吉 楠，蔣浩澤，李為衛(wèi)，楊 明，張 杰，鄒 斌

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077;2.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065; 3.中國(guó)石油西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求增加，尤其是對(duì)天然氣清潔能源需求的不斷加大，管道輸送對(duì)經(jīng)濟(jì)效益追求的不斷提高，近十多年來我國(guó)天然氣管道建設(shè)和技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展，建設(shè)了大量大口徑、高壓、高強(qiáng)度天然氣管道，這就對(duì)管道的安全性提出了更高的要求[1-3]。管道運(yùn)行的安全狀況與管道材質(zhì)及其焊縫狀態(tài)有很大的關(guān)系，通常油氣輸送管道對(duì)接環(huán)焊縫存在的缺陷有未焊透、夾雜物、未熔合、內(nèi)部氣孔、內(nèi)部裂紋等[4]，缺陷的存在嚴(yán)重影響了管道的安全運(yùn)行。對(duì)內(nèi)部缺陷可用射線檢測(cè)法或超聲波檢測(cè)法進(jìn)行檢測(cè)[5-6]。射線檢測(cè)在我國(guó)天然氣管道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫無損檢測(cè)中大量應(yīng)用，嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量，對(duì)避免事故的發(fā)生具有重要意義。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)相關(guān)的射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了一定的研究分析：方冬等[7]對(duì)SY/T 4109和JB/T 4730進(jìn)行了比較分析，總結(jié)了標(biāo)準(zhǔn)間的差異；王自信等[8]研究了國(guó)內(nèi)不同管線鋼的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無損檢測(cè)的差異分析。這些研究工作多集中于對(duì)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)分析，通過對(duì)比得出不同標(biāo)準(zhǔn)間的差異，但均未提出對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂或改進(jìn)的建議。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外石油天然氣管道相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中適用于天然氣管道環(huán)焊縫射線無損檢測(cè)的缺陷容限指標(biāo)等進(jìn)行了對(duì)比，得出了其缺陷驗(yàn)收的異同點(diǎn)，并給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂建議，為制修訂更加合理的天然氣管道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫無損檢測(cè)技術(shù)指標(biāo)提供依據(jù)和參考。

1 管道環(huán)焊縫檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)天然氣管道的現(xiàn)場(chǎng)焊接及無損檢測(cè)方面進(jìn)行了大量的研究，形成了成套的焊接及檢驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外關(guān)于油氣管道環(huán)焊縫缺陷驗(yàn)收準(zhǔn)則(即缺陷容限)的標(biāo)準(zhǔn)，大致可以分為2類[9-10]：

1)管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)：這類標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容完整、系統(tǒng)，從管道的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)到報(bào)廢等整個(gè)過程都有詳細(xì)規(guī)定，如加拿大管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)CSA-Z662—2015，該標(biāo)準(zhǔn)包括石油和天然氣工業(yè)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)、停用、廢棄，涉及范圍很廣(多種介質(zhì)，多種設(shè)備)，適用于鋼級(jí)X80/L555天然氣管道的焊接及無損檢測(cè)。

2)管道焊接及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：這類標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容僅包括管道的焊接及檢驗(yàn)，如美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API STD 1104—2013，該標(biāo)準(zhǔn)作為長(zhǎng)輸管道的現(xiàn)場(chǎng)焊接及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)使用廣泛；此類標(biāo)準(zhǔn)中的ISO 13847—2013適用于碳鋼、低合金鋼、耐蝕合金以及雙金屬?gòu)?fù)合管材，并對(duì)油氣管道輸送系統(tǒng)的環(huán)焊縫、支管和角焊縫的焊接及檢驗(yàn)要求有著詳細(xì)的規(guī)定，在歐洲應(yīng)用較多。

