中国石油油气管道技术进步观察（图）

  让国家能源“血脉”更畅通
  [中国石油新闻中心2021-08-03]
  当前，“大数据”“云计算”等技术革新让中国发生了翻天覆地的变化。而今，管道施工、运行、设计及成本控制无一不与技术创新息息相关，“管道三维”“数字成像”“横向励磁”等新技术的发展和应用为石油管道高质量发展插上了隐形翅膀，让科技创新活力持续迸发。
  中国石油油气管道相关企业将科技创新作为提升企业竞争力的重要抓手，全面发力，科研能力显著提升，人才队伍不断强化，成果应用全面转化，让国家能源“血脉”更加畅通。
  管道设计：特色技术凸显保障实力
  惟进取也故日新。作为国家油气管道科技创新的引领者，管道局紧跟新一轮技术革命浪潮，始终致力于成为智能管道建设的先行者。管道局围绕油气储运工程建设与运行技术需求，大力开展科技项目攻关。
  管道三维数字化协同设计系统、大跨度悬索跨越设计技术、在役管道数字化恢复技术、管道数据一体化移交技术等一系列标志性科研成果，有力推动了全产业链和行业的技术进步，吹响了中国管道设计腾飞的号角。
  作为目前全球口径最大、压力最高的长距离天然气输送管道，中俄东线天然气管道工程被选为中国石油“智能管道”试点工程。设计过程中，管道设计院全程运用数字化设计手段，多专业协同设计，集成设计与施工、采办等数据，实现动态实时更新。2019年12月2日，中俄东线天然气管道北段投产通气。作为中俄能源合作的标志性项目，中俄东线实现了“全数字化移交、全智能化运营、全生命周期管理”的建设目标。
  2011年，管道设计院提出数字化设计的概念，初衷只是为了提高工作效率，满足日益庞大的设计需求。随着这项技术日渐成熟，优势愈发明显，得到集团公司的高度肯定。
  “其实过去，我们更多的是满足业主需求，可以说，业主引领着我们走向高端。但是随着产业结构的变化，我们需要积极储备先进的技术手段，辅助业主做出更加合理的决策，提前预判行业下一步的发展方向是什么，这才是真正地实现了技术引领。”在管道设计院副总工程师李超建看来，国家发展日新月异，管道建设行业终将迎来本质性变革，管道设计院必须未雨绸缪，不断更新设计方式和技术，拓展业务领域，始终站在设计最前沿，方能立于不败之地。
  有继承、有传承、有发展，方式不同，目标一致。一代代管道设计者一路披荆斩棘、筚路蓝缕，成为迄今为止中国唯一的长输管道工程勘察设计咨询专业企业，具备了油气储运工程领域从设计、咨询、施工、监理、检测、投产、运行、维护到报废的全生命周期管理设计能力，可为全球客户提供世界上最先进的油气储运工程一揽子服务。
  管道施工：技术创新激活创效“基因”
  近年来，管道局下好创新“先手棋”，建立了较为完善的科技创新体系，明确了技术攻关、特色技术研发、技术应用、创新平台、智力支持等多个层级，大力开展“五化”工作，各专业分工有序，相互支持，科研质量与效率都得到较大提升。
  在油价不断波动的国际大环境下，如何提质增效成为管道企业发展必须面临的一道关口。在技术创新上下功夫，以低成本、优质、快速、高效地保障管道施工，成为油气管道企业应对市场变化的主驱动力。
  中俄东线项目是集团公司智能管道建设的样板工程。在此项目中，蓬勃发展的技术创新成果频频吸引世人眼球：CPP900设备性能和焊接质量稳定，AUT焊接合格率攀升到96%；新型内焊机大大提高了大口径管线焊接效率，其技术为国际首创；D1420毫米管道内对口器世界范围内首次应用，完美解决了黑龙江盾构S型管道竖井内对口难题……涵盖焊接、检测、防腐、吊装、运布管等各个工序的系列科技成果多达41项，不断刷新国内及行业新纪录，实现零的突破。
