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  • 高压大口径输气管道带压开孔技术总结

  • 1、工程概况

    某天然气地下储气库工程,包含天然气管道工程,压气站工程、地下储气库工程等,该工程是为满足该国天然气季节调峰和能源战略储备而建设的。用气低谷时,天然气由洲际管线经加压输送至地下储库进行储存;用气高峰时,天然气则由地下储气库经减压反输至洲际管线进而为该国提供燃气保障。本天然气管道工程是实现地下储气库与洲际管道连接的纽带,而如何实现本工程管道与洲际管道的对接则是本工程的关键点。考虑到洲际管线是整个大洲的燃气主动脉且已长期服役,为保障其他国家燃气供应不受影响,本工程考虑采用不停输带压开孔技术来实现与洲际管线的对接。

    2 带压开孔技术

    带压开孔是一种将机械连接或焊接的分支管件连接到在用管道或设备上,然后在此管件内部对此管道或设备实行钻孔或切割,使其形成开口的技术。带压开孔技术可应用于石油天然气、化工、热力等行业的管道系统改造、维修、更换等领域,如更换阀门或管道增加线路流量计等。传统方法进行以上作业须停输、停产,施工期长,影响生产,耗资高,约比带压开孔费用高出60%~80%,而且安全性差。带压开孔技术则适用范围广,工艺先进,具有高效性、经济性,无火焰,密闭机械切割安全可靠、环保无污染,提高了工作实效性。根据国外相关资料,目前带压开孔技术应用的管径范围为DN 15~1 800 mm,压力范围为0.1~29.6 MPa,温度范围为0~732 ℃,压力范围和温度范围是单因素最大值,非两者耦合工况。应用介质为石油、汽油、天然气、水、乙烯、煤气等无强腐蚀性的流体类介质。

    一套典型的带压开孔设备主要由开孔机及相关附属部件(包含钻杆、刀具固定器、切削器、适配器、定向钻头、液压操作装置等)、热分接阀(热分接阀采用专用的闸板阀或双向密封全通径球阀)和分支管件(一般为对开三通)等构成。

    3 技术要点分析

    3.1 设计依据

    采用相关规范对带压开孔作业进行设计。国外带压开孔作业主要依据的设计规范有:ASME B31.8《输气和配气管道系统》(Gas Transmission and Distribution Piping Systems,以下简称ASME B31.8)、API RP 2201《石油工业带压开孔作业安全规范》(Procedures for Welding or Hot Tapping on Equipment-in Service)、API RP 1107《管线维修焊接做法》(Pipeline Maintenance Welding Practices)、API RP 1104《管线和相关设施的焊接》(Welding of Pipelines and Related Facilities,以下简称API RP 1104)等。

    3.2 开孔位置的选择

    母管开孔位置的选择是整个带压开孔作业中重要的一环,是带压开孔能否一次成功的关键。管线运行多年,势必会存在局部管道腐蚀及损伤等问题。在选择开孔位置时,应主要考虑以下3点。

    ①开孔处母管表面应光滑,无褶皱、变形或凹痕,避开严重腐蚀区域,且应在开孔处两侧有足够长度的直管道,一般直管道长度不应小于3倍的管道外直径。

    ②为预防烧穿,实际开孔处母材最小厚度是强度所需厚度与安全厚度之和。

    ③开孔位置应避开母管焊缝70mm以上,且距离法兰或螺纹连接处460mm以上,否则容易引起烧穿。还应确保开孔位置便于开孔机的安装、操作及移动。

    3.3 支管连接及材料选择

    支管连接通常有3种形式,即焊接支管台形式、短管带圈闭鞍型支座形式、对开三通形式。焊接支管台又称对焊管嘴,一般应用于DN 50 mm及以下管道开孔,可直接将支管焊接在母管开孔处;短管带圈闭鞍型支座形式适用于开孔直径小于母管直径1/3的情况;对开三通形式专门针对大口径开孔设计,根据等强度理论对母管及对开管件组成的系统进行受力分析,计算选取合适的管件壁厚。一般对开管件的壁厚大于等于2倍的母管壁厚,同时应考虑薄膜应力和疲劳应力对管件的影响,管件的设计压力和材料选择应与母管一致。管件的尺寸还应与相应的开孔机进行配套设计,以便刀具在其行程限度内有足够的穿透深度,且在回收刀具和切片时不影响热分接阀的关闭。

