长输管道换管修复技术关键问题分析

杨雄伟

（国家管网集团西部管道有限责任公司乌鲁木齐应急抢险中心，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

管道服役期间因施工、环境和第三方活动，可能产生腐蚀、裂纹、机械损伤等管体缺陷，甚至造成管道泄漏、断裂失效事故[1]。2009年12月30日兰郑长输成品油管道渭南支线发生柴油泄漏，约1500m3柴油流入黄河造成严重污染。换管修复是管道日常管理和完整性管理的重要组成部分。换管适用于所有缺陷类型及泄漏的修复。特别是应用于管道断裂、大量油气泄漏的情形，不能采用堵漏夹具等修复技术。由于X80高钢级管道广泛应用，对换管修复技术数字化、智能化、效率和施工质量提出更高要求。为指导管道企业科学高效开展换管修复，阐述了管道换管技术中关键问题的先进实践做法，有助于提高我国管道抢修技术水平。

1 管道换管修复技术需求和发展趋势

管道换管修复应编制技术方案，替换管段承压能力应不低于待修复管道的设计能力。换管长度不小于2倍管径，且不少于150mm。换管修复可选择停输换管和不停输换管，不停输换管一般通过带压封堵方式实现。施工期间避免管道运行出现剧烈压力波动，禁止施工期间进行清管、内涂或内检测作业，不停输封堵施工前应降压运行。施工前进行风险识别，制定风险减缓控制措施。施工现场设置危险地区、限制出入区、禁入区等标识，施工区域50m范围内设置警戒线。施工现场配备便携式消防设施保持消防通道畅通。动火作业期间，如检测道可燃气体，应停止动火作业，采取强制通风措施，直至检测可燃气体浓度合格，方可继续动火作业。施工人员正确适用防护服、安全帽、防护眼镜、手套、工作鞋等劳动防护用品。施工现场有影响人员健康的粉尘、噪声、有害气体时，应采取特殊防护措施。清理和妥善处置施工过程中产生的废弃物，包括泄漏油品、清除的旧防腐层。施工造成的土地、植被等地貌、地表破坏，按照设计要求恢复。

随着智慧化管道发展趋势，管道换管修复技术也提出数字化和智能化需求，核心是搭建管道换管修复智能平台，整合管道运行维护数据和焊接修复参数，实现对管道换管抢修的远程自动控制。其技术路线是在管道发生事故后，根据失效类型和油气泄漏量，整合人员和资源配置，分析处理换管修复各个环节信息转化为可量化的数据，建立数学模型制定科学、优化技术方案。针对换管施工中管沟开挖、钢管切割吊装、组对焊接和检测，实时自动采集数据参数，借助专家辅助决策系统完成操作纠偏和校正，保证操作规范和施工质量。

2 管道换管工作流程分析

管道换管修复典型工作流程是关闭线路截断阀、管段放空、氮气置换管内介质、可燃气体检测、管段切割、封堵隔离、新管组对焊接、焊缝检测、防腐补口、管内介质置换升压、管沟回填和地貌恢复。限于偏于仅针对关键环节介绍国内外先进实践做法。

（1）换管管段通过干线放空阀排出，在放空立管处点火。通过控制放空阀开度调整火焰大小，降低对周边环境的影响；

（2）氮气置换过程重点控制氮气温度、注入速率，每5min检测管段出口气体组分含量，如O2小于2%、大于N298%且可燃气体浓度低于爆炸下限20%认为置换合格；

（3）管沟开挖避免对管道造成机械损伤，先人工开挖确定管道位置，再机械开挖拓宽。管沟开挖应做好防塌方和临边防护措施，管沟预留逃生通道；

（4）切割管道吊运应关注管段两端受力平衡问题，第一道切口后不能直接吊运，再增加一道切口后再吊运。借助管道换管修复智能平台，测定管道应力分布以及预测断管后应力衰变规律，精准控制切管机操作过程，降低断管应力瞬间释放风险，消除强力组对影响焊接质量；

（5）新管测量下管由于人工测量不可避免偏差，特别是有弯头、三通异性管件情形。使用激光扫描仪准确测定断管管口数据，上传至管道换管修复智能平台的计算软件，远程监控切管机测量下管过程，解决切割后打磨工作量较大的问题；

