丁昱 侯浩 軒恒

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司

摘  要：在管道環(huán)焊縫排查治理工作中，盡可能精確地篩選出缺陷焊縫，可以有效降低成本。以中緬天然氣管道（國(guó)內(nèi)段）干線為例，對(duì)環(huán)焊縫排查方法及開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探討提升同類山區(qū)管道環(huán)焊縫缺陷排查準(zhǔn)確率的方法。

關(guān)鍵詞：山區(qū)管道；環(huán)焊縫；開(kāi)挖驗(yàn)證；底片；內(nèi)檢測(cè)；不等壁厚

近年來(lái)，高強(qiáng)度鋼管道的環(huán)焊縫質(zhì)量問(wèn)題日益凸顯[1]。以中緬天然氣管道（國(guó)內(nèi)段）干線（以下簡(jiǎn)稱中緬天然氣管道）為例，目前已開(kāi)挖驗(yàn)證近萬(wàn)道環(huán)焊縫，平均不合格率約11%。為了盡可能精確篩選出缺陷焊縫，降低環(huán)焊縫排查治理成本，以平均不合格率為基準(zhǔn)，對(duì)比各類評(píng)價(jià)方法在實(shí)際開(kāi)挖驗(yàn)證中的缺陷發(fā)生概率，從排查方法及開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)果和影響因素兩個(gè)方面驗(yàn)證各類評(píng)價(jià)效果，探討精確選口的方法。

1  排查方法及開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)果

1.1  底片復(fù)評(píng)

底片復(fù)評(píng)是通過(guò)排查管道建設(shè)期的射線無(wú)損檢測(cè)底片，以發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量“存疑點(diǎn)”。依據(jù)管道制管焊縫組對(duì)間距不符合（GB 50369―2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》第10.2.2條）、原片不合格但未見(jiàn)返修合格底片、像質(zhì)計(jì)絲號(hào)識(shí)別不符合標(biāo)準(zhǔn)要求等篩查原則，對(duì)管道建設(shè)期的所有環(huán)焊縫的射線底片復(fù)核，評(píng)定出底片復(fù)核存疑焊口。經(jīng)過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)底片存疑焊口的不合格率高達(dá)55.94%，裂紋口占比也達(dá)到7.43%。可見(jiàn)底片存疑焊口實(shí)際出現(xiàn)缺陷的概率極高，建議將底片存疑焊口作為環(huán)焊縫排查的首選目標(biāo)焊口。

1.2  風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

中緬天然氣管道環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用半定量方法（圖 1），將影響管道環(huán)焊縫可靠性的13個(gè)指標(biāo)分為環(huán)焊縫缺陷、載荷、材料性能和施工管理四類，并分析各個(gè)指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系，對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦值評(píng)分，綜合評(píng)價(jià)其引起管道泄漏的可能性；對(duì)于高后果區(qū)內(nèi)的環(huán)焊縫，以不同的安全系數(shù)來(lái)表示泄漏事故后果的嚴(yán)重程度，將上述分值與安全系數(shù)相乘，最終得到管道沿線的風(fēng)險(xiǎn)大小。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果確定環(huán)焊縫的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并參照GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》的風(fēng)險(xiǎn)矩陣將中緬天然氣管道環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)分為低級(jí)、中級(jí)、較高級(jí)、高級(jí)四個(gè)等級(jí)。經(jīng)過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)較高級(jí)以上環(huán)焊縫開(kāi)挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)不合格環(huán)焊縫占比18.79%，裂紋口占比1.11%，其中高風(fēng)險(xiǎn)不合格焊口占比達(dá)到20.47%，不合格率約為平均值2倍，說(shuō)明風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有一定的科學(xué)性。 

