长输管道B型套筒修复关键技术问题探讨

李 勇 解 静 牛志勇 李峰宜

（1. 中油国际管道有限公司中哈天然气管道项目，北京 100029；2. 中国石油长庆油田分公司伴生气综合利用项目部，陕西 西安 710016；3. 中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4. 国家石油天然气管网集团有限公司山东省分公司德州作业区，山东 德州 253000）

0 引言

管道建设运行中因土壤环境、施工和第三方活动，管道产生外腐蚀、裂纹缺陷和机械损伤，甚至发生大量泄漏和失效断裂[1]。2009年12月30日中石油兰郑长成品油管道支线发生油品泄漏，约1400m3油品流入黄河造成环境污染。缺陷修复是管道管理维护的重要内容。随着X80高钢级管道建设，对管道修复技术质量、性能和效率提出更高要求，例如修复较长缺陷、大面积腐蚀、应力集中和环焊缝缺陷，降低管道正常输送影响和动火作业风险。

管道焊接类修复技术如堆焊、补板适用X60低钢级管道的腐蚀和浅裂纹，不适用高压力、高钢级管道。换管主要应用于管道断裂、大量泄漏事故。非焊接修复技术如环氧钢套筒不适用环焊缝缺陷，复合材料修复存在粘接产品性能质量不稳定问题。B型套筒在应用于大面积腐蚀、环焊缝和油气泄漏修复具有优越性，成本仅为换管10%，只需适当降压、降低输量，对管道正常输送影响小。为指导管道企业科学高效开展管道修复工作，研究国内外B型套筒修复技术先进实践做法，有助于提高我国管道维修和管理技术水平。

1 B型套筒设计原理及要求

A/B型套筒指覆盖在管道缺陷处的一对半圆形钢质护板，经纵向对接焊缝焊接组合而成。A型套筒无需焊接在管道上，是非承压套筒，可为缺陷提供补强性能，但对管道轴向应力无影响；B型套筒末端以环向角焊缝方式固定在管道上，是承压套筒，能承受管道侧向载荷产生的轴向应力。A型套筒是管道无泄漏损伤部位的加强件，用于相对短的缺陷修复，不能用于修复环向缺陷和泄漏，在掌握缺陷损伤机理和发展规律后采用。B型套筒适用修复缺陷类型广泛，包括内/外腐蚀、裂纹、机械损伤、焊缝、划伤、金属损失、夹渣、分层和凹陷，特别是用于泄漏修复，套筒可承受管道内压和轴向应力，属于高可靠性永久修复。

A/B型套筒几何尺寸设计应根据管道缺陷形状，保证套筒与缺陷区域紧密贴合。如覆盖区域管道有螺旋焊缝，应打磨消除焊缝余高，套筒预制凹槽，凹槽置于焊缝上，增强套筒与管体紧密度。套筒长度不小于150mm，套筒末端距离缺陷外侧边界不小于50mm。

2 传统B型套筒工程应用情况

A型套筒安装应采取预先加热方法，或者在管道与套筒间隙充填环氧树脂材料提高压实度。A型套筒与管壁之间可能存在间隙，屏蔽阴极保护电流发生腐蚀风险，套筒两端应采取密封措施保证套筒与管道之间的电连续性。

B型套筒修复应执行在役管道焊接安全要求，管道运行压力应降至焊接工艺评估的安全压力值，施工时操作压力不大于0.8倍最大允许操作压力。采用B型套筒安装前对安装位置进行清理，焊道应打磨至与母材平整。测试角焊缝处椭圆度和厚壁，应满足焊接工艺要求。安装后套筒角焊缝和管道环焊缝距离不小于D（D为管道直径），并不少于150mm；相邻套筒的角焊缝距离不应小于1/2D；套筒与管壁间隙不超过2.5mm。B型套筒厚度大于1.4倍管道壁厚，套筒与管道连接角焊缝的焊脚高度和宽度不应小于1.4倍管道壁厚；B型套筒厚度小于1.4倍管道壁厚，焊脚高度和宽度应为B型套筒壁厚与组对间隙之和。B型套筒对接焊缝和角焊缝应全焊透，并采用磁粉或渗透等无损检测方法进行探伤，表面无裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。如单个B型套筒不满足管道修复长度，可在B型套筒串联部位安装环形垫板，使用对焊方法连接两个B型套筒，或者用稍大的B型套筒连接两个管道的B型套筒[2]。

3 高钢级管道B型套筒研究进展

B型套筒广泛应用于管道环焊缝缺陷修复，材质是Q345R、标准屈服强度345MPa，但应用于X80以上高钢级管道存在诸多问题：套筒几何尺寸不合理。套筒设计壁厚大，焊接质量难以保证，易存在残余应力和角焊缝开裂倾向。根据GB/T 36701-2018《埋地钢质管道罐体缺陷修复指南》规定B型套筒应大于管径2倍，以管径1219mm为例，套筒长度约2.5m，重量3t，对于套筒设计、选用和焊接造成困难。近年来国内外开展X80钢级管道环焊缝修复B型套筒的几何尺寸优化设计、焊接工艺条件和无损检测方法研究。

