输油气管道破断抢修技术.pdf

6 石油工程建设 2 0 1 1 年 6月 一 屈海利，何建设，宋花平，袁长友，崔 虹 中国人民解放军总后油料研究所，北京1 0 2 3 0 0 摘要 输油气管道破断后 必须停输抢修 ，抢修技 术分焊接和非焊接两种 。焊接抢修是永久性的抢 修方案 ．非焊接抢修是t l盏时性的抢修 方案。文章从焊接抢修的程序、焊接封堵三通和旁通三通的方 法、封堵焊接的要 求，非焊接抢修的程序、形状记 忆合金管接 头、斯特 劳勃管接头、槽头管接头、 制 式快装 管道等 方面进 行 了综述 。 关键 词 油 气管道 ；破 断 ；抢修 ；焊接 ； 中图分 类号 T E 9 7 3 ． 9 文献标识 码 A 管接 头 快装 管道 文章编号 1 0 0 1 2 2 0 6 2 0 1 1 0 3 0 0 0 6 0 4 0 弓 l 言 管道破断是指管道完全断开 ，或出现大长度 、 大 面积 的破裂 ，这 些 破 断事 故 常 常 是 由 于地 震 、 山体滑坡等 自然灾害以及施工不当等原因造成的。 这种事故不同于腐蚀 、钻孔盗油等泄漏 事故 ，后 者可在不停输 的状态下采用钢带拉 紧技 术 、快速 捆扎技术 、低压粘补技术 、管道修补器快速封堵 技术等进行抢修。 管道破断事故发生 时 ，由于管道断开或大面 积破 裂 。大 量 油 气 外泄 ，此 时 管道 必 须 停 输 。 由 于油气泄漏量大 ，实施抢修时必须特别注意安全 ， 同时尽可能降低对周 围环境的污染 。在 经济上 ， 由于停输会给石油公 司造成巨大的经济损失 ，甚 至会影响用户的生产生活 ，因此抢修 的 目标是尽 快恢 复生 产 。 1焊接抢 修 焊接抢修是对破断的管道切割后将新管道焊 接到 旧管道上 的抢修作业 ，焊接抢修适合对工期 要求不紧的场合 ，是永久性 的抢修。实施焊接抢 修时 ，首先要对施工现场进行清理 ．使之能够达 到焊接的安全要求 ；其次要对焊接的管道进行有 效封堵 ，防止封堵失效造成二次事故。 1 ． 1 封堵 焊接 抢修 的程序 封堵焊接抢 修的主要程序是 清理现场一开 挖作业坑道一手动割管 如果封堵器能够从管道 破断 V I 放入管道 则应先进行封堵 隔离 ，只在无 法封堵隔离时才先进行 割管 一封堵隔离一清洗 通风一管道焊接一 质量检 验一 防腐处理一验收试 运行一回填土正式运行 。 1 清理现场 。管道破断后，现场会跑冒出大 量的油气 ．必须对现场清理后方可进行下一步的工 作 。清理方法一般是先抽净地面积油 ，然后挖去含 油 的污 泥 ，最后 再 用 干 土 覆 盖 。在 整 个施 工 过程 中，应不断地用鼓风机吹散空气中的油蒸气。 2 开挖作业坑道 。作业坑 的尺寸一般 有如 下 规定 作业 坑的长度要视 现场需换 管道长度 而定 ， 一 般 比换管长度长 4 m，且作业点至隔墙 的距离一 般不小 于 1 ． 5 m 作业坑底最小宽度 D K 1 式 中 坑底最 小宽 度／ m； D 管道外 径／ m； K作业坑底宽度常规值／ m， 3． 2i n。 作业坑深度 H h1 h 2D 式中日 作业坑最小深度／ m； 通 常取 2 ． 6～ 2 管顶至地面的距离／ m； 厂 管底至坑底的距离／ m，h 2 ≥ 0 ． 7 m； D管道外径， m。 ． 另外 ，作业坑还有一定的坡 度要求 ，作业坑 羊 羊 羊 第 3 7卷第 3期 屈海利等 输油气管道破断抢修技术 7 两端应设 有 方便人员 上下 的安 全通道 。 3 手动割管 。用手动工具把断裂 的管头割 除，切割处要保证管道 的圆度。在保证安全的情况 下也 可使用 液 动割 管器 。切 割 时应 防止火 花 出现 。 须注意的是 ，只有当破断的管道由于破 口的原因无 法放入封堵器时。才先进行割管作业 ，否则必须先 进行封堵作业。 4 封堵隔离。把要焊接的管段与主体管道用 封堵器隔离开。