵，避免有穿堂风通过。需要进行充氩防氧化的焊口，必须充氩并且排净内部空气。在管道内部充纯度不低于99.99%（体积分数） 的氩气，以防止根部焊接时被氧化。管道内部充氩气时，管道内部两端的封堵板或水溶纸的间距应保持在1 000～2 000 mm，以免被焊接温度烫坏。

根部焊接完毕后，应及时进行后续填充、盖面的焊接，以防止产生裂纹。除非焊接工艺卡或检验有要求需要进行分次焊接，同一道焊缝应连续焊接完毕。合金钢焊接临时中断时应立即保温、后热，再次焊接时应对焊缝外观进行检查，当确认无缺陷时，按照焊接工艺卡要求进行预热、焊接、后热或热处理[6]。施工班组应做好记录，不得遗忘未焊接完毕的焊缝，续焊时间间隔不得超过一天。

分层、分道焊接时，每道焊接宽度不得超过焊材直径的3倍，且应及时进行层间清理，当焊缝焊接完毕后应及时进行外观检查，并填写焊缝标识。严禁在焊缝熔池局部一次进行多层多道焊接。

所有焊缝（对接焊缝、角接焊缝） 均应分层、分道焊接，且焊接接头必须错开，错开的距离至少是焊接件壁厚的3倍，且不少于100 mm；当管径小于100 mm时，焊接接头至少要错开焊件周长的1/4。进行多层焊接时，各层间的接头应错开，错开间距至少12 mm。

在焊接作业点正下方，铺设防火毯，并使用接火盆，防止焊接火花飞溅。在焊接水平环焊缝之前，应使用防火毯将焊缝下侧管道、管件进行遮盖，防止被焊接飞溅、熔渣污染。

焊接完毕后，应进行自检。焊缝表面不得存在熔渣、夹渣、飞溅、裂纹、低于母材、气孔、未熔合、咬边等缺陷；焊缝表面凹陷、咬边深度不得大于0.5 mm，且连续长度不得大于100 mm，其总长度不应大于焊缝长度的10%。双相不锈钢、镍基合金钢在焊接完毕后，需要对焊缝进行100%PMI（含量分析） 和FT（铁素体检测）。

2.2.5 热处理

热处理测温点布置、升降温速率、恒温温度、恒温时间应满足PWHT工艺卡的要求。

在进行热处理作业时，应降低因周围环境因素造成的影响，且热处理管段两端应进行封堵，避免穿堂风造成温度散失过快。当在室外或者装置区域内进行热处理作业时，应搭设相应的防护棚、增加保温长度、延长保温时间，降低因环境温度过低而影响热处理效果。在热处理完毕后及时进行硬度检测。

3 管道预制和存储

3.1 预制

由于当地冬季气温较低、时间漫长、积雪较多，因此管道的预制需要在封闭厂房内进行，包括管道下料、坡口加工、组对、焊接、喷砂、喷漆，厂房内使用热风炮进行持续加热、通风，以保证室内温度高于5℃。

本工程在距离场外5 km处，租用3 200 m2厂房2处，1 600 m2厂房3处，用于工艺管道的预制；规划2处1 200 m2防腐厂，并分别搭设750 m2喷漆房2处；规划10×104m2场地用于材料堆放。

按照图纸进行预制，每道焊缝均按照图纸号、焊口号、组对班组、焊工号、焊接日期、材质、炉批号、焊接质检员、油漆种类进行标识，并使用带有管段钢印号铭牌进行挂牌标识。区域技术员、工艺质检员、班组负责人，每天进行预制管段号检查、确认、登记。预制管段在由预制场向临时堆放场地、防腐厂、堆场转运时，均进行管段转运交接、确认，确保其准确性。

为了提高管段预制的工作效率，组装了2套FPPPL-24Aa型管道高效切割带锯床，可进行DN50～600管道的切割；组装了5套EPEBM-24Aa型管道数控端面坡口机，可用于DN50～600管道坡口加工；组装了3套SPAWM-24Aa型分体式管道自动焊机，可进行DN50～600碳钢、低温钢、不锈钢焊缝的焊接。当焊接不锈钢焊缝时，需要在熔池内焊接完毕一层后，暂停焊接，让其自然冷却，以满足层间温度不高于100℃的要求。

为提升管道坡口制备、焊口组对的质量及效率，购置了30台便携式管道坡口机，用于DN89～350管道坡口制备。利用组焊平台、螺栓，自行制作管道组对固定装置，极大提高了管道组对的精确度和工作效率。

当管道壁厚＞8 mm时，利用手工焊接与自动焊接相结合的焊接工艺，1/3壁厚熔池采用手工焊接、填充，2/3壁厚熔池采用自动焊接进行后续填充、盖面，大大节约了焊接时间。准335mm×35mm的焊口，利用自动焊机仅用170 min即可完成焊接作业。在采用自动焊接过程中，焊缝熔池内的层间温度，可保持在400℃左右。在焊接低温钢、合金钢时，焊前利用丙烷进行火焰加热，采用自动焊接时，完全可以满足WPS层间温度的要求。在进行不锈钢焊接时，在焊接完毕一层时，应停止该焊接作业，使其自然冷却至100℃以下，同时可进行其他自动焊接设备焊接，进行循环焊接作业。

