天然气长输管道在线补偿新技术的应用

刘宇航

摘 要：基于管道受损状态以及受损部位应力解析上，采取开椭圆形孔进行在线补强，管道受压轴线与孔面垂直时，孔面边界所受应力相对较小，避免孔边应力过于集中。通过大量实验以及实例研究，认为管道在受损情况下，进行安全补强基本参数：H壁厚≥2.3 mm，P管道压力<2.7 MPa；同时，现场作业操作人员应按照要求衣着，配备有效的灭火器10具，在线焊接作业完毕后，应及时进行检测焊缝，采取相应的防腐、检漏措施，在线补强新技术一项高效、实惠、便捷的技术，有良好的借鉴价值。

关 键 词：天然气；长输管道；在线补偿技术；应用效果

中图分类号：TE 832 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1809-03

Abstract： On-line reinforcement by opening the oval hole need be carried out based on the pipeline damage state and stress analysis on the damage. When pipe compression axis is vertical to the hole surface， stress of the hole surface boundary is relatively small， avoiding stress concentration on the side of hole. Through a large number of experiments and case study， the security reinforcing basic parameters were obtained as follows： H≥2.3 mm， and line pressure P<2.7 MPa； At the same time， on-site operating personnel should be dressed in accordance with the requirements， 10 effective fire extinguishers should be equipped； after the welding operation， the weld seam should be timely tested， anticorrosion and leakage detecting measures should be used. The new online reinforcing technology is efficient， economical and convenient， it has good reference value.

Key words： natural gas； long pipeline； online compensation technology； application effect

目前，随着我国国内各大城市长输天然气管线星罗棋布的建设，掀起了天然气能源发展的新高潮，同时，也带来了许多安全生产隐患，近年来，天然气管道因意外受损导致事故时有发生，严重威胁着管道维护工作人员以及周围人民群众的生命财产安全。对天然气管道运输的安全调控需要各方面的协调配合，真正做到运行状态实时监控，管道意外损伤做到在线及时补强，因此，在保障天然气管道输送安全不停输的情况下，应加强管道在线补强技术的研究，最大限度地降低事故发生率[1-3]。

1 管道受力状态与应力分析

1.1 管道受力状态

输送天然气管道经过长时间运行，难免会出现划痕、裂纹和变形，在保证天然气正常输送的情况下，对管道受损部位进行在线补强，补强的方式分为补焊加强板或密集焊接补焊。天然气管道运行过程中常见受损状态如下图1。

a 划痕； b 局变形； c 焊缝裂纹

1.2 管道应力分析

以图1（b）局部变形为例，当管道局部变形受损面及深度对清管通球或穿孔漏气造成影響时，应采取开孔清创以及贴补加强板等进行修复处理[4，5]。

（1）在管道上开单个圆形孔时，管道应力分布情况如图2所示。

管道受压较大，圆形孔周边产生应力集中，据实际检测结果，圆形孔边应力一般为3～4倍总体薄膜应力，受损程度严重的部位可达到5～7倍。集中应力系数K是指孔边最大应力σmax与压力管道总体薄膜应力之比。根据孔边应力与管道总体应力数据，可采用矢量叠加原理得到单个圆形孔集中应力系数，K=2.2；同理，按照上述理论和计算方法，可得双圆孔集中应力系数，K=2.7。

（2）下面分析椭圆孔应力分布以及受力情况，与圆形孔相比，椭圆孔边应力分布规律是不一样的，如图3所示。

因此，管道受损处进行椭圆孔处理，管道受压轴线与孔面垂直时，孔面边界所受应力相对较小，反之，孔边应力相对集中，受力较大，采取在管道受损面做椭圆形开孔补强是最为合理、有效的技术。

2 管道静载强度分析

选取X52、Φ426 mm螺旋焊缝管进行大量的动态模拟实验，根据实验数据结果，认为管道在受损情况下，进行安全补强基本参数：H壁厚≥2.3 mm，P管道压力<2.7 MPa；同时，在进行在线修复过程中，要严格按照规范的焊接工艺技术以及修复操作规定进行，应熟练掌握热输入量和冷却速度，“氢致裂纹”、 “烧穿”等现象即可有效避免发生，确保管道输送天然气安全的运行[4，5]。