    本工程带压开孔支管连接采用对开三通形式。对开三通规格(母管公称直径×分支管公称直径)为DN 1 000 mm×DN 900 mm,设计压力为7.5 MPa,设计温度为-28~60 ℃,设计系数0.72。材质同母管,采用ASMEB31.8设计规范,法兰长1 680mm,母管截面中心至分支管法兰端部高2 253 mm,分支管上的开孔支管与本工程天然气管道规格一致,开孔支管伸出长度690 mm。经计算,对开三通主体及分支管壁厚40 mm,与本工程天然气管道连接开孔支管壁厚15.9 mm。对开三通分支管顶部法兰及法兰盲板执行ASME B16.47《大直径钢制管法兰标准》(Large Diameter Flanges),压力等级Class600。

    3.4 焊接技术要点

    ①管道允许带压施焊压力的确定

    将相关参数代入式,计算可得,本工程管道允许带压施焊压力为4.19 MPa,即在焊接对开三通时,应保证管道内压力小于4.19 MPa,本工程实际带压开孔时管道运行压力降至4.0 MPa。

    ②避免烧穿及裂纹的措施

    在进行带压开孔焊接作业时,应注意烧穿与裂纹问题。烧穿是指部分根焊缝熔穿或焊接熔池下未熔区域不能承受管道内压的现象。焊接冷却速率过快将产生一个硬质的、对裂纹敏感的焊接微型结构而导致裂纹。冷却速率快可能是由于在管道内介质快速流动带走热量造成。

    在焊接期间,为防止在用管道过热和烧穿,需对热传输进行评价,以确定热输入量及相应的焊接参数。同时也对预计的焊缝冷却速率进行评价,以确定生成无裂纹的焊缝和热影响区所需的热输入量。

    研究表明,母材厚度、管道内表面温度分布、管道内压引起的应力、焊条直径(与焊接时热量输入显著相关)等因素均对烧穿有很大影响。一般认为,母材厚度大于12.8 mm或焊接时管道内表面温度不超过982 ℃即可避免烧穿[6]。本工程母管壁厚为11.9 mm,为避免烧穿,设计推荐第1焊道应采用直径为2.4 mm或更小的焊条,以后的焊道采用直径为3.2 mm或更小的焊条来控制热量的输入,同时应避免采用过大的焊接电流及熔透型焊条。

    对于裂纹,则主要控制管道内介质的流速,以免增大焊缝的冷却速率,通常建议采用低氢型焊条,并控制管道内介质流速在10 m/s以下。同时通过焊接时预热、采用合理的焊道顺序、合理地装配以减少焊缝根部的应力集中等措施减少裂纹的产生。

    ③对开三通的焊接要点

    需事先做好焊接工艺评定及制定焊接规程,并获得相关部门批准,焊接工艺评定严格按照API RP 1104 进行。施焊焊工应具有实施本工程特殊焊接的相关资质,且数量不少于2名。

    a.对管道螺旋焊缝和直焊缝进行适量打磨或打磨对开三通管件,以保证对开三通护板与管道间隙不大于2 mm。

    b.对开三通法兰沿管道轴线方向的两端到管顶的距离差不应大于1 mm,对开三通法兰中轴线与其所在位置管道轴线间距不大于1.5 mm。

    c.在管道上进行对开三通环向角焊缝的焊接时,每道焊缝应至少由2名焊工同时施焊,且两电弧应相距至少50 mm。

    d.纵向直焊缝、环向角焊缝焊接顺序。每道纵向直焊缝有1名焊工焊接时,应按所示焊接顺序同时焊接;每道纵向直焊缝有2名焊工焊接时,应按所示焊接顺序同时焊接。对开三通的两道环向角焊缝不应同时焊接,当2名焊工同时焊接一道环向角焊缝时,应按所示焊接顺序同时焊接环向角焊缝。

    e.纵向直焊缝、环向角焊缝焊接要求。对开三通纵向直焊缝宜加垫板,不应同管道母材直接焊接。对开三通与管道的环向角焊缝宜采用堆焊形式。

    f.焊缝质量检验

    需对对开三通焊缝进行外观检查和无损检测探伤,优先使用射线探伤和超声波探伤,应满足API RP 1104中相关规定的要求。

    4 结语

    伴随着石油天然气行业的发展,对管道系统的维修、更换、改造等要求也日益提高,带压开孔技术越来越突显出其优势地位。本文结合国外工程,依据国外标准,阐述高压大口径大开孔率的在役输气管道工程带压开孔技术,分析了主要技术要点并确定了相关技术参数,具有一定的参考价值。



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  • 2020.06.23