中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司

在役管道開(kāi)孔三通焊接是油氣管道帶壓開(kāi)孔封堵作業(yè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節。目前，國內外關(guān)于在役管道開(kāi)孔三通焊接質(zhì)量缺乏專(zhuān)門(mén)的技術(shù)標準，焊接質(zhì)量關(guān)鍵影響因素有待深入探討。本文就中外標準對在役管道開(kāi)孔三通焊接質(zhì)量的相關(guān)要求進(jìn)行對比，并對一些差異點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行討論分析，以提高管道維搶修行業(yè)的施工作業(yè)能力和質(zhì)量安全。

1 在役管道開(kāi)孔三通焊接的焊腳尺寸

焊腳尺寸關(guān)系到開(kāi)孔三通的結構強度與承壓能力。在2002年第4屆國際管道大會(huì )上， M.J.Rosenfeld和Rick Baldwin提交的《開(kāi)孔三通角焊縫形式評估》，回顧了在役管道開(kāi)孔三通焊接角焊縫形式的歷史沿革，并提出角焊縫焊腳尺寸最小為1.0倍的主管壁厚與組對間隙之和，最大為1.4倍的主管壁厚與組對間隙之和的理論數據。

ASME B31.8中規定，開(kāi)孔三通端部角焊縫焊腳尺寸為（1.0～1.4）倍管道壁厚加三通與管道組對間隙，端部角焊縫焊腳尺寸最大值為1.4倍三通護板的厚度加三通與管道組對間隙（圖 1）。

ASME PCC-2《壓力設備與壓力管道的維修》規定“套袖壁厚小于等于1.4倍管道壁厚的，采用滿(mǎn)焊腳焊縫”“套袖壁厚大于1.4倍管道壁厚的，套袖末端以大約45度打磨至1.4倍的管道壁厚與組對間隙之和”。

國內技術(shù)標準GB/T 28055―2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規范》也是采用焊腳尺寸為1.4倍管道壁厚標準。在現場(chǎng)作業(yè)時(shí)，針對不同等級的管道與三通焊接，環(huán)向角焊縫的焊腳尺寸是有區別的。以中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司為例，考慮到常用三通護板材質(zhì)為Q345R，對于管道材質(zhì)為X70及以上鋼級的在役管道，環(huán)向角焊縫焊腳尺寸為2.0倍的運行管道壁厚，其他的環(huán)向角焊縫焊腳尺寸為1.4倍的在役管道壁厚。與國外標準對焊腳尺寸的要求相比， 我們實(shí)際作業(yè)中采用較大較保守的焊腳尺寸的出發(fā)點(diǎn)是為了保障安全性，但是實(shí)際中可能會(huì )因為角焊縫尺寸過(guò)大，反而引起應力集中。國外標準對焊腳尺寸的要求多是針對材質(zhì)等級為X70以下的運行管道，在材料方面有其局限性。綜上，應著(zhù)重對X70、 X80等高鋼級在役管道開(kāi)孔三通焊腳尺寸進(jìn)行研究和論證，從安全、質(zhì)量、成本等多方面綜合考慮，確保高鋼級在役管道維搶修的安全。

2 在役管道焊接時(shí)管內的介質(zhì)流速

API 2201《石油石化行業(yè)帶壓開(kāi)孔安全做法》指明，“壁厚小于6.4 mm時(shí)，焊接時(shí)保持介質(zhì)流速需考慮降低熔穿與減少裂紋之間的平衡”“壁厚在6.4 mm與12.7 mm之間時(shí)，應盡量降低流速以助于減少裂紋與避免熔穿”“當壁厚大于12.7 mm時(shí)，流速的影響可以忽略不計”。

殼牌DEP 31.38.60.10《帶壓開(kāi)孔》要求，“除非能夠確認焊接時(shí)不會(huì )產(chǎn)生易燃易爆混合物（即無(wú)氧氣混入），否則不能在無(wú)流速（0 m/s）或間斷流動(dòng)的管道上焊接”，如果確實(shí)需要焊接，應該“保持最低0.4 m/s的吹掃流速”。同時(shí)該標準要求，液體管道焊接時(shí)最大流速為1.75 m/s，氣體管道無(wú)最大流速限制。

