雷宏峰

北京管道公司管道部

摘要：油氣管道因腐蝕、應力變化、缺陷擴展等原因會導致發生泄漏或斷裂，嚴重危害運行安全。換管是根除管道隱患的重要手段，但需要停輸影響下游用戶。同時天然氣管道換管時因放空會產生比二氧化碳更強“溫室效應”。B型套筒作為一種永久修復技術，相比換管在上述方面更具優勢。介紹了B型套筒材質、燒穿壁厚、施焊操作壓力、焊接工藝、無損檢測等技術的發展以及其具有的優勢與應用范圍。

關鍵詞：燒穿；施工操作壓力；焊接技術；PAUT檢測；B 型套筒

B型套筒修復技術是利用兩個由鋼板制成的半圓柱外殼覆蓋在管體缺陷外，通過側縫焊接連接在一起，并在套簡的末端采用角焊的方式固定在管道上。套筒可保持管道內壓，也能承受因管道受到側向載荷而產生的軸向應力。根據SY/T 6649―2018《油氣管道管體缺陷修復技術規范》及GB/T 36701―2018《埋地鋼制管道管體缺陷修復指南》等相關規范，B型套筒作為永久性修復方式，適用于包括泄漏及環向缺陷在內的多種管體和環焊縫缺陷修復。

1  B型套筒修復技術發展

1.1  套筒材質

對于高鋼級長輸管道缺陷修復，國內管道企業普遍采用鋼級較低的Q345R B型套筒，為了保障修復后的強度，套筒厚度可達60 mm、重量0.6 t，現場焊接工作量大、作業人員勞動強度高、易出現焊縫缺陷等，同時厚壁套筒增加了主體管道負重，進而影響管道本質安全。近年中國石油集團工程材料研究院有限公司等科研單位開展了X65、 X70 B型套筒及其配套技術科研攻關，成功研發出了性能優異的X65/X70高鋼級B型套筒，并形成了配套的焊接、焊后熱處理以及無損檢測等關鍵技術。高鋼級B型套筒厚度較傳統套筒減薄19%～30%，現場組裝及焊接工作量降低約20%。有效縮短了管道在線修復用時，對保障管網安全、高效、平穩運行有著積極重要的意義。

1.2  燒穿壁厚

B型套筒在役焊接修復過程中，若管道全壁厚金屬熔化，則稱為燒穿；若管壁未熔化金屬的剩余強度不足以抵抗管道內介質壓力，則出現管道塑性崩潰；兩者均可能造成嚴重安全事故。為了保障管道修復過程安全，就必須防止管道出現上述情況。對于燒穿，相關資料有以下規定或科研成果。

（1）按照標準API 1104《管道和相關設施的焊接》規定，當使用低氫焊條及常規焊接工藝時，只有在壁厚小于6.4 mm時，才會考慮燒穿發生的可能。

（2）SY/T 6554―2019《石油工業帶壓開孔作業安全規程》認為當壁厚大于12.7 mm時，不必考慮管道焊接燒穿的發生，如果壁厚小于6.4 mm，需要特別注意燒穿風險，壁厚處于6.4～12.7 mm時，可能有燒穿風險。

（3）中國科學院金屬研究所的研究成果表明，當熱輸入為1.2 kJ/mm時，只有壁厚大于7 mm時，才能避免燒穿發生。

（4）美國愛迪生焊接研究院（EWI）的研究結果顯示，當焊條直徑為3.2 mm，電流為110 A，熱輸入0.9 kJ/mm時，不會發生燒穿的安全壁厚為4 mm。

2022年，北京管道公司維搶修中心完成了陜京一線多處管道壁厚為7.1 mm的B型套筒帶壓修復，據了解國內已有企業實施5 mm管道的B型套筒帶壓修復。

1.3  施工操作壓力

B型套筒帶壓修復壓力對管道運行及施工安全有著重大影響。GB/T 28055―2011《鋼質管道帶壓封堵技術規范》、GB/T 36701―2018《埋地鋼制管道管體缺陷修復指南》、SY/T 6649―2018 《油氣管道管體缺陷修復技術規范》等規定，在運行的天然氣或成品油管道上焊接時，其施工操作壓力不應超過0.4倍的最大允許操作壓力，且輸送介質充滿管道。但由于規定的允許壓力較低，影響了管道正常運行，因此管道企業在B型套筒修復時施焊壓力大都未采用該規定，而是采用上述國標或行標中關于超出0.4倍最大允許操作壓力后的計算方法，以減少對管道運行影響及天然氣放空量。

（1）國標行標推薦壓力計算方法。GB/T 28055―2011等國標行標規定：如果焊接施工操作壓力超出0.4倍最大允許操作壓力時，管道允許的帶壓施焊的最高壓力均執行公式（1）：

式中：P為管道允許帶壓施焊的壓力，MPa；σs為管材的最小屈服極限，MPa；t為焊接處管道實際壁厚，mm；c為因焊接引起的壁厚修正量，取值見表 1，mm；D為管道外徑，mm ；F為安全系數，取值見表 2。

