張振永

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘要：國內(nèi)高鋼級管道發(fā)生的多起環(huán)焊縫失效案例表明，造成失效的主要原因包括焊縫韌性低、焊縫低強匹配、根部存在漏檢缺陷、環(huán)焊接頭應(yīng)力集中以及外部地面位移荷載等。以中俄東線天然氣管道設(shè)計建設(shè)為例，針對環(huán)焊縫質(zhì)量，圍繞地災(zāi)識別及防控、管材成分控制、焊接工藝、管道敷設(shè)以及無損檢測等方面做了針對性的改進工作，取得明顯成效。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；環(huán)焊縫失效因素；管道設(shè)計；改進措施

一段時期以來，國內(nèi)多次發(fā)生天然氣管道環(huán)焊縫失效事故。從斷裂失效因素看，除地面位移荷載外，主要包括焊縫韌性不達標、根部缺陷和不等壁厚應(yīng)力集中等因素。針對這一問題，國內(nèi)組織開展了大量環(huán)焊縫質(zhì)量改進提升工作，涉及到工程設(shè)計、管材控制、焊接工藝、無損檢測和現(xiàn)場管控等多個方面。中國石油天然氣管道工程有限公司作為設(shè)計單位全面參與了此項工作，并將成果逐一落實到中俄東線等在建工程設(shè)計中，明顯提升了管道的本質(zhì)安全水平。本文簡要介紹設(shè)計改進措施和經(jīng)驗做法，為其他管道工程提供借鑒。

1  管道環(huán)焊縫失效案例分析

1.1  數(shù)據(jù)對比分析

過去20年，國內(nèi)發(fā)生了多起天然氣管道環(huán)焊縫失效事故，建設(shè)期和運行期均有，涉及X52至X80等不同鋼級管道，其中以X65至X80鋼級居多，見圖 1。從失效發(fā)生時間看， 2011―2018年發(fā)生較多，但需要指出這段時間管道建設(shè)里程較長且高鋼級管道占比也較高，許多管道在建設(shè)期或投產(chǎn)初期就發(fā)生了環(huán)焊縫失效[1]。

圖 1 天然氣管道環(huán)焊縫失效統(tǒng)計

1.2  失效因素分析

通過對國內(nèi)X80管道失效案例分析可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)焊縫的失效受多種因素而非單一因素影響。建設(shè)期發(fā)生的環(huán)焊縫失效，主要原因為強力組對、不等壁厚引起的應(yīng)力集中、焊接缺陷和焊縫韌性低；運行期發(fā)生的環(huán)焊縫失效，主要原因為承受外部地面位移荷載作用、不等壁厚連接引起的應(yīng)力集中和焊縫韌性低等[2]。

美國于2008年和2009年較為集中建設(shè)的一批高鋼級管道（每年建設(shè)約6400公里），在打壓過程中發(fā)現(xiàn)了管材和環(huán)焊縫質(zhì)量問題，包括管道壓力試驗中的鼓脹變形、開裂和環(huán)焊縫泄漏，隨后在役管道也出現(xiàn)了環(huán)焊縫開裂事故。這些事故原因主要包括：高低錯邊、變壁厚、施工中的吊裝和下溝、連頭和返修施工不符合要求、無損檢測結(jié)果偏差，以及不遵守焊接工藝要求等。

2  設(shè)計改進措施

2.1  加強地質(zhì)災(zāi)害識別

在管道可行性研究階段，管道宏觀路由比選應(yīng)結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害專項評價，論證工程建設(shè)區(qū)域或場地適宜性，盡量避免管道通過多發(fā)地災(zāi)區(qū)；在初步設(shè)計階段，基于地質(zhì)災(zāi)害專項評價識別出的地災(zāi)點，進一步開展初步設(shè)計地質(zhì)災(zāi)害專題工作，對識別出的地災(zāi)點逐一現(xiàn)場復(fù)核，對于確認的地質(zhì)災(zāi)害優(yōu)先調(diào)整線路予以繞避，對無法繞避的應(yīng)采取處置措施，并把治理工程量納入概算；施工圖設(shè)計階段，結(jié)合線路詳勘工作，進一步識別沿線地質(zhì)災(zāi)害，重點對識別出且無法繞避的地災(zāi)點開展專項勘測，依據(jù)勘測成果進行地災(zāi)評價和施工圖設(shè)計，并在現(xiàn)場施工中根據(jù)實際情況進行動態(tài)調(diào)整和完善。