封堵 的方法很多，有铁丝裹布、黄 泥墙 、挡板 、黄油墙 等封堵 隔 离方法 ，对 于向下倾 斜 的管段 ，也可采用水封。王闯川 等制作的黄油囊 油 气 隔离 装置在 东北 油气管 道 的动火施 工和 抢修 中 得到了广泛的应用，并收到了良好的效果。姚志祥[ 2 1 认为采用钙基质黄油封堵优于黄泥和锂基质黄油 ， 且 黄油墙距 离管 口应 3 0 c m 以上 。 5 清洗通风。采用通风设备 向管道 内吹风 ， 置换出油蒸气。清洗时应根据实际条件 ，可用水冲 洗。通过清洗通风 ，使管道内达到无油渍、无油蒸 气的要求 6 管道焊接。清洗通风后 ，检测管道 内以及 焊接现场的油蒸气的含量 ，符合动火作业标准时 ， 方 可进 行 管道 焊接 。换 接 的管 道应 与 原 管道 材 质 、 管 径 、 壁 厚 一 致 ，管 道 焊 接 应 符 合 S Y ／ T 4 1 0 3 2 0 0 6 钢制管道焊接及验收标准的技术要求。管 道焊 接现场应 有灭 火器 材 。 7 质量检测 。主要是检查焊缝质量 ，达到不 渗不漏 。应使 用无 损检测 方法对 焊缝 进行 检查 ，检 测方法应能检出焊缝缺陷，并便于对缺陷进行准确 定 性和定 量 。 8 防腐处理。根据管道敷设的不同情况，按 防腐要求 进行 防腐处理 。 9 验 收 试 运 行 。 会 同 有 关 人 员 按 照 S Y ／ T 4 1 0 3 2 0 0 6 钢制管道焊接及验收的要求进行检 查验 收 ，填 写验 收报告 ，整理技 术 资料 ，移交使 用 单位 投入试运 行 。 1 0 回填土 正式运 行 。当试运行 一切 正常后 ， 可进行 回填土，进入正式运行阶段。 1 ． 2 焊接封堵三通或旁通三通的方法 以上抢修方法由于对破断管道进行 了换管焊接 抢修，因此属于永久性的抢修方案 。但 由于这种抢 修方案需要对跑冒油地区进行现场清理，因此工期 较长 。为 了缩 短工期 ，可 否在远 离破 断点处 的管道 上采用焊接封堵三通和旁通三通 的方法进行抢修 呢如图 l 所示 ，在破断管道的两端远离跑冒油的 位 置 此处跑 冒油 的油蒸 气浓度 不足 以影 响带火作 业 分别焊接封堵三通和旁通三通 ，两个旁通三通 之间的管道可采用临时快装管道 ，也可采用永久焊 接 管道 1 ． 封堵 器；2 ． 封堵结合器 ；3 ． 封堵夹板阀 ；4 ． 封堵三通 5 ． 压力平衡短节 ；6 ． 抢修 、维修 、改造管段；7 ． 封堵头 8 ． 旁通三通 ；9 ． 旁通夹板 阀；l 0 ． 旁通 管道 图 1 管道 封堵标准工艺示意 8 【 I 3 封 堵焊接 的要 求 S Y ／ T 6 1 5 0 2 0 0 3 钢制管道封堵技术规程第 1部分塞式 、筒式封堵和第 2部分挡板～囊式封堵 分别规定了两种不同的封堵方式和封堵方法。其 中 第 1部分塞式 、筒式封堵更适合于带压封堵 ，第 2 郭分挡板一囊式封堵更适合于停输封堵。虽然挡 板一囊 式 封 堵 更 适 合 于 停 输 封 堵 ，但 在 标 准 条 文 中，更多的则是介绍带压封堵。不管是采用何种封 堵方式 ，S Y ／ T 6 1 5 0 2 0 0 3所 说的停输封堵不 同于 本文提出的破 断抢修封堵 。这是 因为 S Y ／ T 6 1 5 0 1 2 0 0 3所说 的停输 ，是在正常情况下的停输 ，而本 文提 出的停 输是 由于管 道破断 造成 大量油气 跑 冒事 故后 不得 已的停输 。前 者 的管道 内是充 满介 质 的 ， 后者的管道内只有部分介质。对于管道内只有部分 介质 的封 堵 方 法 ，S Y ／ T 6 1 5 0 2 0 0 3没 有 介 绍 。 即 使对 于正常停输封堵 ，S Y ／ T 6 1 5 0 2 0 0 3介绍 的操 作规程也不全面。 