为了及时将当天焊接完毕的焊缝进行热处理，在各预制车间、材料堆放区共布置12台型号为WDK-12-360KW的12通道热处理设备，以满足焊缝预热、后热、热处理的需求。为了缓解热处理用电负荷，配备了9台450 kW、3台350 kW可移动式柴油发电机，以满足热处理需求。每天对热处理焊口进行统计，在热处理完毕后、RT检测前，进行硬度检测。

焊接完毕后，对需要进行热处理、RT检测的焊口采用不同色带进行标识，便于识别。在距离焊缝边缘200 mm的地方进行焊口信息标识，主要包括图纸号、焊口号、组对人员及日期、焊工代号及日期、质量检查员及日期、炉批号、材质，并绑扎带有管段号、焊口号、材质、油漆系统、施工队信息的钢印铭牌。

在预制场，按照每30名焊工配备1名焊接质检员的比例进行人员配置，焊接质检员对每道焊口的组对、焊接、焊后外观进行检查、签字，并核对焊口标识，当焊口需要进行预热、后热、热处理时，对其温度、时间、设备进行测量、检查。

3.2 防腐、存储

管段喷砂防腐之前，在管道内部进行标识移植、编号。在油漆喷涂完毕、验收合格后，及时在管道外侧进行管段号、材质、油漆种类标识移植，并将管道标识铭牌恢复悬挂。

管段均在室内进行喷砂除锈，验收合格后，将喷砂后的管段及时转移至喷漆房，时间间隔不得超过2 h。将搭设的喷漆房分割成若干独立区域，便于同时进行不同级别油漆的喷涂。为了保证喷漆室内温度高于15℃，在每个独立区域安装柴油热风炮及循环风管，提升室内温度。在管段喷砂或喷漆检查合格后，均使用压缩空气进行管道内部吹扫，检查合格后使用管帽将管口进行封堵。

管段转运至10×104m2堆场时，按照区域进行放置、登记、发放。由于俄罗斯冬季积雪较厚，需要在冬季之前对管道堆放场地进行平整、铺设石子，并碾压密实，并在上侧铺设300 mm×300 mm×2 000 mm木方，木方铺设行间距≤2 000 mm；在小管段堆放区，在木方上侧铺设平台用于存放；车辆行走道路均使用1 500 mm×4 500 mm×100 mm的混凝土预制板进行铺设。每天及时对管段堆放区进行积雪清扫，天气变暖时及时对积雪融水进行清理。

4 管道安装

4.1 安装防护

由于环境气温低，为了降低能量散失、降低投资成本，装置的布局较为密集，施工作业、材料摆放区域较为狭小。为了充分利用现场有效空间，在现场搭设库房、货架，将临时管段、预制短接、配件、支架进行摆放。所有的阀门、螺栓、垫片、仪表设备等，都放置在密闭的木箱或库房内，防止其被雪掩盖、损伤。

所有安装的仪表阀门，在安装后均在阀门上侧搭设防护平台，并铺设防雨布，使用夹心棉防雨布及土工布对阀体执行机构进行包裹。

所有管道在安装后均进行管口封堵，防止内部落入杂物、积雪。在管道、工艺设备安装后，及时进行正式支架、临时稳定支架的安装。

管道施工遵循先主管后分支、支架安装与管道同步的原则。在良好的气温条件下，进行管道的铺设、安装、焊接。由于冬季气温较低，倒链、吊带的强度、荷载有所降低，应保证管道安装有稳定的受力点，及时完成后续支架、管道的安装。

螺栓在安装前后均涂抹润滑油脂，避免长期在雨雪环境下产生锈蚀。法兰密封面应在配对安装前对其完好性、清洁度、垂直度、水平度进行检查，确保螺栓安装无阻碍。在安装后，及时进行螺栓安装、紧固，螺栓采取星形对称紧固，紧固完毕后在螺栓端部进行标识。

4.2 焊接、热处理防护

当地5月下旬至10月最低温度高于0℃，属于施工黄金期；11月初气温降至0℃以下，在现场进行安装作业时，需要采取相应的防护、加热、保温措施。

在现场进行焊接作业时，环境温度、湿度、风速应满足焊接要求，不得对焊接质量造成影响。当风速、湿度、温度超过要求时，应采取相应防风、防雨、防雪、加热保温措施。

现场多层钢结构布局，一般一层为机泵动设备，二层为换热设备，楼层面为波纹板与混凝土复合结构。使用夹心棉防雨布将第一层以下四周全面进行遮挡，并使用350kW柴油加热风炮、通风管道进行持续加热，保证内部作业温度不低于5℃。在内部提供充足的照明，便于安装、焊接、简单预制。