表 1 國標行標推薦壁厚修正量

表 2 國標行標推薦安全系數

（2）集團公司推薦壓力計算方法�！秶�家管網集團動火作業管理暫行細則》《在役管道環焊縫質量風險排查治理工作指南》關于壓力計算執行公式（1）計算方法，但參數c和F的取值不同，其中c取3.5 mm，F取0.5或0.6（原油、成品油管道取 0.6；天然氣、煤氣管道取0.5）。   

1.4  焊接技術

（1）目前高鋼級管道的B型套筒修復焊接工藝規程中都增加了回火焊道、退火焊道、中頻加熱焊后消氫等技術手段，以細化焊接接頭晶粒，消除應力與降低硬度，改善焊縫組織和力學性能，加速焊縫中氫的擴散逸出，降低焊縫和熱影響區中的氫含量，防止產生冷裂紋。

（2）雖然B型套筒用高等級鋼替代Q345鋼后，其焊接工作量有所減少，但仍比換管的焊接工作量高出幾倍，勞動強度大，焊接時間長，焊接質量受焊工體力影響大。為解決上述問題，西氣東輸等管道公司2019年以來開展了B型套筒自動焊研究。B型套筒自動焊技術具有表面成型好、焊接質量高、減少勞動強度、節省焊接用時等諸多優點。目前該技術已大規模應用于高壓力、高鋼級、大口徑長輸天然氣管道的缺陷修復[1]。《在役管道環焊縫質量風險排查治理工作指南》中明確規定B型套筒修復時自動焊比例不低于10%。

1.5  無損檢測技術

B型套筒角焊縫以往只能用磁粉或著色探傷檢測表面和近表面缺陷，無法檢出焊縫內部裂紋、氣孔、夾雜等焊縫內部缺陷。近年隨著相控陣超聲檢測技術（PAUT）的發展，可通過超聲聲場的計算仿真來適應角焊縫檢測，實現全覆蓋[2]。目前國內多家研究單位根據B型套筒焊縫的特點，編制特殊的PAUT檢測工藝并制作加工專用的對比試塊，通過反復進行靈敏度校驗和檢測工藝驗證，角焊縫內部缺陷基本都能檢測。為了保證有效檢出延遲裂紋，在焊縫冷卻后、24小時及48小時分三次同時進行磁粉、超聲、相控陣檢測，進一步確保焊接質量。

2  B型套筒修復技術優勢

長期以來，換管被認為是修復管道缺陷最徹底的方式，隨著B型套筒修復技術的發展和進步，其優勢與換管相比越發明顯：一是在換管施工過程中因舊管道往往存在較大的焊口錯位，強力組對難以杜絕，使得被修復的環焊縫除承受介質的正常壓力外還需承受額外的安裝應力；二是換管修復增加了焊口數量，而環焊縫是整個管道系統的薄弱點和風險點，換一次管相當于給管道系統至少增加一個風險點；三是換管修復的焊口焊縫無法試壓，相當于新建管道的“金口”，焊口組對間隙、坡口尺寸等參數難以保證，焊接難度大，焊接質量不易保證；四是換管需全線或部分管段停輸，對管道下游用戶影響較大且影響管輸量；五是換管需對至少一個閥室管段內的天然氣全部放空，大口徑管道換管一次天然氣放空量可達百萬立方米以上，研究表明天然氣引起溫室效應的能力是二氧化碳的20倍以上，國家雙碳目標實施后，天然氣排放控制越來越嚴。2021年某管道企業在換管修復作業時天然氣放空被國外衛星遙測到，引起了國際社會關注。

實驗表明Ｂ型套筒角焊縫所能承受的極限彎矩約為管道母材的69.4%[3]。在費用方面，以管徑1016 mm管道為例，采用B型套筒修復環焊縫裂紋缺陷的費用約30～40萬元，而換管費用約需200～300萬元，兩種修復方式費用相差懸殊。    

3  結語

自2017年國內管道企業開展大規模的環焊縫質量風險排查以來，管道缺陷數量激增，B型套筒修復技術應用案例成倍增長。實踐證明，B 型套筒作為一種管道缺陷永久修復方式，適用修復的缺陷類型較為廣泛，包括管道的腐蝕、裂紋、機械損傷、焊縫缺陷、管體劃傷、金屬損失、碳弧燒傷、夾渣或分層、凹陷以及泄漏性缺陷，修復成本低，可靠性高。隨著B型套筒的材料質量、焊接質量、檢測質量等進一步提高，其在長輸管道缺陷修復中的應用會越來越廣。

參考文獻：

[1]陳娟，宋錦，張悅，等.鋼質管道B型套筒自動焊接技術及其應用[J/OL].油氣儲運，2021，網絡首發地址：ttps://kns.cnki.net/kems/detail/13.1093.TE.20210527.1509.002.html.

[2]黃磊，李亮，李汝江，等.B型套筒搭接焊縫的相控陣超聲檢測[J].無損檢測，2021，43(5)：49-53. 

[3]成志強，胡聰，段金偉，等. B型套筒角焊縫力學性能模擬實驗[J].西南石油大學學報(自然科學版)，2021，43(6)：111-118.

作者簡介：雷宏峰，1971年生，碩士，高級工程師，畢業于中國石油大學（北京），現從事管道管理、環焊縫質量風險排查等工作。聯系方式：01084884298，leihf01@pipechina.com.cn。