公认管道带压施焊压力是按公式 3 计算的 p 二 F 3 式 中 p 管道 允许带 压施 焊 的压 力／ MP a ； r ， 管 材 的最 小屈 服极 限／ MP a ； 焊接处管道实际壁厚／ m m； c 因焊接引起的壁厚修正量／ mm，通常 取 2 ． 4 mm D 管道外径／ mr n ； 8 石油工程建设 2 O l 1 年 6月 安全系数 ，原油 、成 品油管道取 0 ． 6 ， 天然气 、煤气管道取 0 ． 5 。 在 管道 流速方 面的要求 是 封堵管件 焊接 时管 道内液体流速不应大于 5 m ／ s ，气体流速不应大于 1 0 r n ／ s 。带压焊接所要求的管内压力以及流速是基 于以下两方面的原因，一是带压焊接过程中的局部 高温 ．会使材料局部失去强度 ，从而在内压作用下 发生 烧穿或爆 破 二是管 道 内流动 的介 质会 带走大 量的热量 ，加速了焊缝的冷却 ，从而增加了焊缝热 影 响 区 H e a t A f f e c t e d Z o n e ，H A Z 产 生 裂 纹 的可 能性或氢致开裂 ，给管道 的安全运行带来隐患。 从 S Y ／ T 6 1 5 0 2 0 0 3的要求来看 ，如要保证焊 接 的安全 ，似乎 管 内压力 和流 速越小 越好 。然而如 果管道内介质不流动 ，可能会在焊接处产生局部高 温。如果破断管道内没有充满介质时，这种局部高 温有可能引爆管内气体 ；如果破断管道是向下倾斜 的，管道 内充满介质 ，但由于油气 中含有的烃类在 一 定温度和压力下会分解，同样面临非常危险的情 况。H i c k s t3 等人认为管内为气体时 ，流速最好大 于 0 ． 3 9 6 2 4 m ／ s ，管 内为液体 时 ，流速最 好介 于 0 ． 3 9 6 2 4～1 ． 2 1 9 2 m ／ s 之 间 。 因此不 管 是 充满 介 质 的 ，还是非充满介质的，破断管道 的抢修都不适合 于采用 S Y ／ T 6 1 5 0 2 0 0 3所规定的封堵作业 。 2 非 焊接抢修 焊接抢修必须要对破断现场进行充分的处理 ， 使之 达到焊 接的安 全条件 方可进行 。因此必然 要耽 误许 多时 间 ，这种耽 搁 ，不仅会造 成各 相关单 位的 经济损失 ，有时还会影响用户的正常使用。所以在 管道破断后 ，如何能快速地恢复生产 ，就是管道抢 修公司首先应考虑的问题 。 非焊 接抢修 主要用 于临 时抢 修 ，用于管 道破断 后快速连通管道 ，尽量减少停输的时间，减少因停 输造成的经济损失和降低对用户的影响。非焊接抢 修 因为是临时措施 ，因此在管道连通完成后 ，清理 现场，再进行改道作业 ，使管道进入正常的输送模 式 。非焊接抢修措施主要是采用各种快装接头和快 装管道 ．快装接头有记忆合金管接头、斯特劳勃管 接头、槽头管接头等多种形式 ，快装管道一般是一 定长度的两端带有制式接头的钢管或复合材料管。 2 ． 1 非焊接抢修的程序 非焊接抢修由于无须动火 ，因此可在跑 冒油现 场未进行处理前进行 ，大大缩短了抢修时间。非焊 接抢修的主要程序是 开挖作业坑道一手动割管一 清理处理管端一安装管接头一连接快装管道一试运 行改 道 。 1 开挖作业坑道。作业坑道的长度、宽度和 深度一般视现场作业需要而定 。 2 手 动 割 管 。用 手 动 工 具 把 断 裂 的 管头 割 除 ，切割处要保证管道的圆度。在保证安全的情况 下也可使用液动割管器 。由于现场油气浓度较大 ， 切 割时应 防止火 花 出现 。 3 清理处理管端 。把管端的防腐层 、锈迹除 净 ，露出金属底色。根据管接头的形式对管端进行 处 理 。 4 安装管接头。把制式管接头安装到处理好 的管端上。选用的管接头承压能力应不小于管道的额 定工作压力。如确实无法满足压力要求 ，也可在试运 行期间降压运行 ，改道后再恢复原工作压力运行。 5 连接快装管道。在破断管道两端的管接头 之间连接快装管道。