弯管工艺在海洋工程中的应用

张志国翁文林王清利刘青海

海洋石油工程股份有限公司      天津市滨海新区 300452

摘要：随着海洋油气开发的发展，油气的管道运输是海洋油气生产的重要组成部分。近年来海洋输送管道以其耐腐蚀、便于安装铺设等优点在海洋油气生产中得到广泛应用。在海洋工程中，标准管件在管道工程中起着重要的作用，但在一些特殊场合，有时须使用非标管件。如海底管线的水平管、立管以及平台上部某些工艺管线的拐点，通常情况下需要弯制大半径弯管，以满足海底管线通球的特殊要求，以及减少流体在管道中的能量损失和对管道的冲蚀。

关键词：海洋；管道；弯管  

随着现代化生产系统的不断发展,各种物料的管道运输系统日益增多,如石油输送管道、天然气输送管道、 输水管道以及应用在各种机器中的管道管路系统。弯管工艺系统主要由设备和管道组成，各种流体输送均需要通过管道实现，因此，管道在维持安全中起着不可替代的作用。管道布置设计过程中，由于系统需要、空间布局以及热膨胀、柔性设计等原因，经常需要改变管道的走向，具体可通过采用弯头或弯管实现。弯管是管道制作加工过程中的一种常见工艺，与弯头相比，具有减少管道总焊缝、降低振动、流阻小等优点，有利于保证施工质量。

一、弯管工艺概述

弯管的加工制作通常分为冷弯和热弯。冷弯适用于弯制管径小、管壁薄的管线，热弯则适用于弯制管径较大、管壁厚的管线。另外按照弯制方法，热弯又可 以分为手工 热弯和机械热弯，其中火焰热弯是一种常用的机械热弯方法。目前，国内应用的热弯弯管主要为感应加热弯管，其工作原理是利用中高频电源对管子圆周方向狭窄带进行加热，直到弯管所需的温度，同时将管子匀速推进，弯矩作用到管子的加热区域使管子沿预设的轨道弯曲，从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管。冷弯的工作原理是将管子沿胎具旋转拖拽，从而形成具有一定曲率半径和角度的弯管，不需要对管子进行加热，不改变管子材料金相组织，具有节能、高效等优点。

二、海洋弯管应用

1、海洋弯管应用现状。在可能的情况下，设计上应优先选用弯管来代替弯头; 同时要求，DN≤60.3 mm 的管道必须采用弯管形式( 除弯曲角度 45°和 90°外) ，弯曲角度为 45°和 90°的可选用弯管或标准弯头。海洋布置设计文件中对弯管的要求为弯曲半径≥5．0D( D 为管子名义直径，mm) ，弯头的弯曲半径可达到 1．5D( 长半径) 或 1． 0D( 短半径) ，由于受限于布置空间，大部分情况下只能采用弯头使用弯头的数量约 6 500 个，使用弯管仅 150 个，弯管使用量仅占 2．3% 。随着弯管技术的发展，大口径弯管的最小弯曲半径可以达到 3D，并已成功管道中应用为弯管技术的应用提供了条件。

2、弯管代替弯头的优点

(1) 每个弯头的两端均需设置焊缝，并在施工现场施焊，使用弯管可以有效减少焊缝总数量，一般采用 1 条弯管可减少 1 条焊缝，有利于减少现场焊接及无损检测工作量，降低建造成本。同时，管道焊缝区域往往是缺陷易发区，焊缝总数量的减少有利于确保管道的质量和安全，提高海洋的安全性。

(2) 弯管的弯曲半径大，不仅降低了流体由于流向变化对管线的冲击，降低管道振动，而且由于弯曲部分的应力增加系数，大弯曲半径的弯管较弯头应力增加系数小，使管道系统的应力分布更均匀，受力更合理。

( 3) 弯管的局部阻力小，可以降低管道阻力，提高经济性根据 DL /T 5054《管道设计技术规定》可知，采用90°弯管和弯头的局部阻力系数分别为 0．20 和 0．25，可见，不计内径的变化和沿程阻力损失，仅局部阻力系数不同引起的局部阻力就相差 25% 。

(4) 按照安全相关法规要求，海洋运行期间需要定期开展在役检查，管道焊缝的无损检测是在役检查的主要工作，采用弯管后管道焊缝的减少有利于减少在役检查无损检测工作量，降低海洋运行成本。因此，海洋中应用弯管工艺，不仅可以有效减少焊缝总数量，降低施工成本，缩短施工周期，而且焊缝数量的减少可以降低海洋运行期间在役检查工作量，降低运行成本，提高海洋油田的经济性。

3、弯管的设计和验收要求

（1）弯管机械性能要求。除了材料的化学成份直接影响到机械性能外，热加工、热处理等物理过程也可 能改变材料的机械性能。其中主要指标包括抗拉强度、屈服极限、延伸率、断面收缩率、冲击功、硬度等。试验时可在弯管上切取试件，进行破坏性试验，以检查以上各种力学性能。通常进行的机械性能试验包括拉伸试验、冲击试验、硬度试验等。试件的一般要求① 材料特性应在成品最终状态下测定② 试件应在成品管子上切取③ 试件制备应不影响材料的机械性能。拉伸性能拉伸试验是为了测定金属的强度、刚度、弹性和塑性。

具体做法可以根据相关标准，从管子上切取拉伸试件，试件应具有全壁厚的矩形截面，在拉力试验机上施加连续而平稳的载荷，直至试件断裂，记录并分析拉伸曲线、应力一应变曲线，求得材料抗拉强度、屈服强度、弹性模量、伸长率和断面收缩率。拉伸试验可进行横向或纵 向拉伸试验，试验取样范围可以包括直管段、焊缝、中性区和过渡区。冲击韧度试验是检验材料抗冲击载荷作用的能力，评定金属材料的冲击韧度。 因为有些材料在低温下会出现冷脆现象，所以对于操作温度有可能出现低温的工况，必须使材料具有更低的冷脆转变温度，由此可见对材料进行低温冲击韧性试验是非常必要的。进行低温冲击性试验可以根据标准取件，试件做成方形条状并在中部开有形缺口。在试验时试件事先浸入规定的低温冷浴内冷却，按照不同的要求设计。

（2）弯管的检验检验方法与机械性能试验不同，无损检验是对被检物进行无损伤的检查，包括多种检测方法。而弯管的无损检验通常采用超声波检测法和磁粉检测法。弯管表面的质，检查包括以下内容不得有氧化皮、划痕、裂纹和过烧等缺陷。弯管表面不得有明显褶皱弯管表面无硬点，弯管内外表面应光滑无外观缺陷。超声波检测利用超声波可 以检测被检弯管的材料表面、近表面和内部缺陷。磁粉检测在强磁场中，利用铁磁性材料表层缺陷产生的漏磁场吸附磁粉的现象而进行的检测。用于检验铁磁性材料的表面和近表面的微小缺陷。

随着弯管技术的发展，大口径弯管的最小弯曲半径可以达到3D，并已在海洋行业中广泛应用，按照规范规定并结合项目的特殊要求，制定出弯管技术的具体要求，对于一些规范中未做严格规定的内容，使用弯管可以有效减少管道焊缝总数量，减少现场施焊工作量，缩短建造周期，降低建造成本，焊缝数量的减少有利于提高海洋油田的安全性，减少海洋在役检查的工作。要注意结合其他油田的弯管技术条件和经验数据最后，了解目前市场上弯管制造工艺的最新现状，从而确定出优化、合理的弯管技术要求和弯制工艺。

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