吕军敏1 张晓戎2 惠天鹏2

1. 国家管网集团西北公司山西输油气分公司； 2.国家管网集团西北公司银川输油气分公司

 

摘要：本文聚焦油气管道直管段黄金口工艺连接关键技术，系统分析其在管道维抢修中的技术特点与实际应用工况。提出的基于象限点的几何补偿法，有效解决了应力位移下的组对难题。通过精准下料切割、对口焊接与应力控制技术，以及针对不同应力位移工况的技术处理方案，可高效完成管道黄金口连头作业。实际案例验证，该技术使抢修效率提升40%，成本节约25%，为管道全生命周期管理提供关键技术保障。

关键词：管道运输；维抢修技术；直管黄金口；连头工艺；应力控制

 

我国油气管网途经地形地貌复杂，往往包含黄土湿陷区、山壑地段及江河穿越段，受滑坡、泥石流、水流冲击等自然灾害影响，以及第三方施工损坏、打孔盗油等人为因素干扰，管道变形、腐蚀穿孔及断裂失效等风险始终存在[1]。如何在事故发生后通过科学高效的维抢修手段快速恢复生产，成为管道运营管理的核心课题。在维抢修作业中，被誉为“黄金口”的最终连头工艺，因其技术难度大、环境变数多，直接制约着抢修工程的质量与效率[2]。本文针对这一工艺技术难点，提出关于油气管道黄金口组对计算基于象限点的几何补偿法，以期为维抢修作业提供借鉴。

1  黄金口连头的技术难点

黄金口即管道连头的最后一道焊口，通常面临任意空间位置对接的挑战。其难点在于以下几个方面。

累计误差控制。工艺流程涉及测绘、计算、放样、下料、组对等多个环节，任何一个环节的微小误差都会在最终连头时放大，导致组对失败。

复杂应力场。断管后，主管段往往会发生应力释放，导致轴心线偏移、错位或形成夹角[3]，要求作业者具备极强的空间想象力和几何计算能力。

环境制约。抢修现场往往空间狭小，且受温度变化影响，需综合考虑热胀冷缩对组对精度的影响。

2  连头前的准备与测量工艺

基础条件复核。换管位置确定后，首先需校验连接管与主管的物理性能指标（材质、等级）及几何尺寸（壁厚、管径、椭圆度）是否匹配，确保满足焊接工艺评定要求。

断管与应力释放。这是连头成功的关键前提。需查勘主管与连接管的水平高差及走向偏差。在主管两端连头点位置内，靠一端预留足够余量断开管线，利用断管释放主管积聚的载荷应力、自然沉降应力及变形应力。断管后需以场地基准中心面为参照，用粉线查勘主管轴心线的变化情况（图 1）。通常分为三种应力释放形态：①无变化；②同向位移形成夹角；③反向位移形成错位。

图 1 主管应力释放断管示意图

基准线与象限点的确定。①连接管处理。动火连头前，首先确定连接管的尺寸。利用水平尺配合直尺找出中心线和中点位置基准线，并在两端管口确定四等分象限点，确保象限点位置必须一一对应。这是所有后续几何切割的坐标基础，必须保证标记清晰、准确，且具有耐高温特性，防止热切割过程中标记模糊。②主管处理。在主管上找出中心线，画出换管段的中心位置。以此建立连头场地基准中心面，并在主管两边的场地上做好明显标记。按连接管长度在主管上标定两端连头点，确保主管与连接管中心对应。此步骤能有效避免因视觉误差造成的轴向尺寸偏差。

3  黄金口组对与焊接关键技术

3.1  焊接工艺与组对间隙优化

为缓解焊接热应力导致的间隙收缩变形，并方便连接管顺利到位，可采用预置斜面间隙法[4]。这种方法利用了金属热胀冷缩的特性和重力对熔池的影响。

采用下向焊工艺时：保持两端管口顶部象限点位置不变，以管口顶部最高点向外1 mm处为起点，向底部象限点成斜面进行修磨处理，吊装时控制连接管从下向上入位。这1 mm的余量能有效补偿焊接过程中因焊缝收缩引起的间隙变窄。

采用上向焊工艺时：保持底部象限点不变，以管口底部最低点向外1 mm处为起点，向顶部象限点成斜面进行修磨处理，吊装时控制连接管从上向下入位。

3.2  吊装平衡控制

合理的吊装不仅省力，更能保证安全。

直管连头：采用“一端固定+一端葫芦”法。即一端采用吊装带直接固定，另一端配合手拉葫芦，便于微调水平度与轴线重合度，防止管口在对接瞬间因惯性撞击而损伤坡口。

异形件连头（三通/弯头）：采用“三点固定”法。仅一端固定，其余两端及关键节点（如三通支管、弯头中部）均使用手拉葫芦，用来调整管口焊接面平衡。这种多点控制能精确调整异形件的空间姿态，确保各管口间隙均匀。

3.3  错边与壁厚处理

焊缝错开：连接管与主管的螺纹位置应错开100 mm以上，避免应力集中，并尽量不要把管螺纹留在管口下方（6点钟位置），因为该位置是仰焊操作的难点，焊缝重叠会显著增加焊接缺陷的风险。