1.3  完整性評(píng)價(jià)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外主要評(píng)價(jià)方法BS 7910:2013《Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures》、GB/T 19624―2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》等，將缺陷劃分為體積型缺陷和平面型缺陷兩大類，分別包括圓形缺欠（點(diǎn)狀氣孔、點(diǎn)狀?yuàn)A渣）、內(nèi)凹、燒穿等；裂紋、未熔合、未焊透、咬邊、條形缺欠（條形氣孔、條形夾渣）。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，體積型缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)完整性影響較小，在載荷取1.39安全系數(shù)的情況下，10 MPa工況下評(píng)價(jià)所有體積型缺陷均可通過(guò)。而平面型缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)完整性影響較大，在各種工況下評(píng)價(jià)均有部分平面型缺陷被評(píng)價(jià)為完整性不可接受焊口。通過(guò)對(duì)完整性評(píng)價(jià)不可接受環(huán)焊縫開(kāi)挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)此類環(huán)焊縫不合格率高達(dá)43.06%，裂紋占比也高達(dá)5.670%。根據(jù)完整性評(píng)價(jià)結(jié)論排查的不合格焊口和裂紋口的準(zhǔn)確性很高，可見(jiàn)對(duì)環(huán)焊縫開(kāi)展完整性評(píng)價(jià)的重要性和必要性。

1.4  內(nèi)檢測(cè)異常

利用管輸介質(zhì)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)器在管道內(nèi)運(yùn)行，實(shí)時(shí)檢測(cè)和記錄管道的變形、腐蝕等損傷情況（圖 2），可事先發(fā)現(xiàn)各種缺陷和損傷。內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)齊后，即可實(shí)現(xiàn)建管數(shù)據(jù)與內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，找出風(fēng)險(xiǎn)環(huán)焊縫在內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)中相對(duì)應(yīng)的具體位置[2]。同時(shí)，結(jié)合建設(shè)期資料也可梳理出疑似黑口的“三無(wú)”環(huán)焊縫。

結(jié)合中緬天然氣管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊成果，對(duì)發(fā)現(xiàn)的較嚴(yán)重及以上異常環(huán)焊縫組織開(kāi)挖驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)不合格焊口占比達(dá)到24.61%，裂紋口率為2.36%，不合格率約為平均值的2.5倍，說(shuō)明內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)也具有一定的參考價(jià)值。

隨著內(nèi)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展，軸向應(yīng)變檢測(cè)功能也逐步普及，檢測(cè)器上還可加入IMU模塊定位管道坐標(biāo)。日后的開(kāi)挖驗(yàn)證選口可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果劃定的軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變集中區(qū)域（圖 3），組織對(duì)應(yīng)力較大的環(huán)焊縫開(kāi)挖驗(yàn)證；也可以根據(jù)IMU數(shù)據(jù)與竣工中心線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析和確定管道位移變化情況，進(jìn)一步驗(yàn)證軸向應(yīng)變內(nèi)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2  影響因素分析

2.1  空間分布

對(duì)開(kāi)挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)的不合格環(huán)焊縫、裂紋焊縫在管道上分閥室區(qū)段、分施工機(jī)組進(jìn)行空間排布，尋找缺陷環(huán)焊縫的分布規(guī)律。

通過(guò)對(duì)不合格環(huán)焊縫、裂紋焊縫復(fù)拍底片和外部環(huán)境分析，發(fā)現(xiàn)不合格環(huán)焊縫的閥室區(qū)間多位于黃土易塌陷土質(zhì)或多山區(qū)帶，地形復(fù)雜，管道容易受力；或者集中在某施工單位個(gè)別機(jī)組。管道強(qiáng)力組對(duì)的組對(duì)應(yīng)力、土體位移導(dǎo)致管道所受拉應(yīng)力、管道連續(xù)起伏所受拉力、焊口處打磨或補(bǔ)焊造成焊縫薄弱等。 