我國(guó)現(xiàn)行的油氣管道無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組成，油氣管道的焊接及焊縫無損檢測(cè)就同時(shí)存在多項(xiàng)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且標(biāo)準(zhǔn)間的缺陷容限指標(biāo)差異較大，如油氣管道的建設(shè)及驗(yàn)收主要執(zhí)行GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》與GB 50369—2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》這2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，在GB 50251—2015中規(guī)定，焊縫無損檢測(cè)執(zhí)行 GB/T 11345—2013(超聲波)與GB/T 3323—2005(射線)；GB 50369—2014要求，無損檢測(cè)(射線和超聲波)應(yīng)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)SY/ T 4109—2013的規(guī)定。按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系，管道的建設(shè)執(zhí)行強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50369—2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》，焊縫的無損檢測(cè)應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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》GB/T 50818—2013和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測(cè)》SY/T 4109—2013的規(guī)定，而不應(yīng)采用其它國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化法，企業(yè)可以制定高于國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

中石油通過多年的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和信息化建設(shè)，基本構(gòu)建了管道建設(shè)和運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)體系，如中石油標(biāo)準(zhǔn)CDP-G-OGP-OP-082—2015-1《油氣管道無損檢測(cè)技術(shù)規(guī)定》即為該標(biāo)準(zhǔn)體系中的成果文件之一。該體系中有些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沿用前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，更多的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范參照API、CSA以及ISO等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。由于不同的國(guó)家國(guó)情不同、技術(shù)水平不齊，對(duì)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo)的規(guī)定也不盡相同，因此，對(duì)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行溯源，分析差異原因，明確規(guī)定的理論基礎(chǔ)，可為確定符合我國(guó)國(guó)情的合理參數(shù)和指標(biāo)提供思路，使得現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系不斷得以更新和提高。

2 環(huán)焊縫射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)缺陷容限對(duì)比分析

為了準(zhǔn)確掌握天然氣管道環(huán)焊縫射線檢測(cè)缺陷容限國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的差異，本文中主要選取了3種國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)： ISO 13847—2013、API STD 1104—2013和CSA-Z662—2015， 2種類型的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)： SY/T 4109—2013和CDP-G-OGP-OP-082—2015-1進(jìn)行對(duì)比分析。

在管道環(huán)焊縫射線檢測(cè)缺陷容限國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，API STD 1104—2013、ISO 13847—2013與CSA-Z662—2015中將環(huán)焊縫射線檢測(cè)缺陷容限根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)給出了每種缺欠的驗(yàn)收準(zhǔn)則，不分驗(yàn)收級(jí)別； SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1則將射線檢測(cè)的結(jié)果分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)，天然氣管道線路工程按Ⅱ級(jí)評(píng)判。

2.1 缺陷類型

ISO 13847—2013、API STD 1104—2013、CSA-Z662—2015中均將缺陷類型分為了未焊透、未熔合、根部?jī)?nèi)凹、燒穿、夾渣、氣孔、空心焊道、裂紋及咬邊9類， SY/T 4109—2013和CDP-G-OGP-OP-082—2015-1標(biāo)準(zhǔn)中則沒有夾渣、氣孔和空心焊道這3種類型的缺陷，而是出現(xiàn)了條形缺欠和圓形缺欠這兩種缺陷類型。

2.2 未焊透

未焊透的驗(yàn)收準(zhǔn)則見表1，API STD 1104—2013根據(jù)出現(xiàn)的部位，將未焊透分為根部未焊透、錯(cuò)邊未焊透、中間未焊透三類，CSA-Z662—2015則將未焊透分為根部未焊透與內(nèi)部未焊透，這2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也分別對(duì)相應(yīng)的單個(gè)未焊透的長(zhǎng)度及焊縫任何300 mm連續(xù)長(zhǎng)度中的累積長(zhǎng)度做出了限定，而ISO 13847—2013沒有對(duì)未焊透的類型進(jìn)行分類，但驗(yàn)收指標(biāo)為3種國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)；相比而言，SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1對(duì)未焊透的尺寸限制比國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，但這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也不完全一致， CDP-G-OGP-OP-082—2015-1對(duì)錯(cuò)邊未焊透的尺寸的規(guī)定低于SY/T 4109—2013，這違背標(biāo)準(zhǔn)化法中所規(guī)定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不得低于國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)的要求，且未焊透屬于面積型缺陷，尖端部位應(yīng)力集中，在外力的作用下容易發(fā)生擴(kuò)展，如長(zhǎng)期在內(nèi)壓以及外部地形、地貌引起附加的載荷下運(yùn)行時(shí)容易造成管道的泄露與斷裂，危害性較大?？紤]到我國(guó)管道焊接質(zhì)量穩(wěn)定性及檢測(cè)技術(shù)可靠性等實(shí)際狀況，以及管道所途經(jīng)的地質(zhì)及人口因素，標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4109—2013對(duì)未焊透缺陷的驗(yàn)收指標(biāo)加嚴(yán)是合適的，因此CDP-G-OGP-OP-082—2015-1以及以后的具體管道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)未焊透缺陷的驗(yàn)收指標(biāo)不得低于SY/T 4109—2013的要求。