在室外进行安装、焊接时，使用夹心棉防雨布搭设密闭防护棚，在下侧铺设防火毯、土工布，在地面层使用200 kW柴油加热风炮进行持续加热，在高空使用200 kW电加热风炮进行持续加热，并在焊接前使用丙烷对焊缝两侧各≥500 mm范围内进行加热，确保其表面无水汽，降低环境因素对焊接质量的影响。

在现场进行热处理时，利用现有的焊接防护棚，在焊接完毕后立即进行热处理，确保其不受环境的影响。根据现场作业点的需求，布置14台WDK-12-360 kW的12通道热处理设备，并为其配备专项配电箱。

4.3 无损检测

每天利用晚上10时至次日早上6时的有效时间，安排11个班组进行射线检测（RT），确保当天焊接完毕的焊口按照设计给定比例进行检测。由于俄罗斯对放射性材料控制极其严格，故使用RT、UT（超声波检测） 相结合的方法对不同管径、壁厚焊口进行检测。当天检测完毕的焊口，在第二天上午10时之前给出正式检测结果。施工班组必须安排人员优先进行焊口返修。FT（铁素体检测）、PMI（元素含量分析）、HT（硬度检测） 均在当天接收到委托单后安排专业检测人员进行，并及时反馈检测结果。

5 管道压力测试、吹扫

根据不同的介质系统和压力情况，将整个DCC项目的工艺管道划分为2 352个试压包（包含目视检查试验包、压力试验包），压力试验介质有压缩空气、水、液体（水+乙二醇混合物），最高试验压力28.49 MPa。适用于气压试验的管道系统：燃料气、轻烃排放、重烃排放；不能使用乙二醇进行压力试验的管道系统：胺液、氨、冲洗油、燃料气、工业油、锅炉给水、排污、低压蒸汽凝结水、过热低压蒸汽、低压蒸汽、高压蒸汽、骤冷水、脱盐水、热循环水、氮气/液、仪表风、工艺空气等。所有试压包的压力试验时间不得低于80 min，当压力表值达到试验值或达到设计压力值，需要稳压30 min进行全线检查。

当环境温度低于5℃时，不得使用水作为介质进行水压试验，需要使用乙二醇与水的混合物进行水压试压，或者使用压缩空气进行气压试验，以适用俄罗斯冬季气温特点。根据厂家推荐，乙二醇∶水 （ 质量比） 分别为 65∶35、60∶30、54∶46时，其混合液冰点分别为-65、-54、-44℃。根据水压试验压力值和系统情况，配备12台JT4DSY-30/63型电动试验泵，8台手动试压泵。

根据不同试压包的管段长度，在装置外搭设200 m2的保温棚，并使用350 kW柴油加热风炮进行持续加热，维持室内温度不低于10℃。使用350 kW柴油加热风炮对试压用水或混合液进行加热，确保压力试验介质温度不低于5℃且不高于40℃。将可拆除管段的试压包放置在室内，利用水或混合液体进行压力试验。

当管段无法拆除而需在现场进行压力试验时，利用加热风炮对试压介质及试压泵进行加热。在压力试验最高处安装压力表的位置，搭设保温防护棚，并使用200 kW电加热风炮对部分管段持续加热。

压力试验完毕后，立即进行试压介质的排放，并使用容器进行搜集，不得随意排放。试压包所有管道，必须在当天吹扫完毕，吹扫所用压缩空气压力不得低于1 MPa。

利用压缩空气进行气压试验时，需要对试压管道30 m范围内的作业人员进行清场，并悬挂显著警示标识，试验只能在白天进行，在光线不好的地方要增加照明。泄漏性检查人员不得少于2人，且在检查过程中不得敲击管道。当发生泄漏时，不得带压处理泄漏点。气压试验时，试压压力值应以不大于5%的速率进行缓慢升压或降压，且在升压过程中分阶段进行稳压。

6 现场除锈防腐

在现场进行管道局部除锈作业时，均采用手工机械除锈，除锈等级达到ST3，露出金属光泽。在进行管道局部油漆修复、补涂时，应根据环境温度选择不同适用温度范围的油漆。当环境温度高于5℃时，正常进行涂刷油漆。当环境温度低于5℃时，需要在现场搭设保温棚，将作业区域封闭，并使用电加热风炮、循环风管进行加热，可选用普通油漆进行涂刷；或采用可耐-30℃的耐低温油漆进行现场油漆涂刷。现场进行油漆补涂作业完成后，应对其表面进行遮盖防护，防止油漆未表干时被积雪、雨水破坏。

7 结束语

通过采取工厂化预制、自动化焊接、保温防护、优化压力试验等技术措施，克服了俄罗斯冬季极端寒冷天气对工艺管道施工的影响，保证了工艺管道预制、安装施工顺利进行。经过17个月的努力拼搏，战胜了俄罗斯的极端天气，完成了工艺管道的预制、焊接、安装、压力试验工作，顺利实现项目的施工、质量和经济目标。