  D1422系列机械化大流水作业技术，实现关键工序全流程机械化作业，实现施工数据远程传输，对石油管道建设技术进行了整体性完善，让国产自动焊装备与国际先进产品比肩成为可能，并再次丰富了国产自动焊产品、种类和应用范围；第三代自动焊技术实现了与焊缝跟踪系统的深度融合，大幅提升了系统焊接控制的准确性、稳定性，坡口机加工精度提升至0.1毫米，内焊机实现单机跨口径使用。
  新时代更需要创新精神。面对时代给出的“考卷”，油气管道企业始终紧跟节奏，着力加大关键技术研发力度，把互联网、大数据等最新科技融入油气管道建设中，不断增强企业发展的内生动力和核心竞争力，开启了以大数据为基础的智慧管道时代。
  管道运行：技术推广收获累累硕果
  创新，是将技能融入骨血后的传承与负载。美国畅销书作家亚克力·福奇在《工匠精神》一书中写道：古往今来，工匠精神一直在改变着世界。热衷于技术发明创造的“工匠精神”是每个企业活力的源泉，“工匠精神”的回归铸就了管道创新发展之路。
  28英寸横向励磁检测器填补了国内技术空白，国内首台管道行业激光电弧复合焊接装备将焊接速度提高了两倍，光纤安全预警系统识别精度在国际领先，国际最大、国内首台12兆帕大口径开孔设备投入维抢修作业，国内首台水下开孔机的使用实现了国内企业水下管道抢修零的突破……种种科技成果在为我国管道高效建设及安全运行提供更加强有力的技术支持的同时，也使管道企业获得了与更多国际石油公司同场竞技的底气。
  海纳百川，广结八方。管道局在科研项目的攻关过程中，与众多专业团队开展广泛合作，通过与专业科研机构、高等院校、行业一流企业的学习交流，建立开放包容的创新文化，共同推进技术进步。
  多年以来，从基于全生命周期管道设计到压力元件等装备制造，从现场施工，到投产运行、检测、保驾，管道建设全产业链中一系列处于国际领先水平的科研成果，不仅为管道局提升品牌形象、实现快速发展发挥了重要作用，而且打破了国外技术垄断，降低了工程建设成本，提高了工程质量、安全系数和建设速度。管道“智造”声名鹊起，代表了国内管道建设的最高水平，引领着行业技术不断实现质的飞跃。
  瞄准世界科技前沿，加快推进设计、科研与施工的深度融合，冲击各项核心技术，科技的进步和发展让管道行业更多的设想变为现实，智慧管道建设也必将引领行业走向更加美好的明天。
  亮点技术
  管道设计相关技术
  管道三维数字化协同设计系统，实现优化选线、模块化设计、工程量自动统计、设计成果数字化交付；大跨度悬索跨越设计技术，发明了适用于油气管道窄柔跨越结构的风洞试验方法及制振措施，建立了精细化的窄柔跨越结构的抗风设计方法，形成首部针对悬索跨越的行业标准；在役管道数字化恢复技术，以管道线路、站场、建筑三维平台为主体，利用人工确认、三维激光扫描、无人机航飞、地质雷达探测等手段，完成数据的采集、整理、校验、入库，从而恢复管道建设期和运行期数据，构建与本体一致的虚拟管道；管道数据一体化移交技术，整合面向管道线路、站场的各类数据，以电脑、手机、PAD、虚拟眼镜等多种形式进行数据的可视化展示，实现管道建设的数据一体化移交，成为中油管道数据中心的重要数据支撑。
  D1422系列机械化大流水作业技术
  自主研发了适应零下40摄氏度低温环境的CPP900自动焊、机械化补口、AUT检测等一系列机械化作业关键技术及装备，实现关键工序全流程机械化作业，实现施工数据远程传输。D1422管道水平定向钻穿越施工技术，攻克大口径管道定向钻穿越施工中卡钻、抱钻、硬岩穿越进尺慢等难题，有效降低了施工风险。形成了一整套小断面盾构隧道管道回拖技术和安全评估方法。发明了用于强震区超高水压下的盾构隧道柔性管片及防水方法，抗震和防水能力首次达到0.63g（地震动峰值）和1.2MPa。