表1 管道環(huán)焊縫射線檢測(cè)未焊透驗(yàn)收準(zhǔn)則 mm

2.3 未熔合

3種國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)未熔合的分類各不相同，見表2：ISO 13847—2013將未熔合分為單面焊根部未熔合、側(cè)面未熔合及焊道未熔合，API STD 1104—2013分為表面未熔合和夾層未熔合， CSA-Z662—2015分為根部及頂部坡口未熔合與冷焊產(chǎn)生的未熔合2種類型，并分別對(duì)未熔合的單個(gè)長(zhǎng)度與焊縫任何300 mm連續(xù)長(zhǎng)度中的累積長(zhǎng)度做了規(guī)定；相比而言， SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1對(duì)未熔合的分類與API 1104—2013一致，且對(duì)未熔合尺寸的規(guī)定比國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。

表2 管道環(huán)焊縫射線檢測(cè)未熔合驗(yàn)收準(zhǔn)則 mm

未熔合也屬于面積型缺陷，尖端應(yīng)力集中程度高，容易擴(kuò)展，其危害性較大，在以后制定具體的管道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)未熔合的限制指標(biāo)不得低于SY/T 4109—2013和CDP-G-OGP-OP-082—2015-1這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，除此之外，由于未熔合在厚度方向的尺寸(高度)，能削弱焊縫的有效承載截面，故有必要在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)露出和未露出表面的坡口未熔合的高度也進(jìn)行限制。

2.4 焊縫內(nèi)凹與燒穿

焊縫內(nèi)凹與燒穿的驗(yàn)收準(zhǔn)則見表3，黑度小于臨近母材黑度的內(nèi)凹(內(nèi)凹較淺，內(nèi)凹處焊縫的厚度大于母材)，除 ISO 13847—2013規(guī)定單個(gè)尺寸不超過焊縫長(zhǎng)度的25%外，其余標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其尺寸不進(jìn)行限制；API STD 1104—2013對(duì)黑度大于臨近母材黑度的內(nèi)凹(內(nèi)凹較深，內(nèi)凹處焊縫的厚度小于母材)，是按燒穿的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行驗(yàn)收，而它的指標(biāo)也是國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)格的；相比之下，CDP-G-OGP-OP-082—2015-1和SY/T 4109—2013的要求顯著低于API 1104—2013的規(guī)定。由于出現(xiàn)于根部的內(nèi)凹，能減少焊縫的有效厚度，弱削焊縫承載面積，當(dāng)焊縫的強(qiáng)度與有效面積的乘積小于所對(duì)應(yīng)的母材時(shí)，焊縫承載能力低于母材，當(dāng)同時(shí)處于內(nèi)壓、外載荷以及其它缺陷的情況下時(shí)，可能發(fā)生焊縫斷裂，因此要對(duì)內(nèi)凹的深度和長(zhǎng)度進(jìn)行限制。故要對(duì)SY/T 4109—2013和CDP-G-OGP-OP-082—2015-1進(jìn)行修訂，使這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和以后的具體管道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)內(nèi)凹的要求不得低于API 1104—2013的要求。