GB/T 28055―2011要求開(kāi)孔三通焊接時(shí)，“管道內液體流速不應大于5 m/s，氣體流速不應大于10 m/s”。

綜上可看出，各標準對在役管道焊接時(shí)管道內介質(zhì)流速的范圍規定存在較大的差異，而管道內介質(zhì)流速是焊接過(guò)程產(chǎn)生氫致裂紋的關(guān)鍵因素之一。焊接時(shí)應嚴格監控介質(zhì)流速與焊接熱輸入量的相關(guān)數據，通過(guò)試驗研究和模擬分析來(lái)確定合理的介質(zhì)流速范圍，保持介質(zhì)流速、降低熔穿與減少裂紋之間的平衡。

3 在役管道焊接時(shí)剩余壁厚與可焊壓力

3.1 在役管道最小可焊壁厚

API 2201―2003《石油石化行業(yè)帶壓開(kāi)孔安全做法》建議對絕大多數焊接或開(kāi)孔作業(yè)，“管道或容器剩余壁厚不低于4.8 mm”，實(shí)際壁厚應滿(mǎn)足承壓要求再加上安全裕度（一般是2.4 mm）；當專(zhuān)業(yè)分析許可時(shí)，此建議可被突破。

BS 6990《在帶介質(zhì)或其殘留物的鋼制管道上施焊建議》，對于“屈服強度不大于450 MPa、運行溫度不高于350℃、運行環(huán)向應力不大于72%最小屈服強度的管道，焊接時(shí)要求最小壁厚為5 mm，以避免熔穿”。 EEMUA 185《管道及設備帶壓開(kāi)孔指南》引用采納本條款。

3.2 在役管道最大可焊壓力計算公式

國際標準都以薄壁圓筒承內壓計算公式為基礎計算現場(chǎng)情況下的最大可焊壓力，用以防止熔穿的發(fā)生。

（1）殼牌DEP31.38.60.10 中列出在役管道焊接的最大可焊壓力計算公式（1）：

其中：

P―現場(chǎng)最大可焊壓力， MPa；

S―最小屈服應力（站外管道）或基本許用應力（站內管道）， MPa；

D―管道外徑， mm；

ta―現場(chǎng)實(shí)測壁厚， mm；

u―焊接導致的壁厚減薄即熔池深度， mm （根據標準附錄C、 D確定，或保守取3 mm）；

F ―站外管道安全系數，等于設計系數（最大取0.8）；

E―直焊縫接頭系數（對ISO3183或API 5L標準管取1）；

T―溫降系數（根據預估管壁背面溫度取值，見(jiàn)標準中表 1）。

（2） SY/T 6150.1―2017《鋼質(zhì)管道封堵技術(shù)規程 第1部分：塞式、筒式封堵》中，對管道允許帶壓施焊的計算公式（2）規定如下：

其中：

P―管道允許帶壓施焊的壓力， MPa；

σs―管材的最小屈服極限，MPa；

t―焊接處管道實(shí)際壁厚，mm；

c―因焊接引起的壁厚修正量，mm（通常取2.4mm）；

D一管道外徑，mm；

F一安全系數（原油、成品油管道取0.6，天然氣、煤氣管道取0.5）。

（3）GB/T 28055-2011中提出，在役管道焊接時(shí)，管道允許的壓力應滿(mǎn)足式（3）要求：

式中各參數含義與行標公式一致， c（修正量）和F（安全系數）的取值則按表 1、表 2。

  

