蔣慶梅 熊健 高顯澤 李寄

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

摘  要：總結(jié)了近期國(guó)內(nèi)外管道環(huán)焊縫失效案例，指出外部附加載荷、變壁厚環(huán)焊縫處應(yīng)力集中、焊接接頭韌性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求、焊接缺陷超標(biāo)及返修等是造成失效的主要原因。進(jìn)一步分析了具體影響因素如強(qiáng)力組對(duì)、地質(zhì)災(zāi)害、不等壁厚內(nèi)坡口處理困難、焊接工藝執(zhí)行不到位，以及缺陷漏檢、錯(cuò)判和私自返修等，從設(shè)計(jì)、管材、焊接、無(wú)損檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)管理等五個(gè)方面提出了改進(jìn)措施建議，為管道設(shè)計(jì)、施工作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：環(huán)焊縫；力學(xué)性能；管材；焊接；無(wú)損檢測(cè)

采用高鋼級(jí)、高壓、大口徑管道是提高管道輸送能力和輸送效益的主要途徑，國(guó)外已建X80管道達(dá)1.3萬(wàn)公里，國(guó)內(nèi)X80管道總里程達(dá)到1.5萬(wàn)公里�；仡櫼酝�天然氣管道工程，各類環(huán)焊縫失效問(wèn)題導(dǎo)致的安全事故時(shí)有發(fā)生[1]，如2017年以來(lái)中緬天然氣管道（國(guó)內(nèi)段）兩次發(fā)生高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫斷裂造成燃爆事故。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)油氣管道事故率平均為3次/1000公里·年，遠(yuǎn)高于美國(guó)的0.5次/1000公里·年和歐洲的0.25次/1000公里·年。有必要針對(duì)管道環(huán)焊縫失效原因進(jìn)行深入剖析，提出改進(jìn)措施建議，為今后工程應(yīng)用提供參考與借鑒。

1  失效案例及原因分析

1.1  國(guó)內(nèi)外失效案例

收集到國(guó)內(nèi)2000年以來(lái)管道環(huán)焊縫失效案例26起，涵蓋X52至X80等各種鋼級(jí)，其中X80管道運(yùn)行期失效4起，建設(shè)期失效3起。

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，北美地區(qū)在過(guò)去2～3年內(nèi)發(fā)生10次管道失效事故、多數(shù)為X70鋼級(jí)管道環(huán)焊縫失效，詳見(jiàn)表 1。

1.2  失效原因

國(guó)內(nèi)管道建設(shè)期失效主要原因是：①?gòu)?qiáng)力組對(duì)應(yīng)力；②錯(cuò)邊超差引起的應(yīng)力集中；③不等壁厚連接造成較大應(yīng)力集中；④焊接質(zhì)量不合格；⑤焊縫韌性低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

國(guó)內(nèi)管道運(yùn)行期失效主要原因是：①承受外部載荷；②不等壁厚連接引起應(yīng)力集中；③管段組對(duì)應(yīng)力；④焊縫韌性低于標(biāo)準(zhǔn)要求和焊接缺陷。

北美地區(qū)管道失效主要原因包括：錯(cuò)邊量超標(biāo)、焊口變壁厚、施焊中管道起吊和下溝、連頭和返修施工不符合要求、無(wú)損檢測(cè)錯(cuò)評(píng)漏評(píng)，以及不遵守焊接工藝紀(jì)律等。

每一個(gè)失效案例都是兩個(gè)或兩個(gè)以上失效原因累加的結(jié)果，失效原因可以歸納為以下幾個(gè)方面：①外部附加載荷——強(qiáng)力組對(duì)、地質(zhì)災(zāi)害（滑坡等）、管道曲率與管溝形狀不相符；②變壁厚環(huán)焊縫處應(yīng)力集中——現(xiàn)場(chǎng)不等壁厚內(nèi)坡口處理困難；③焊接接頭韌性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求——現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝執(zhí)行不到位；④焊接缺欠超標(biāo)及私自返修——缺陷漏檢、錯(cuò)判和存在私自返修。

2   改進(jìn)措施

2.1  設(shè)計(jì)方面

（1）優(yōu)化管道選線和設(shè)計(jì)。對(duì)于不良地質(zhì)段，在可行性研究階段增加地災(zāi)專業(yè)人員參與選線，依托地災(zāi)評(píng)價(jià)，重點(diǎn)關(guān)注管道沿線地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。在初步設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行地災(zāi)段復(fù)核并進(jìn)行管道路由的合理規(guī)避，不能規(guī)避的，進(jìn)行專項(xiàng)勘察和地災(zāi)治理設(shè)計(jì)。在施工圖設(shè)計(jì)階段，根據(jù)詳勘結(jié)果，對(duì)地災(zāi)進(jìn)行進(jìn)一步識(shí)別、繞避，開(kāi)展與地災(zāi)結(jié)合的施工圖設(shè)計(jì)，并對(duì)人為開(kāi)挖邊坡帶來(lái)的不利因素進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià)，采取必要防控措施。