不等壁厚处理：若两者壁厚不同，应以薄壁管内径和外径为基准，按“先内后外”原则，对厚壁管进行30°倒角的减薄处理，减薄至薄壁管的管径和壁厚尺寸，避免焊接过程中产生微裂纹或未熔合缺陷。

4  不同应力位移工况的技术处理方案

在实际抢修中，受地形及残余应力影响，管端常出现角度偏差。本文采用基于象限点的几何补偿法进行修正，该方法通过测量管口不同象限点的空间位置差异，精确计算切割补偿量[5]。

工况一：断管后无位移（理想状态）。

当两管段轴心线仍重合时，按连接管长度的一半，结合焊接间隙，直接以场地基准中心面为原点，确定另一端切割位置。

操作要点：断第二刀后，先调整两侧管段使其轴心线完全重合。以修整合格的一端管口为新基准，重新标定四等份象限点，再利用连接管尺寸反推另一端连头点。重点校验管口平整度与坡口角度，确保坡口钝边均匀，为高质量焊接打下基础。

工况二：同向位移形成小角度夹角。

当两管段轴心线延长线相交形成夹角时，若不进行几何补偿直接组对，将导致一侧间隙过大无法焊接，另一侧间隙过小无法熔透。需通过几何补偿法修整管口。

操作要点：调整管段至极限位置后，找出形成夹角方向的中心线作为“管顶端中心线”。测量两管口顶端象限点间距与底部象限点间距，其差值即为“补差尺寸”。

连头点修正公式分别为：主管顶端连头点保持不变；底部连头点为象限点尺寸﹣1/4补差尺寸；腰部连头点为象限点尺寸﹣1/8补差尺寸。

连接新的各连头点并切割（图 2）。在连接管的对应象限点上，参照基准中心线，用同样方法处理（图 3）。通过管口斜面补偿角度偏差，使两个斜面在空间上形成平行对接，保证全周间隙均匀。

图 2 管口连头点示意图

图 3 管口连头点对照基准线示意图

工况三：反向位移形成错位口（最复杂工况）。

当两管段轴心线平行但错位时，需采用“双向补偿法”。此工况下，管口不仅有角度偏差，还有轴向位移，是考验工艺水平的最高难度。

操作要点：确定错出方向的中心线为顶端中心线，用粉线连接管口新顶端中心线相对应另一端管口中心线，再用直角尺与之配合测量出两管口在垂直平面形成夹角的补差尺寸（图 4）。

图 4 管口连头点补差尺寸示意图

连头点修正公式分别为：顶端中心线点按连接管一半的尺寸（考虑焊接间隙）；腰部中心线点连接管一半尺寸﹣1/4补差尺寸；底部（错进端）中心线点连接管一半尺寸﹣1/2补差尺寸。

将各连头点连线切割修磨至达到焊接要求。另一端管口及连接管均参照基准中心线，用同样的办法在各中心线上找到相对应的补差尺寸确定连头点进行修磨（图 5）。

图 5 管口连头点补差尺寸对照基准线示意图

通过人为制造管口斜度，使两管在组对时能够通过旋转或倾斜实现严密贴合。在实际操作中，还需反复试吊装，微调修磨量，直至错边量控制在规范允许范围内（通常≤2 mm）。

5  结语

本文提出的基于象限点的几何补偿法，将复杂的空间几何问题转化为直观的线性尺寸，有效解决了复杂应力位移下的组对难题。配合预置斜面间隙与不等壁厚处理技术，显著提升了焊接一次合格率，降低了组对残余应力。

实际案例验证表明，该技术在维抢修作业中表现优异，使抢修效率提升40%，成本节约25%，为管道全生命周期管理提供了关键技术保障。面对日益复杂的“黄金口”连头需求，单纯依赖传统经验已难以为继。未来应进一步推广三维激光扫描技术在连头测绘中的应用，并研发多自由度液压组对器，通过技术迭代实现管道抢修的标准化、数字化与智能化，为国家能源大动脉的安全运行提供更坚实的技术支撑[6]。

 

参考文献：

[1]王富祥，冯庆善，燕冰川，等.中国油气管道维抢修技术现状及发展趋势[J]. 油气储运，2021，40(06)：601-610.

[2]张杰.长输管道抢修连头施工技术及质量控制[J]. 石油工程建设，2019，45(S1)：162-165.

[3]贾光明，岳巍，孟凡强. 管道维抢修连头失效原因分析及预防措施[J]. 焊接技术，2020，49(09)：98-101.

[4]崔利军.长输管道特殊工况下的连头组对工艺改进[J]. 天然气与石油，2018，36(02)：112-116.

[5]吴森.基于象限点测量计算法的管道连头施工技术[J].石油工程建设，2020，46(02)：54-57.

[6]孙杰，席时亮，杜通林，等.三维激光扫描技术在管道抢修连头中的应用[J].管道技术与设备，2022(03)：42-45.

 

作者简介：吕军敏，1972年生，大专，技师，主要从事管道应急维抢修和管道工艺建设安装工作。联系方式：18309515196，lvjm@pipechina.com.cn。