2.2  不等壁厚焊口、彎頭

不等壁厚（大錯(cuò)邊量）處的環(huán)焊縫往往存在焊口單面焊雙面成型難度大、幾何形狀突變易引起應(yīng)力集中等，該環(huán)焊縫在焊根處由于壁厚過(guò)渡引起截面形狀的突變，在外力作用時(shí)很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[3]，引發(fā)環(huán)焊縫開(kāi)裂或斷裂。而彎頭處的環(huán)焊縫失效往往與不等壁厚焊口及彎頭的母材有關(guān)，特別是連續(xù)彎曲處也易造成應(yīng)力集中，此類環(huán)焊縫發(fā)生脆性斷裂從而引發(fā)延遲裂紋的可能性高于其他類型環(huán)焊縫。中緬天然氣管道通過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證，熱煨彎頭口的不合格焊口占比13.55%，裂紋口占比1.16%，變壁厚焊口不合格焊口占比12.93%，裂紋口率0.74%。彎頭變壁處環(huán)焊縫出現(xiàn)缺陷的幾率要高于平均不合格率。

2.3  焊接工藝、焊口類型

從焊接類型上分析，手工焊的不合格焊口比率最高，為25%；焊條電弧焊次之，為15.28%。從焊口類型上看，彎管+返修口焊口類型的不合格比率最高，為45%，其次返修口、彎管+死口、彎管變壁厚口+返修口，這4種焊口類型的不合格比率均在20%～25%之間，剩余焊口類型不合格比率皆在20%以下。

3  規(guī)律總結(jié)

結(jié)合往年對(duì)中緬天然氣管道環(huán)焊縫開(kāi)挖驗(yàn)證實(shí)際情況（圖 4），從篩查和評(píng)價(jià)方面可印證出底片存疑口（不合格率51.39%，裂紋率0.375%）、內(nèi)檢測(cè)異常焊口（不合格率24.61%，裂紋率0.236%）出現(xiàn)缺陷焊口或者裂紋焊口的幾率較高。環(huán)焊縫風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（不合格率18.79%，裂紋率0.111%）以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的完整性評(píng)價(jià)（不合格率43%，裂紋率0.567%）均具有一定科學(xué)性，對(duì)查找不合格焊口和裂紋口較為準(zhǔn)確。客觀上論證了底片復(fù)核、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性評(píng)價(jià)、管道內(nèi)檢測(cè)結(jié)論可以作為環(huán)焊縫開(kāi)挖驗(yàn)證選口的重要依據(jù)。

從焊口類型上分析環(huán)焊縫冷彎、熱煨、不等壁厚的特殊焊口出現(xiàn)缺陷的幾率要高于其他類型焊口。由于焊接成型難度大、射線檢測(cè)評(píng)判困難、幾何形狀突變易引起應(yīng)力集中等原因，發(fā)生脆性斷裂從而出現(xiàn)延遲裂紋的可能性高于其他。因此，彎頭變壁返修口特性環(huán)焊縫、閥室區(qū)段、施工機(jī)組分布等因素也具有參考性，可作為環(huán)焊縫開(kāi)挖驗(yàn)證選口的又一綜合考量依據(jù)。

4  小結(jié)

隨著管道大數(shù)據(jù)的逐步形成，管道安全評(píng)估理念呈現(xiàn)出由數(shù)據(jù)評(píng)估代替風(fēng)險(xiǎn)專家評(píng)估、由工程適用性評(píng)估代替風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的趨勢(shì)[4]。我國(guó)管道早期建設(shè)過(guò)程中遺留的問(wèn)題多，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大都存在不同程度的缺失，后續(xù)需要科學(xué)、有取舍地開(kāi)展開(kāi)挖驗(yàn)證，探索更有效的管道數(shù)據(jù)分析方法。隨著環(huán)焊縫大數(shù)據(jù)挖掘不斷深入，關(guān)聯(lián)因素持續(xù)梳理，環(huán)焊縫排查數(shù)據(jù)也逐步呈現(xiàn)出一定規(guī)律，各類型環(huán)焊縫之間的數(shù)據(jù)差異也愈加明顯，使用環(huán)焊縫缺陷排查數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)精確選口排查將成為一種趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：丁昱，1983年生，工程師，2006年畢業(yè)于四川大學(xué)電氣信息學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道完整性管理環(huán)焊縫排查工作。聯(lián)系電話：15368668321，155325044@qq.com。