（2）提升應(yīng)力校核水平。在初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段，開(kāi)展不同管段應(yīng)力校核，結(jié)合施工圖敷設(shè)情況，篩選典型地段，考慮管道可能經(jīng)受的外部荷載情況，采用有限元軟件進(jìn)行實(shí)際工況下的應(yīng)力校核，確保管道應(yīng)力不超過(guò)規(guī)范許用應(yīng)力，如表 2、表 3所示。

（3）減少熱煨彎管使用數(shù)量。通過(guò)優(yōu)化管道轉(zhuǎn)向角度、降坡/削坡設(shè)計(jì)、彈性敷設(shè)設(shè)計(jì)（圖 1）、多個(gè)冷彎彎管代替熱煨彎管設(shè)計(jì)等，減少熱煨彎管使用數(shù)量，進(jìn)而減少不等壁厚組對(duì)焊口。

（4）改進(jìn)不等壁厚坡口設(shè)計(jì)。變壁厚處坡口焊接質(zhì)量差，易出現(xiàn)焊縫缺欠/缺陷和產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，當(dāng)管道受到外部載荷作用時(shí)，將一定程度擴(kuò)大載荷應(yīng)力。以中俄東線為例，對(duì)于常規(guī)內(nèi)部打磨斜坡的不等壁厚坡口，應(yīng)力集中系數(shù)在1.16～1.29之間。為減少應(yīng)力集中，優(yōu)化焊縫成型質(zhì)量，結(jié)合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)人員提出錐孔形坡口設(shè)計(jì)，即在厚壁管內(nèi)部加工錐孔形坡口以實(shí)現(xiàn)等壁厚對(duì)接的目的，詳見(jiàn)圖 2。采用該圖形式的坡口，不同壁厚組合計(jì)算得到的應(yīng)力集中系數(shù)在1.04～1.08之間。

（5）運(yùn)用智能監(jiān)測(cè)技術(shù)。在可能會(huì)引發(fā)外部荷載的地段，如滑坡、泥石流、崩塌、沉陷、凍土等地段，結(jié)合智能管道建設(shè)，設(shè)置地表位移監(jiān)測(cè)、管體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等設(shè)施。

在高后果區(qū)、大中型河流穿越點(diǎn)、河流采砂區(qū)等關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置智能攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動(dòng)報(bào)警。全線設(shè)置管道泄漏監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，利用同溝敷設(shè)通信光纜采用光纖振動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)第三方損壞自動(dòng)報(bào)警和定位功能。通過(guò)光纖測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)地段管道泄漏監(jiān)測(cè)光纖傳感技術(shù)。設(shè)置陰保遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。

（6）連頭口位置及驗(yàn)溝要求。明確提出連頭口應(yīng)選擇在直管段上，距離彎管的曲線段不應(yīng)小于24 m，同時(shí)避免連頭口設(shè)在不等壁厚焊縫處，以降低組對(duì)時(shí)應(yīng)力集中。管溝成型后應(yīng)進(jìn)行檢查，管溝檢驗(yàn)項(xiàng)目、數(shù)量、方法及合格標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 4。

增加特殊地段溝底標(biāo)高檢驗(yàn)數(shù)量：①縱向彈性敷設(shè)段每10 m測(cè)一點(diǎn)；②所有的縱向變坡點(diǎn)及水平轉(zhuǎn)角點(diǎn)均須檢驗(yàn)，且每處至少測(cè)三點(diǎn)（始點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)）；③河流、溝渠開(kāi)挖穿越段除所有的縱向變坡點(diǎn)外，穿越段每6 m測(cè)一點(diǎn)（含岸坡段）；④所有田坎高、低點(diǎn)各測(cè)一點(diǎn)；⑤判定管溝的溝深或管道埋深是否滿足要求的依據(jù)，應(yīng)以管溝底標(biāo)高或管頂標(biāo)高為依據(jù)。

2.2  管材方面

（1）限制合金成分上下限。鋼管化學(xué)成分的較大差異，會(huì)降低焊接工藝和焊材的適用性，縮小現(xiàn)場(chǎng)焊接的工藝窗口，增加管道焊接難度，造成焊縫力學(xué)性能波動(dòng)加劇。為此，采用低C、Mn的成分設(shè)計(jì)體系，并加入適量的Mo、Ni、Nb、V、Ti、Cu、Cr等微合金元素，同時(shí)限定重要微合金元素的上下限指標(biāo)，使得鋼廠根據(jù)自身的設(shè)備能力特點(diǎn)，基本上采用一致的軋制工藝，以杜絕任意更改工藝導(dǎo)致熱影響區(qū)軟化等問(wèn)題。同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制CEP cm值≤0.22%，以確保鋼管冷裂紋傾向不敏感。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)確保批量生產(chǎn)的鋼管CEP cm值與參與焊接工藝評(píng)定用的鋼管CEP cm值波動(dòng)范圍小于±0.02%，碳含量波動(dòng)范圍應(yīng)小于±0.02%，以保證現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝的適用性。