2.2  重視管材質(zhì)量管控

為保證管材的現(xiàn)場可焊性、實現(xiàn)焊接接頭高強匹配和便于實施自動焊，采取了以下主要改進措施：①嚴格控制管材化學(xué)成分和冷裂敏感系數(shù)（Pcm）值。在工程設(shè)計技術(shù)規(guī)格書和數(shù)據(jù)單中，對化學(xué)成分和Pcm值進行了嚴格限制，如中俄東線管道要求C0.07%、Pcm0.22%，同時對重要合金元素，也規(guī)定了區(qū)間范圍；②縮窄鋼管強度波動區(qū)間。為便于實現(xiàn)焊接接頭的高強匹配，基于國內(nèi)生產(chǎn)控制水平，并參考國外工程做法，對管材的屈服強度和抗拉強度區(qū)間進行了嚴格限定，如中俄東線管道工程分別要求管材屈服強度為555 MPa～675 MPa、抗拉強度為625 MPa～765 MPa，相比國家標準進行了較大縮窄；③降低管端橢圓度。為便于自動焊操作和降低錯邊導(dǎo)致的應(yīng)力集中，根據(jù)中俄東線工程需求，對熱煨彎管和直管的橢圓度分別嚴格控制為0.5%D和0.6%D。

2.3  推廣應(yīng)用自動焊技術(shù)

受制于藥芯生產(chǎn)過程中填充均勻穩(wěn)定性和焊接過程外部氣體入侵等因素，自保護藥芯焊絲半自動焊焊縫沖擊韌性離散性較高。為提升焊接質(zhì)量和施工效率，降低勞動強度，隨著國內(nèi)自動焊裝備的日益成熟，近期國內(nèi)高鋼級大口徑管道均使用了自動焊技術(shù)。中俄東線管道全線采用自動焊技術(shù)，并在設(shè)計文件中明確列出自動焊技術(shù)應(yīng)用具體要求，最終實現(xiàn)100%自動焊接施工，取得了巨大技術(shù)進步[3]。

2.4  落實環(huán)焊縫高強匹配

目前，國內(nèi)已普遍認可管道環(huán)焊縫采用等強或高強匹配原則，中俄東線管道設(shè)計基于高強匹配原則選用焊接材料，如全自動焊根焊采用 GB/T 8110 ER50-G或ER55-G、填充蓋面采用ER55-G焊接材料。環(huán)焊縫的高強匹配系數(shù)為1.02～1.23，平均值為1.12，較好地落實了高強匹配。

2.5  優(yōu)化路由轉(zhuǎn)向方式

熱煨彎管壁厚一般要大于直管，同時其曲率半徑較小，不能滿足自動焊的內(nèi)焊機通過需要。為順利實施自動焊流水作業(yè)，減少斷點和變壁厚口，在復(fù)雜山丘地區(qū)根據(jù)擬采用的自動焊工藝需求開展掃線設(shè)計，同時優(yōu)先采用彈性敷設(shè)和冷彎管組合實現(xiàn)大角度平面轉(zhuǎn)向，大幅縮減了熱煨彎管用量。據(jù)統(tǒng)計，已完工的中俄東線北段全長716 km，使用熱彎彎管約80個，平均0.12個/km；中俄東線中段全長1100 km，使用熱彎彎管約140個，平均0.13個/km。