  漏磁内检测技术
  漏磁内检测技术发展历经标准清晰度、高清晰度、三轴高清晰度，到今天已经步入了超高清阶段。随着漏磁内检测技术的不断发展，对管道上内外缺陷及焊缝缺陷的识别和量化能力进一步提高，超高清漏磁复合内检测器，集超高清漏磁腐蚀检测、内外壁区分、高精度几何变形检测、中心线测绘检测、轴向应力检测等多功能检测技术于一体，其与传统高清晰度漏磁内检测器的区别，主要体现在探头的数量、探头周向间距排列、采样间距、数据传输存储速率等；检测灵敏度和精度明显提高，尤其是对于针孔型缺陷检出率和量化精度水平显著提高，也是目前采用非开挖技术检测环焊缝缺陷的有效方法。
  高钢级天然气管道断裂控制技术
  高钢级管道断裂控制技术，主要包括管道全尺寸气体爆破试验技术、止裂韧性预测技术以及止裂器的设计、制造技术。石油管工程技术研究院攻克了X80、X90、X100钢级超高强度大口径管道断裂控制技术，建成了国内首个、全球第三个全尺寸气体爆破试验场，制定了全尺寸气体爆破试验行业标准，建立了止裂韧性预测模型，成功设计开发出钢套筒、玻璃纤维和碳纤维3种止裂器，有效解决了材料韧性不足时的管道止裂难题，为超大输量天然气管道建设提供了技术储备。（王悦徐义泽张伟卫提供）
  攻关之路
  科技创新确保天然气管道安全高效运行
  （石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室）
  变形和断裂是高钢级天然气管道失效的主要形式。为避免管道泄漏甚至爆炸等灾难性事故，天然气管道的变形控制和止裂控制成为国内外研究的重点。
  石油管工程技术研究院自主研发的高钢级管道断裂控制技术和变形控制技术，是高强度管线钢应用的核心技术。其中，断裂控制技术实现了对高钢级天然气管道裂纹扩展的精准预测和控制，变形控制技术则解决了高钢级管道的材料开发和应变能力预测问题。
  这两项技术的研发，突破了我国高钢级管道应用的技术瓶颈，有效保障了西气东输二线、三线，中俄东线等重大管道工程的顺利投产。
  全尺寸气体爆破试验是管道断裂控制模型的直接验证手段，该试验不仅设计复杂、成本高昂，而且风险较大。2015年之前，由于国内不具备自主开展全尺寸气体爆破试验的能力，只能委托英国、意大利等国家进行爆破试验。
  管研院从2012年开始规划建立自己的全尺寸气体爆破试验场。经过3年的艰苦攻关，相继解决了焊缝环切失效、锚固墩受力分析、初始裂纹引入、起爆点燃装置、断裂速度测试、减压波测试等一系列技术难题，在新疆哈密建成了亚洲首个全尺寸气体爆破试验场，攻克并掌握了全尺寸气体爆破试验关键技术，提升了我国管道断裂控制研究的水平。
  管道全尺寸弯曲试验系统是研究管道变形能力、管道环焊缝质量及承载能力的重要试验装备，也是管道基于应变设计技术的重要硬件支撑。2011年之前，只有美国埃克森美孚、加拿大C-FER、英国TWI、日本JFE等研究机构具有大口径管道的全尺寸弯曲试验能力。而西气东输二线、中缅管道等项目对基于应变设计管道的能力验证要求，又迫切需要我们建立自己的全尺寸试验装。
  2009年，管研院启动了管道全尺寸弯曲试验装置开发工作。该院提出单油缸驱动、力臂式加载的研发思路，精心设计了力、位移反馈控制电路及控制软件，解决了全尺寸试验钢管应变监测、载荷—内压耦合处理、载荷峰值捕获等技术难题，建成了内压条件下管道全尺寸弯曲试验系统。
