張振永

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

摘要：國(guó)內(nèi)高鋼級(jí)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(qiáng)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(jì)建設(shè)為例，針對(duì)環(huán)焊縫質(zhì)量，圍繞地災(zāi)識(shí)別及防控、管材成分控制、焊接工藝、管道敷設(shè)以及無(wú)損檢測(cè)等方面做了針對(duì)性的改進(jìn)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(jì)；改進(jìn)措施

一段時(shí)期以來(lái)，國(guó)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(dá)標(biāo)、根部缺陷和不等壁厚應(yīng)力集中等因素。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)組織開(kāi)展了大量環(huán)焊縫質(zhì)量改進(jìn)提升工作，涉及到工程設(shè)計(jì)、管材控制、焊接工藝、無(wú)損檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)管控等多個(gè)方面。中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司作為設(shè)計(jì)單位全面參與了此項(xiàng)工作，并將成果逐一落實(shí)到中俄東線等在建工程設(shè)計(jì)中，明顯提升了管道的本質(zhì)安全水平。本文簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)改進(jìn)措施和經(jīng)驗(yàn)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(duì)比分析

過(guò)去20年，國(guó)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(yùn)行期均有，涉及X52至X80等不同鋼級(jí)管道，其中以X65至X80鋼級(jí)居多，見(jiàn)圖 1。從失效發(fā)生時(shí)間看， 2011―2018年發(fā)生較多，但需要指出這段時(shí)間管道建設(shè)里程較長(zhǎng)且高鋼級(jí)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(jì)

1.2  失效因素分析

通過(guò)對(duì)國(guó)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?yàn)閺?qiáng)力組對(duì)、不等壁厚引起的應(yīng)力集中、焊接缺陷和焊縫韌性低；運(yùn)行期發(fā)生的環(huán)焊縫失效，主要原因?yàn)槌惺芡獠康孛嫖灰坪奢d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(guó)于2008年和2009年較為集中建設(shè)的一批高鋼級(jí)管道（每年建設(shè)約6400公里），在打壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了管材和環(huán)焊縫質(zhì)量問(wèn)題，包括管道壓力試驗(yàn)中的鼓脹變形、開(kāi)裂和環(huán)焊縫泄漏，隨后在役管道也出現(xiàn)了環(huán)焊縫開(kāi)裂事故。這些事故原因主要包括：高低錯(cuò)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(wú)損檢測(cè)結(jié)果偏差，以及不遵守焊接工藝要求等。

2  設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

2.1  加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害識(shí)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(xiàng)評(píng)價(jià)，論證工程建設(shè)區(qū)域或場(chǎng)地適宜性，盡量避免管道通過(guò)多發(fā)地災(zāi)區(qū)；在初步設(shè)計(jì)階段，基于地質(zhì)災(zāi)害專項(xiàng)評(píng)價(jià)識(shí)別出的地災(zāi)點(diǎn)，進(jìn)一步開(kāi)展初步設(shè)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害專題工作，對(duì)識(shí)別出的地災(zāi)點(diǎn)逐一現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，對(duì)于確認(rèn)的地質(zhì)災(zāi)害優(yōu)先調(diào)整線路予以繞避，對(duì)無(wú)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(jì)階段，結(jié)合線路詳勘工作，進(jìn)一步識(shí)別沿線地質(zhì)災(zāi)害，重點(diǎn)對(duì)識(shí)別出且無(wú)法繞避的地災(zāi)點(diǎn)開(kāi)展專項(xiàng)勘測(cè)，依據(jù)勘測(cè)成果進(jìn)行地災(zāi)評(píng)價(jià)和施工圖設(shè)計(jì)，并在現(xiàn)場(chǎng)施工中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)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(chǎng)可焊性、實(shí)現(xiàn)焊接接頭高強(qiáng)匹配和便于實(shí)施自動(dòng)焊，采取了以下主要改進(jìn)措施：①嚴(yán)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(jì)技術(shù)規(guī)格書(shū)和數(shù)據(jù)單中，對(duì)化學(xué)成分和Pcm值進(jìn)行了嚴(yán)格限制，如中俄東線管道要求C0.07%、Pcm0.22%，同時(shí)對(duì)重要合金元素，也規(guī)定了區(qū)間范圍；②縮窄鋼管強(qiáng)度波動(dòng)區(qū)間。為便于實(shí)現(xiàn)焊接接頭的高強(qiáng)匹配，基于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)控制水平，并參考國(guó)外工程做法，對(duì)管材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度區(qū)間進(jìn)行了嚴(yán)格限定，如中俄東線管道工程分別要求管材屈服強(qiáng)度為555 MPa～675 MPa、抗拉強(qiáng)度為625 MPa～765 MPa，相比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了較大縮窄；③降低管端橢圓度。為便于自動(dòng)焊操作和降低錯(cuò)邊導(dǎo)致的應(yīng)力集中，根據(jù)中俄東線工程需求，對(duì)熱煨彎管和直管的橢圓度分別嚴(yán)格控制為0.5%D和0.6%D。