2.6  優(yōu)化不等壁厚坡口型式

傳統(tǒng)倒角式不等壁厚焊口容易出現(xiàn)以下問題：①焊接結(jié)構(gòu)不連續(xù)，存在較大的應(yīng)力集中；②根焊縫質(zhì)量不易控制，容易出現(xiàn)焊接缺陷；③外形尺寸不規(guī)則，無損檢測容易漏檢根部缺陷。針對倒角式坡口存在的不足，開展了不等壁厚內(nèi)對齊施工技術(shù)研究，通過對管道自動焊內(nèi)焊機、應(yīng)力集中、無損檢測和坡口加工等系統(tǒng)研究，確定了新型內(nèi)孔錐型坡口型式和相關(guān)尺寸參數(shù)，并全面推廣應(yīng)用到中俄東線天然氣管道和其他在建高鋼級大口徑管道中，取得了顯著效果[4]。

2.7  推進無損檢測新技術(shù)應(yīng)用

針對以往全自動超聲波（AUT）檢測出現(xiàn)的缺陷檢出率不穩(wěn)定、缺陷尺寸精度差等問題，通過大量人員培訓(xùn)、設(shè)備改進、無損檢測工藝評定及現(xiàn)場管理提升等工作，AUT檢測技術(shù)已日臻成熟，并在中俄東線管道建設(shè)初期與射線（RT）檢測結(jié)果進行了大量對比，驗證了AUT檢測的可靠性�？紤]到中俄東線管道全自動焊接無損檢測的及時性和易出現(xiàn)未熔合缺陷的特點，采用100%AUT+20%RT復(fù)檢， 檢測結(jié)果可靠[5]。

針對傳統(tǒng)手工超聲波（UT）檢測受人為因素影響大、檢測結(jié)果可靠性差的問題，對相控陣超聲波（PAUT）檢測進行了大量試驗，從設(shè)備、人員和執(zhí)行標準上進行了改進和完善，方法也已成熟，已納入SY/T 4109―2020《石油天然氣鋼制管道無損檢測》，并大量應(yīng)用于中俄東線管道南段和西氣東輸三線棗陽—仙桃段等在建管道工程中，全面替代了UT工藝。

3  結(jié)語

為保障天然氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量，以中俄東線管道為代表的高鋼級大口徑天然氣管道，從地災(zāi)防治、管材成分控制、自動焊工藝應(yīng)用、環(huán)焊縫強度匹配、熱煨彎管使用、不等壁厚處理以及無損檢測技術(shù)等各方面均做了改進和應(yīng)用提升，取得了顯著成效。后續(xù)即將開工建設(shè)的西氣東輸三線中衛(wèi)—棗陽段和川氣東送二線等工程山區(qū)施工占比較高、地貌復(fù)雜，目前自動焊技術(shù)尚不能滿足這些復(fù)雜山區(qū)的現(xiàn)場施工需要，建議業(yè)內(nèi)進一步加強山區(qū)自動焊柔性內(nèi)焊機、輕量化大坡度自動焊裝備及工藝的相關(guān)研究，以實現(xiàn)自動焊技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用。

參考文獻：

[1]羅金恒，楊鋒平，王珂.油氣管道失效頻率及失效案例分析[J].金屬熱處理，2015(40)：470-474

[2]陳小偉，張對紅，王旭.油氣管道環(huán)焊縫面臨的主要問題及應(yīng)對措施[J].油氣儲運，2021，41(9)：1072-1080.

[3]張振永.高鋼級大口徑天然氣管道環(huán)焊縫安全提升設(shè)計關(guān)鍵[J]. 油氣儲運，2020，37(7)：740-748.

[4]楊明，劉玉卿，高琦，等.西四線變壁厚鋼管環(huán)焊縫內(nèi)坡口設(shè)計方案[J].焊管，2021，44(3)：11-16.

[5]張振永.中俄東線X80鋼級Φ1422 mm管道工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用[J].焊管，2019，42(7)：1-7.

作者簡介：張振永，1971年生，教授級高工，1995年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）焊接設(shè)備及材料專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣長輸管道工程設(shè)計和管道可靠性及完整性等工作。聯(lián)系方式：13292615649，cppe_zhangzy@cnpc.com.cn。