  该试验系统最大口径1219毫米，最大弯矩3.6万牛·米，整管试验的油缸位移控制加载精度保持在3毫米以下，整体达到国际领先水平。目前，这套试验系统已为中缅管道、中俄东线等多个大型管道建设项目进行了验证试验，不仅提高了我国高应变管线钢管的生产制造水平和管道基于应变设计的研究水平，而且解决了全尺寸管道在复杂服役环境下的环焊缝承载能力评估与缺陷行为预测的技术难题。（陈青采写）
  在更广阔的天地间追求下一次“突破”
  （管道局检测公司研究发展中心资深工程师常连庚）
  我国目前有近3万公里的小口径管道，其中大部分小口径管道建设较早，尤其是油田集输管网有口径小、压力高、壁厚大、输送介质复杂等特点。腐蚀穿孔泄漏、焊缝裂纹缺陷等引起的油气管道失效是主要的管道运行安全隐患，现有管道漏磁腐蚀内检测技术的分辨率还不足以精确分析所有类型的缺陷，如复杂腐蚀、针孔缺陷、环焊缝缺陷（未融合、未焊透、错边）、开口型裂纹缺陷等。数据分析通常比较保守，导致许多不必要的现场开挖。
  超高清漏磁复合内检测技术有效解决了该技术难题，可以检测和量化针孔缺陷、有效识别环焊缝缺陷，精确分析复杂缺陷，整体技术水平达到甚至超过了国际先进水平。
  通过运行超高清漏磁内检测器，解决了目前普遍应用的高清晰度漏磁内检测无法对环焊缝异常程度进行准确分类量化的问题，同时还可将超高清漏磁检测数据图形化并与无损检测技术相关联，探索研究两种检测信号图形特征的关联性，以期研究出一套可行的超高清漏磁内检测环焊缝缺陷定性及定量方法，进一步研究实现射线拍片的评价方法和漏磁内检测的评价方法与评价标准的统一。
  当前，国内在役长输油气管道总长度超过12万公里，而油田集输管网以及城市燃气管网等总长度超过30万公里，超高清漏磁复合内检测技术的应用可以保障油气管道的运行安全，同时创造更大的经济效益和社会效益。（王悦徐义泽采写）
  实践者说
  机器人焊接时代已经来临
  （CPP412机组工艺师莫志聪）
  目前，我国的长输油气管道建设大都采用自动焊工艺和装备，如果没有管道自动焊装备，就无法进行管道工程的投标和进场施工。我们从2020年7月开始使用新研制的CPP900-W2N双焊炬外焊机，提升了焊接速度，并且焊接质量也有了质的飞跃。
  新设备外观简洁、体积轻便，采用国产化优质电源，焊接电源稳定性高，并且全中文操作界面，焊接参数一目了然。新系统加装了智能化跟踪系统，实现了焊接参数的自动调整。焊接小车的行走速度及焊炬的送丝速度、摆动宽度、摆动频率、焊接电压修正等焊接参数均随着焊接位置的变化而变化，各点参数均由自动控制程序完成。但在焊道受到外部因素影响较大时，也可以及时进行人工调节，保证焊接过程顺利，焊道成型优美，质量可靠，使人与设备的配合更“默契”。目前新系统已在各工程现场共计装备26个机组，累计焊接200多公里，将近2万道口，一次焊接合格率超过95%。
  科技成果推广真正服务一线
  （管道局一公司项目经理李斌）
  我们承接的一个长距离小口径管道工程，管道直径323毫米，长度1000多公里，采用“铜衬内对口器组对+单焊炬外焊机外部根焊”的焊接工艺，需要采用管道坡口机现场加工复合V形坡口。在项目筹备阶段，当时我们用市场上的小口径管道坡口机做实验测试，坡口效率、加工精度和环境适应性都不能满足工程需要。中国石油天然气管道科学研究院有限公司紧急攻关，开发出了PFM1222型小口径管道坡口机，满足了工程所需。
  PFM1222型小口径管道坡口机可在恶劣施工环境中，实现工作性能稳定、坡口速度快、精度高，满足了管道自动焊焊接工艺要求。此外，它操作简单，可提高焊接施工工效10%，每道口节约焊接费用约400元。我们整个工程共投入小口径管道坡口机13套，截至目前已完成管道坡口约16.8万道，长度约900公里。