2.3  推廣應(yīng)用自動(dòng)焊技術(shù)

受制于藥芯生產(chǎn)過(guò)程中填充均勻穩(wěn)定性和焊接過(guò)程外部氣體入侵等因素，自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度，隨著國(guó)內(nèi)自動(dòng)焊裝備的日益成熟，近期國(guó)內(nèi)高鋼級(jí)大口徑管道均使用了自動(dòng)焊技術(shù)。中俄東線管道全線采用自動(dòng)焊技術(shù)，并在設(shè)計(jì)文件中明確列出自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用具體要求，最終實(shí)現(xiàn)100%自動(dòng)焊接施工，取得了巨大技術(shù)進(jìn)步[3]。

2.4  落實(shí)環(huán)焊縫高強(qiáng)匹配

目前，國(guó)內(nèi)已普遍認(rèn)可管道環(huán)焊縫采用等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配原則，中俄東線管道設(shè)計(jì)基于高強(qiáng)匹配原則選用焊接材料，如全自動(dòng)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(qiáng)匹配系數(shù)為1.02～1.23，平均值為1.12，較好地落實(shí)了高強(qiáng)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(shí)其曲率半徑較小，不能滿足自動(dòng)焊的內(nèi)焊機(jī)通過(guò)需要。為順利實(shí)施自動(dòng)焊流水作業(yè)，減少斷點(diǎn)和變壁厚口，在復(fù)雜山丘地區(qū)根據(jù)擬采用的自動(dòng)焊工藝需求開(kāi)展掃線設(shè)計(jì)，同時(shí)優(yōu)先采用彈性敷設(shè)和冷彎管組合實(shí)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(jì)，已完工的中俄東線北段全長(zhǎng)716 km，使用熱彎彎管約80個(gè)，平均0.12個(gè)/km；中俄東線中段全長(zhǎng)1100 km，使用熱彎彎管約140個(gè)，平均0.13個(gè)/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(wèn)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(wú)損檢測(cè)容易漏檢根部缺陷。針對(duì)倒角式坡口存在的不足，開(kāi)展了不等壁厚內(nèi)對(duì)齊施工技術(shù)研究，通過(guò)對(duì)管道自動(dòng)焊內(nèi)焊機(jī)、應(yīng)力集中、無(wú)損檢測(cè)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(jí)大口徑管道中，取得了顯著效果[4]。

2.7  推進(jìn)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)以往全自動(dòng)超聲波（AUT）檢測(cè)出現(xiàn)的缺陷檢出率不穩(wěn)定、缺陷尺寸精度差等問(wèn)題，通過(guò)大量人員培訓(xùn)、設(shè)備改進(jìn)、無(wú)損檢測(cè)工藝評(píng)定及現(xiàn)場(chǎng)管理提升等工作，AUT檢測(cè)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(cè)結(jié)果進(jìn)行了大量對(duì)比，驗(yàn)證了AUT檢測(cè)的可靠性。考慮到中俄東線管道全自動(dòng)焊接無(wú)損檢測(cè)的及時(shí)性和易出現(xiàn)未熔合缺陷的特點(diǎn)，采用100%AUT+20%RT復(fù)檢， 檢測(cè)結(jié)果可靠[5]。

針對(duì)傳統(tǒng)手工超聲波（UT）檢測(cè)受人為因素影響大、檢測(cè)結(jié)果可靠性差的問(wèn)題，對(duì)相控陣超聲波（PAUT）檢測(cè)進(jìn)行了大量試驗(yàn)，從設(shè)備、人員和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行了改進(jìn)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(wú)損檢測(cè)》，并大量應(yīng)用于中俄東線管道南段和西氣東輸三線棗陽(yáng)—仙桃段等在建管道工程中，全面替代了UT工藝。

3  結(jié)語(yǔ)

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(jí)大口徑天然氣管道，從地災(zāi)防治、管材成分控制、自動(dòng)焊工藝應(yīng)用、環(huán)焊縫強(qiáng)度匹配、熱煨彎管使用、不等壁厚處理以及無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等各方面均做了改進(jìn)和應(yīng)用提升，取得了顯著成效。后續(xù)即將開(kāi)工建設(shè)的西氣東輸三線中衛(wèi)—棗陽(yáng)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(dòng)焊技術(shù)尚不能滿足這些復(fù)雜山區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)施工需要，建議業(yè)內(nèi)進(jìn)一步加強(qiáng)山區(qū)自動(dòng)焊柔性內(nèi)焊機(jī)、輕量化大坡度自動(dòng)焊裝備及工藝的相關(guān)研究，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊技術(shù)在復(fù)雜山區(qū)的大規(guī)模應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[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(jì)方案[J].焊管，2021，44(3)：11-16.

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作者簡(jiǎn)介：張振永，1971年生，教授級(jí)高工，1995年畢業(yè)于中國(guó)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(zhǎng)輸管道工程設(shè)計(jì)和管道可靠性及完整性等工作。聯(lián)系方式：13292615649，cppe_zhangzy@cnpc.com.cn。