之所以要用快装管道，是由于 现场油气浓度很大 ，不能焊接管道。快装管道的承 压 能力应 不小 于管道 的额定 工作 压力 。 6 试运行。管道连接完毕 ，检查连接质量， 试运 行 。 当试 运 行正 常 后 ，就 可对 现场 进行 清 理 ， 然后采用改道作业方式 ，恢复管道正常输送模式。 2 ． 2 形状记忆合金管接头 形状记忆合金管接头是靠其在不同温度下呈现 出不同直径 的性能达到连接 的目的。其工 作原理 是 形状记忆合金管接头经扩孔后使之与连接管呈 较小间隙配合 ，然后将管接头加热到某一温度 相 变温度 A S 以上后 ，管接头的形状就向扩孔前的 形状恢复 即收缩而抱紧连接管 ，即完成连接。 形状记忆合金管接头具有连接方便 、耐腐蚀性好等 优点。 目前 ，研 究较为成熟 的是 T i N i 形状记忆合 金管接头。但 T i N i 合金价格昂贵 ，除了在航天、军 工等特殊领域有应用外，在一般领域的应用受到限 制。F e Mn S i 系形状记忆合金 ，是一种单程记忆效应 的合金 ，特别适合作管接头用，它具有成本低、强 度高、适合大批量生产的特点，有广阔的应用前景。 林成新f 4 1 等认为 F e 一 1 7 Mn 一 5 S i 一 1 0 C r 一 5 N i 合金 管接头的形状恢复率随着预变形量 的增加而降低 ， 最大可恢复应变出现在 4 ％ ～6 ％ 之间 ．预变形量 为 4 ． 5 ％～8 ％时管接头的紧固力较大 热一机械训 练可显著提高管接头的形状记忆效应和连接的紧固 第 3 7卷第 3期 屈海利等 输 油气管道破断抢修技术 9 力 ；管接头的形状记忆效应随着其壁厚的增大而降 低，管接头壁厚有一个合理的取值范围，可使其连 接 的紧固力较 大 ；管 接头 连接长 度越长 ，管接 头 的 紧 固力越 小 。 林成新[5 1 等还认为管接头的连接长度越长 ，管 接头连接组件的耐压密封性越好 管接头 的壁厚对 管接头连接组件耐压密封性的影响规律同管接头壁 厚对管接头紧固力的影响规律相似 ，有一个合理的 取值 范 围对 于所 测规格 尺寸 的管接 头 ，预变形 量 在 4 ．5 ％ ～8 ％ 时管 接头连 接组件 的耐压密 封性较好 热机械训练可以显著提高管接头的耐压密封性 ，且 只需一 次训练 就可 以达到较 为满 意的结 果 管 接头 的结构对管接头连接组件的耐压密封性影响很大 ， 管接头的结构不同，耐压密封性可以有几倍的差异。 万 家瑰闯将 自制 的粘 结剂 用 于铁基 形状 记忆 合 金 管接 头 的连接 ，并对 连接 副 的 密封 性 、耐 压性 、 抗拉 拔性进 行 了试 验 ，结果表 明其耐 压性 及抗拉 拔 性优 良。将 管接 头连接 用于现 场试验 ，成 功解决 了 环氧粉末内喷涂钢管在三元复合驱采油技术上的内 补 口问题 。 2 ． 3 斯特 劳勃 管接 头 斯 特劳勃 管接头 采用把 接头 上的牙 齿嵌入 管道 外壁的方式实现紧固，其密封依靠 自压式橡胶圈。 斯 特 劳 勃 管接 头 一 般 承受 的压 力 较 低 ，大 部 分 在 1 ． 6 MP a以下 ，小 M径的接头 能承受较高 的压力 。 同一种型号的斯特劳勃接头随着口径的增大，其耐 压能力也有所下降，因此应根据管道的工作压力或 降压运行时的管道压力选用合适 的斯特劳勃接头 。 同时 这种 接头 的性 能还 和 其是 否 承受 轴 向力 有 关 ， 因此选 用时应 特别注 意 。 2 ． 4槽 头管接 头 槽头 管接头 是利用 接头 卡住管壁 上 的沟槽 来实 现 连接 ，槽 头接头 内有 C型压敏 型密封垫 圈 。槽 头 接头的应用已有 8 O多年的历史。对于厚壁管 ，在壁 厚安全余量较大时，可以采取现场切槽的办法 ，利 用液压 驱动 或手工 切槽机 ，在 管端切 削 出与 接头 配 套 的 沟 槽 具 体 尺 寸 可 以 参 照 美 国 唯 特 利 V i c t a u l i c 槽头接头公司发布的标准 ，然后使用连 接器连接。