3 新技术应用及效果

天然气管道出现管道损伤，一般会采取停输、放空和换管处理，维护起来时间耗费较长、费用较高，而且风险较大。采取不停输在线补强新技术，可以实现确保下游供气量的情况下维护，作业简单、耗时较短、原材料耗费较少、便于检测，作业人次5～7人，每次作业费用不过4 000元。

3.1 作业规范

（1）依据管道受损程度和状态，采购管道材料，选取合理的焊接工艺技术，制定易于焊接和在线补强的工艺方案。（2）检测管道受损段深度、长度，绘制受损样图，选取合理补强工艺方案。（3）清点作业涉及到的相关人员，检查材料齐全，满足施工作业条件。（4）作业过程中，对受损处进行焊接焊缝探伤检验。（5）修复作业后，进行受损处防腐处理，同时进行焊接处电火花检漏。

3.2 技术应用及效果

以Z市天然气长输管道为例，该地区天然气管道位置有违章施工作业，导致管道有不同程度不同形式的受损，随后根据受损管道状态采取了相应的应急处理预案，对管道受损部位进行了在线焊接补焊处理，如图4所示。

①位受损长度L=39 mm，宽度W=11 mm，深度D=2.15 mm；②号位受损长度L=37 mm，宽度W=9 mm，深度D=1.83 mm；③点号位受损长度L=35 mm，宽度W=9 mm，深度D=1.25 mm。管道材质为X52螺旋焊缝管，H壁厚=6.8 mm。

对管道受损程度进行充分评估，采取了如下工艺措施。焊条型号为E5015，尺寸Φ2.5 mm，保持焊条在500 ℃下，烘烤150 min；随后进行150 ℃恒温处理。焊机型号为ZX7-401，工艺处理电流控制在55～82 A之间，电压21～25 V。根据生产工艺要求，在管压P≤1.2 MPa、环境温度为16～20℃、无风或微风条件下安全作业，以①②③顺序进行在线焊接补强作业。作业现场操作人员应按照要求衣着，配备有效的灭火器10具，在线焊接作业完毕后，应及时进行检测焊缝，采取相应的防腐、检漏措施，确保受损管线不再第二次毁坏。在保障下游用户用气的情况下，采取在线补强新技术可以减小停输经济损失，操作简便，耗费的原材料少，作业时间短，同时避免了大量更换管线造成对周边生活环境的破坏，对天然气长输管道受损部位进行在线补强，是一项高效、实惠、便捷的技术，在管道局部受损部位补强处理值得借鉴。

4 结束语

针对天然气长输管道受损事故，首先应对管道受损状态与受损部位应力进行解析，提出科学合理补强预案，熟练掌握并控制焊接热、冷却速率，避免二次受损。管道受压轴线与椭圆孔面垂直时，孔面邊界所受应力相对较小，采取在管道受损面做椭圆形开孔补强是最为合理、有效的技术。在保障下游用户用气的情况下，采取在线补强新技术可以减小停输经济损失，是一项高效、实惠、便捷的技术，值得在类似受损管道进行应用。

参考文献：

[1] 压力管道安全技术[M]. 第一版. 南京：东南大学出版社，2000.

[2] 陈胜利，兰志刚，宋积文，等. 长输天然气管线的腐蚀与防护[J].全面腐蚀控制，2011，25 （1）：38-41.

[3] 汤善浦，朱思明，等. 化工机械设备基础[M]. 上海：华东化工学院出版社，1991.

[4] 蔡丽丽，张晓. 穿越航道海底输气管线风险评估方法[J]. 石油矿场机械，2012，41（6）：54-57.

[5] 郝建斌，武新娟，等. 在役管道修复与抢修焊接工艺模拟试验方法[J]. 油气储运，2006，35（2）：25-27.