從上述比對可以看出，焊接時(shí)如何避免熔穿、保證安全得到了各標準的廣泛重視，并相應地對焊接時(shí)最小剩余壁厚做出了規定，對應用公式法對實(shí)測壁厚下的最大可焊壓力計算也形成了共識。前述公式在結構上保持了一致，只是在壁厚減薄、溫降系數等方面取值略有不同。在行業(yè)實(shí)踐中，大部分企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始采用公式法確定可焊壓力以保障焊接安全，海外相關(guān)工程也得到了各業(yè)主單位的認同。但Q/SY 64―2012《油氣管道動(dòng)火規范》和Q/SY GD1039―2014《油氣管道動(dòng)火手冊》中則硬性規定了降壓至40%或50%的管道允許使用壓力，降壓對管道正常運行造成了干擾，限制了在役管道焊接操作的實(shí)施，使得許多油氣管道維修改造不得不采取停輸大放空的方式，造成對社會(huì )資源的浪費以及環(huán)境污染。中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司總結了薄壁高壓在役管道焊接安全評估和施工經(jīng)驗，已多次成功實(shí)施4 mm以下壁厚管道的在役焊接作業(yè)。

筆者認為，在充分評估管道腐蝕程度或實(shí)地測量管道壁厚的情況下，選擇適用的計算公式計算可焊壓力，或經(jīng)過(guò)試驗驗證和科學(xué)的安全評估是可以保證焊接質(zhì)量的。

4 焊接后開(kāi)孔三通試壓壓力計算

開(kāi)孔作業(yè)實(shí)施前需要對焊接后的開(kāi)孔三通進(jìn)行試壓，以檢驗焊縫的嚴密性。試壓一般應包括強度試壓和嚴密性試壓兩項，常用的GB/T 28055―2011僅規定了嚴密性試壓，殼牌DEP 31.38.60.10規定了強度試壓的要求。

GB/T 28055―2011規定“試驗壓力宜等于管道運行壓力，最高為不應超過(guò)管道運行壓力的1.1倍”。俄羅斯CTO Gazprom 2-2.3-116《輸氣管道帶壓開(kāi)孔施工工藝規范》規定對三通“用惰性氣體以1.1倍運行壓力進(jìn)行試驗，穩壓2 h”。 API RP 2201《帶壓開(kāi)孔安全做法》規定，“對焊接件及開(kāi)孔機進(jìn)行水壓試驗，試驗壓力不高出當時(shí)運行壓力10%”“如果條件不允許，可進(jìn)行氣壓試驗”。

殼牌DEP 31.38.60.10帶壓開(kāi)孔標準針對鞍座式支管提供了圖表法以確定試驗壓力（見(jiàn)標準附錄F）。針對三通要求以外壓力容器的角度計算強度試壓壓力以防止主管道失穩，規定強度試壓的穩壓時(shí)間為5 min，嚴密性試壓的穩壓時(shí)間為30 min。試壓的介質(zhì)首選為水，若使用氣體進(jìn)行試壓，試驗壓力不應超過(guò)0.7 MPa。

國內施工對開(kāi)孔三通焊縫的試壓一般按照GB/T 28055―2011的要求進(jìn)行，打壓數值比較保守，業(yè)主有時(shí)候會(huì )對三通焊接的強度提出質(zhì)疑，對三通整體能否承受以后可能的管道升壓運行無(wú)法確認。在國外施工中，三通焊縫的打壓壓力數值通常參照殼牌DEP31.38.60.10對試壓的規定，通過(guò)ASME第VIII卷第1部分UG-28節的圖算法進(jìn)行圓筒承外壓計算，GB 150―2011《壓力容器》中也對圓筒承外壓計算有專(zhuān)門(mén)的闡述。

目前，我國在役管道維搶修標準還是以翻譯、遵守、跟隨為主，在技術(shù)深度、技術(shù)細節等方面與北美、歐洲的標準還存在一定差距，不少的技術(shù)要求還缺乏理論支撐和試驗驗證。在整體的標準體系上，乃至法律法規體系上，我國的體系還需要做好頂層設計，以增強規劃性、覆蓋性與可操作性，并及時(shí)更新以反映最新技術(shù)發(fā)展。

作者：王  鑫， 高級工程師，中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司副總經(jīng)理。

      戚建利，高級工程師，中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司國際市場(chǎng)開(kāi)發(fā)中心主任。

      王  琥，中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司華中應急搶險中心經(jīng)理。

      王雙偶， 工程師，中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司華中搶險中心副經(jīng)理。