3.1 几何尺寸优化设计

套筒长度设计考虑降低角焊缝应力水平，避开环焊缝和角焊缝焊接热影响区。研究表明在弯曲载荷作用下，套筒长度越长，角焊缝应力越大。根据ASME压力容器协会推荐角焊缝宽度值上，提出套筒长度公式（1）。B型套筒长度不超过600mm，低于GB/T 36701推荐值。

式中L为套筒长度，m；t管道壁厚，mm；G套筒与管体之间的间隙，mm。

B型套筒壁厚应满足环焊缝泄漏时套筒机械强度和完整性，研究表明超过设计壁厚，角焊缝应力水平显著提高。对于X80钢级管道不推荐增加设计壁厚，可能降低套筒修复安全性。

标准推荐套筒与管道间隙不超过2.5mm，但对与X80钢级大口径管道，间隙过小存在焊接强力组对；间隙也不宜过大，会增加焊接工作量和角焊缝应力。研究表明，在弯曲载荷下安装间隙在6mm以下，角焊缝应力水平变化不大。B型套筒安装间隙应考虑钢管偏差、和安装焊接要求，控制在0～5mm的合理范围内。

3.2 加工工艺

推荐采用冷加工工艺，套筒成型后进行600℃、2.5h回火消除应力。以X70管线钢制造套筒，控制关键合金元素含量，套筒碳当量不高于管道碳当量。X70钢级套筒屈服强度和抗拉强度不低于485MPa和570MPa。新型B型套筒安装间隙不超过5mm，轴向错位不超过2mm，钝边间距不超过7mm，实现X80高钢级管道专用套筒轻型化，较传统Q345R套筒重量降低约30%。X70钢级套筒应用于西气东输三线、中缅管道X80钢级管道环焊缝缺陷修复，X65钢级套筒应用于西气东输二线管道环焊缝缺陷修复。

3.3 焊接工艺

焊接工艺主要考虑角焊缝在役焊接要求，除避免“烧穿”、“氢致裂纹”问题，还应考虑管道压力及流速、预热温度、焊接方式、焊后热处理和焊材选用。

控制管道流速是预防氢致裂纹，结合GB/T 36701要求和工程实践经验，X80钢级管道套筒修复液体管道流速不超过4m/s，气体管道流速不超过7.5m/s。控制焊接压力是防止电弧烧穿管壁，GB/T 36701针对焊接压力设置过高，甚至存在超出设计压力的情形。提出X80钢级管道套筒修复焊接压力公式（1）。

式中p焊接压力，MPa；F设计系数；sσ屈服强度，MPa；t壁厚，mm；c焊缝熔深，mm。

GB/T 31032-2014《钢制管道焊接及验收》规定B型套筒角焊缝采用回火焊道技术。X70钢级焊材淬硬组织倾向大，推荐X80钢级管道套筒修复角焊缝根焊、盖面焊选择强度较低E5015焊材，降低硬度避免氢致开裂；填充焊选择强度较高的E5515焊材，保证角焊缝强度。该工艺可保证角焊缝盖面韩硬度小于260HV，避免氢致裂纹问题。

GB/T 36701规定在役管道焊接前预热应达到100～150℃，国内中频加热设备能力难以满足，西气东输三线（管径1219mm、壁厚18.4mm）在流速5m/s、中频加热期额定功率180kw条件下预热温度仅为80℃。研究表明X70钢级套筒焊接预热温度高于65℃即满足焊接要求。

GB/T 36701未规定B型套筒焊接后热处理要求。焊后热处理有利于改进焊缝机械性能和降低残余应力。推荐X70钢级套筒焊接完成后进行300℃、5h热处理工艺。

3.4 无损检测

国内B套筒修复角焊缝无损检测做法是在根焊和填充焊期间进行三次磁粉检测，但实际较少发现裂纹，原因在于角焊缝裂纹属于延迟裂纹，施工和检测期间还未形成。针对套筒角焊缝延迟开裂，考虑取消根焊和层间磁粉检测，增加焊后超声相控阵检测和48h后磁粉检测。

4 结语

B型套筒在消除、抑制管道腐蚀、泄漏和焊缝缺陷方面发挥重要作业，提升B型套筒修复质量是研究的焦点，特别是针对X80钢级管道环焊缝缺陷修复，应持续完善X70钢级套筒的性能检测和评价技术，例如基于应力/应变的含缺陷套筒角焊缝完整性评价技术，确定其长期服役可靠性。结合国内外B型套筒研究成果，应用于国家标准GB/T 36701修订改进焊接压力、套筒几何尺寸等条款内容，保证安全、环保、经济和高效实时开展管道修复作业。