2 0世纪 5 O年代中期，唯特利开发并推广 了滚沟技术，解决了薄壁管道无法现场开槽的难题。 滚沟技术的基本原理是薄壁管道通过设备在现场被 快速冷压成型，以生成带沟槽的管端。滚沟过程中， 不需要切除任何金属，凹槽处的管道材料在冷加工 过 程 中向 内发 生位移 ，因此 管道 强度不 受影 响 。切 槽和滚沟比焊接抢修能节省大量时间 ，对公称直径 2 0 3 mm和 3 0 5 mm 的管道 ，焊接抢 修一般 需要 十几 小时甚至数天。而切槽和滚沟一般只需要十几分钟。 ， ． 5 制式快装管道 非焊接抢修的主要 目的是尽快恢复生产，因此 如果 破断 的管道较 长 ，则破 断管道 的替换 管道就 宜 采 用具 有快 速接头 的制式 快装 管道 ，如军用 装配式 输 油管 。这 是 因 为 现场 不 允 许 采 用 传 统 的 钢 管焊 接 ，其次，这种抢修本身就是临时性的，这些抢修 管 道也应 是 临时 的 ，否则 在改道 管道建 成后 ，这些 临时管道的拆除也是很麻烦 的。如采用具有快速接 头的制式管道 ，则不仅能够方便快捷地铺设、连接 和拆 除 ，而且还 能反 复使用 。 3 结束语 焊接破断管道 的抢修应根据管道的运行条件选 择合适的抢修方式 。如果管道为非主要干道 ，允 许较长时间的停输 ，则可以选择焊接抢修方式如 果管道运输繁忙 ，停输将会造成重大经济损失，甚 至对 民众 生 活影 响较大 ，则最好 采用 非焊接 抢修方 式 。破 断 管道 的焊 接抢 修不 宜 采用 S Y ／ T 6 1 5 0 2 0 0 3规定的封堵方式。非焊接抢修应根据管道 的 工作压力选用合适的管接头 ，且两个管接头之间宜 选用快装管道连接。 参 考文献 [ 1 ] 王闯 ，高巍． 黄油囊油气隔离装置在 油气管道动火抢修 中的应用 阴． 管道技术与设备 ， 2 0 0 8 ， 4 6 2 ． [ 2 ]姚 志祥 ． 格一拉 输油 管道 泄漏 抢 修实 践I J ]． 管道 技术 与 设备 ， 1 9 9 9 ， 5 1 8 1 9 ． [ 3 ]Hi c k s D J ． G u i d e l i n e s f o r We l d i n g o n P r e s s u r i z e d P i p e [ J ] ． P i p e l i n e a n dG a s J o u r n a 1 ． 1 9 8 3 ， 2 1 0 3 1 7 1 9 ． [ 4 ]林 成新 ， 谷南驹 ， 赵连城． F e 一 1 7 Mn 一 5 S i 一 1 0 C r - 5 Ni 形状记忆合金 管接头恢复特性分析【 J 1 ． 河北工业大学学报， 2 0 0 1 ， 3 0 4 1 4 ． 林成新 ， 谷南驹 ， 赵连城． F e 一 1 7 Nu 一 5 S i l O C r ～ 5 N i 形状记忆合金 管接头性能分析『 J ] ． 材料工程 ， 2 0 0 1 ， 1 1 2 1 2 4 ， 1 6 ． [ 6 ]万家瑰 ， 林柏松． 铁基形状记忆合金管接头在油 田管道连接 中的 应用[ J 】 ． 润滑与密封 ， 2 0 0 9 ， 3 4 7 9 4 9 6 ， 1 0 1 ． [ 7 ]彭善碧 ， 廖柯熹 ， 李长俊 ， 等． 应用模糊评判法确定原油管道最佳 抢险方 案f J ] ． 石油工程建设 ， 2 0 0 5 ， 6 6 - 8 ． 作者 简介 屈海利 1 9 6 8 一 ，男，安徽宿 州人 ，高级工程 师 ，1 9 9 5年毕业于中国石油大学 北京 ，现从 事野战输油 管道 及 输 油 泵 机 组 的研 究 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 2 4