（2）縮小鋼管強(qiáng)度范圍。管材性能指標(biāo)在已有設(shè)計(jì)及管材標(biāo)準(zhǔn)中均有規(guī)定。中俄東線對(duì)X80管線鋼屈服強(qiáng)度上限由705 MPa降為675 MPa，抗拉強(qiáng)度上限由825 MPa降為765 MPa，為管材與焊材強(qiáng)度匹配奠定了基礎(chǔ)（表 5）。

（3）嚴(yán)控管端外形尺寸。焊接接頭錯(cuò)邊量大，導(dǎo)致接頭承載有效壁厚減小，并形成應(yīng)力集中，承壓能力降低，需要對(duì)管端的橢圓度和周長(zhǎng)偏差嚴(yán)加控制。以中俄東線為例，對(duì)于橢圓度允許偏差，管端為0.5%D，管體為0.8%D，鋼管管端外徑允許偏差為﹢1.25 mm～﹣1.0 mm，且兩端平均直徑之差≤2.0 mm。同時(shí)在鋼管設(shè)計(jì)文件中提出管端橢圓度控制、管端周長(zhǎng)控制及長(zhǎng)短軸標(biāo)識(shí)要求，減少組對(duì)錯(cuò)邊量。

2.3  焊接方面

多年工程實(shí)踐表明，半自動(dòng)焊工藝對(duì)焊工操作技能的要求較高，導(dǎo)致產(chǎn)生焊接缺陷的人為因素較大；自動(dòng)焊工藝則對(duì)焊工操作技能要求較低，焊接缺陷產(chǎn)生的設(shè)備因素較多，所以自動(dòng)焊工藝更有利于焊接質(zhì)量的控制與管理[2-3]。

從西三線中靖聯(lián)絡(luò)線建設(shè)逐步推廣自動(dòng)焊，到目前中俄東線已全面采用自動(dòng)焊。中俄東線（黑河―長(zhǎng)嶺）自動(dòng)焊接，經(jīng)過(guò)20道焊接工藝評(píng)定焊口質(zhì)量檢驗(yàn)、110道現(xiàn)場(chǎng)磨合焊口質(zhì)量抽檢、28道現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽口質(zhì)量檢查，焊口性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4  無(wú)損檢測(cè)方面

采用AUT檢測(cè)能夠?qū)θ毕萆疃�、高度進(jìn)行準(zhǔn)確定量，可以快速反饋全自動(dòng)焊焊接質(zhì)量，避免因焊接參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致大量缺陷產(chǎn)生，是首選的全自動(dòng)焊焊縫檢測(cè)方法。PAUT（含TOFD通道）采用自動(dòng)化檢測(cè)方式、多角度聚焦檢測(cè)方案，檢測(cè)速度快、人為影響因素少，檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，便于后續(xù)審核檢查[4]。自中俄東線開(kāi)始，對(duì)組合自動(dòng)焊增加了新的檢測(cè)方法——PAUT+TOFD，并針對(duì)GB/T 50818―2013《石油天然氣管道工程全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中TOFD和體積通道檢出的未熔合尺寸進(jìn)行了補(bǔ)充說(shuō)明，施工現(xiàn)場(chǎng)在執(zhí)行GB/T 50818―2013標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，應(yīng)滿足補(bǔ)充規(guī)定的相關(guān)要求，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格和完善。

2.5  現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管控方面

焊接是管道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”方面加強(qiáng)和改進(jìn)管理，包括焊工的準(zhǔn)入與清退管理、焊接機(jī)組入場(chǎng)與清退管理、質(zhì)量關(guān)鍵人員的培訓(xùn)管理、機(jī)具及材料二維碼應(yīng)用[5]、焊接及無(wú)損檢測(cè)設(shè)備管理、焊接材料管理、焊接質(zhì)量管理以及焊接環(huán)境管理。

3  結(jié)語(yǔ)

吸收借鑒國(guó)內(nèi)外管道環(huán)焊縫失效教訓(xùn)，在工程設(shè)計(jì)及施工過(guò)程采取有效措施，如控制外部荷載、減少不等壁厚對(duì)接環(huán)焊縫應(yīng)力集中、嚴(yán)控管材性能指標(biāo)波動(dòng)范圍、改進(jìn)焊接及無(wú)損檢測(cè)工藝和加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管控等，可以保證管道環(huán)焊縫質(zhì)量及管道服役安全。

參考文獻(xiàn)：

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[3]隋永莉，王鵬宇.中俄東線天然氣管道黑河—長(zhǎng)嶺段環(huán)焊縫焊接工藝[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2020，39(9): 961-970.

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作者簡(jiǎn)介：蔣慶梅，1986年生，高級(jí)工程師，2010年畢業(yè)于東北大學(xué)材料加工工程專業(yè)，碩士研究生。主要從事油氣長(zhǎng)輸管道完整性管理、管材、焊接檢測(cè)設(shè)計(jì)等工作。聯(lián)系方式：15233166192，316667696@qq.com。