（6）管口组对精度决定焊接质量，采用强力外对口器存在人为因素影响且耗费时间，应在根焊完成不少于50%圆周再拆卸，避免根焊位置承受过大应力。管口组对数字化、智能化是未来发展趋势，但应解决管道附加载荷、管体平直度/不圆度和壁厚差异化等问题；

（7）管道换管修复的焊缝射线检测或超声检测，审核员验证数字胶片确定缺陷，评价结论取决于审核员能力水平。借助管道换管修复智能平台的专家辅助系统提升检测评价权威性；

（8）焊口检测合格后进行防腐补口。预计未来3LPE防腐层仍是长输管道应用主要型式，通过完善热收缩套/环氧底漆长期抗阴极剥离的测试检定标准，解决热收缩套对施工条件和质量要求高的需求，解决聚乙烯层与环氧粉末底层粘接失效以及热收缩套屏蔽阴极保护电流。

3 管道换管切割技术

机械切割和火焰切割应用最广泛，水射流、等离子和聚能爆破等特种切割技术应用较少。机械切割主要考虑安全性和操作方便，不停输换管或作业环境有可燃气体时应采用机械切割方式，以及第一道口应采用机械切割方式。采用火焰切割方式，管内介质应用氮气或惰性气体置换，确认管内无可燃气体或烃类积液，火焰切割应考虑对坡口性能和残余应力的影响。

大口径管道（中俄东线管径1422mm）应解决切割速率和效率问题[2]，国内ZYQ 2600切管机可切割X70钢级管道，切割厚度22mm，运行速率80mm/min，对标德国Baner火焰切割机，运行速率1905mm/min，适用管径6095mm。高钢级管道采用火焰切割技术更易氧化产生脆硬层，对断管破口性能影响更大。高钢级管道切割应解决切割前表面清洁处理、预热、切口与焊缝距离以及切割后打磨处理，切割前预热应满足50～100℃，切口与焊缝距离不小于200mm，火焰切割管件钝边打磨深度应满足0.5～3.0mm。

4 管道隔离封堵技术

国内管道企业主要应用塞式封堵器和挡板-囊氏封堵器，断管后，应对管口进行清理，采取气囊、黄油墙等隔离措施，隔离处距管口不小于300mm。通过借鉴美国TDW公司产品，具备最大管径1219mm、最大操作压力12MPa管道不停输封堵抢修能力。美国TDW公司代表性产品2600型开孔机，最大满足罐体开孔直径2500mm，最大操作压力15MPa，管道运行流速不低于9.2m/s。不停输封堵技术需解决的问题包括进一步提高封堵器密封性能以及开孔精度和效率，延长筒刀使用寿命。

5 管道换管修复焊接技术

替换管段与待修复管道应采用对接环焊缝焊接工艺，组对可使用管道联接器，调整端部径向圆周螺栓至管道联接器与被修复管道圆周间隙均匀。管道组对焊接执行国家标准GB/T 31032-2014《钢质管道焊接及验收》，焊缝射线、超声波检测执行行业标准SY/T 4109-2013《石油天然气管道无损检测》。相对长输管道采用全自动焊工艺，管道换管修复采用手工氩弧根焊和半自动填充焊，焊接质量效率偏低，国外已有X80管道采用自动焊设备焊接B型套筒的案例，焊缝性能满足工艺要求，且焊缝成型和效率优于手工焊。管道换管修复需要解决的主要问题是管道存在变形或椭圆度较大时，焊口组对精度需进一步提高；修复套管、开孔三通等大壁厚管件焊接工艺。管道换管修复焊接发展趋势是全自动焊接工艺，焊接过程数据采集、传输和自动优化调整，进一步提高焊接质量和效率。

管口剩磁可能造成引弧困难、燃烧不稳定或焊缝成型差的问题，借助管道换管修复智能平台准确掌握管口间磁场分布规律，焊接前进行局部精准消磁，管口磁场强度应小于3mT；焊接过程中精准控制加热温度和热输入量，防止焊接热影响区冲击韧性离散问题。

6 结语

管道换管修复的发展趋势是建立涵盖专家辅助决策系统的智能化平台，实现对管道数据、知识、技能、经验和标准规范的高度融合，全面应用自动焊工艺，实现对管道切割、吊运、下管、组对、消磁以及焊接过程的自动感知、预测、控制和处理，平台控制系统实现持续改进优化方便操作监视等，保证管道换管修复时效性和施工质量。