焊縫根部燒穿缺欠，ISO 13847—2013與API STD 1104—2013只對(duì)黑度大于臨近母材黑度的燒穿進(jìn)行尺寸限制，ISO 13847—2013規(guī)定其單個(gè)尺寸不超過6 mm，對(duì)焊縫任何300 mm連續(xù)長(zhǎng)度中的累積長(zhǎng)度無具體要求；API STD 1104—2013與CSA-Z662—2015則對(duì)單個(gè)長(zhǎng)度與焊縫任何300連續(xù)長(zhǎng)度中累積長(zhǎng)度都做了規(guī)定，且CSA-Z662—2015的要求略高于API STD 1104—2013；燒穿對(duì)管道安全的影響與內(nèi)凹基本相同，CDP-G-OGP-OP-082—2015-1與API STD 1104—2013的要求相同， SY/T 4109—2013對(duì)燒穿單個(gè)長(zhǎng)度的要求低于所有對(duì)比分析的標(biāo)準(zhǔn)，建議進(jìn)行修訂。

表3 管道環(huán)焊縫射線檢測(cè)根部?jī)?nèi)凹和燒穿驗(yàn)收準(zhǔn)則 mm

2.5 咬邊

表4為咬邊的驗(yàn)收準(zhǔn)則， ISO 13847—2013與API STD 1104—2013對(duì)單個(gè)咬邊的長(zhǎng)度、深度不做限制，但規(guī)定焊縫任意300 mm連續(xù)長(zhǎng)度中的累計(jì)長(zhǎng)度≤50 mm， CSA-Z662—2015規(guī)定對(duì)深度小于(0.5 mm與6%壁厚中的最小者)的咬邊，不限制其尺寸，除此之外的其他咬邊的單個(gè)長(zhǎng)度與深度不超過50 mm，焊縫任意300 mm連續(xù)長(zhǎng)度中的累計(jì)長(zhǎng)度與ISO 13847—2013及API STD 1104—2013相同。

SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1關(guān)于焊縫咬邊的驗(yàn)收準(zhǔn)則完全一致，只控制內(nèi)焊縫咬邊，以影像黑度區(qū)分大小咬邊，當(dāng)影像黑度小于或等于較薄側(cè)母材黑度時(shí)，內(nèi)咬邊長(zhǎng)度不計(jì)，當(dāng)影像黑度大于較薄側(cè)母材的黑度時(shí)，內(nèi)咬邊≤25 mm，該指標(biāo)比國(guó)外對(duì)此有要求的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，任意300 mm連續(xù)長(zhǎng)度中的累計(jì)長(zhǎng)度的規(guī)定，與3項(xiàng)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)一致；但與ISO 13847—2013及API STD 1104—2013相比，這2項(xiàng)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)外咬邊的長(zhǎng)度與咬邊累計(jì)長(zhǎng)度做出規(guī)定。

表4 管道環(huán)焊縫射線檢測(cè)咬邊驗(yàn)收準(zhǔn)則 mm

咬邊產(chǎn)生于焊縫邊緣的熔合區(qū)，熔合區(qū)從組織和力學(xué)性能方面來講，為接頭中最薄弱處，加上焊縫余高以及錯(cuò)邊導(dǎo)致的應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致管道承載能力的下降，在內(nèi)壓和外力的作用下容易開裂，因此應(yīng)對(duì)其深度和長(zhǎng)度嚴(yán)格限制。環(huán)焊縫根部焊道較外焊道窄，對(duì)于根部焊縫邊緣的咬邊，在同一厚度截面上外焊縫的余高存在，僅從焊縫影像的黑度判斷無法體現(xiàn)出焊縫咬邊的深度及其引起的應(yīng)力集中而導(dǎo)致焊縫承載能力的下降，加之錯(cuò)邊的存在容易造成焊縫邊緣的開裂。因此，建議對(duì)SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1進(jìn)行修訂，增加對(duì)外咬邊長(zhǎng)度、咬邊累計(jì)長(zhǎng)度、咬邊深度及錯(cuò)邊存在情況下對(duì)咬邊的限制。

由于焊縫內(nèi)咬邊不易觀察和測(cè)量，其深度只能通過射線底片的顯示判定，建議借鑒加拿大管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)CSA-Z662—2015，對(duì)咬邊的深度采用薄片上的刻槽進(jìn)行對(duì)比確定，應(yīng)通過比較咬邊底片的黑度和比對(duì)薄片中已知槽深的黑度來確定咬邊深度，從而對(duì)咬邊的深度進(jìn)行定量評(píng)判，保證焊縫的質(zhì)量。

3 結(jié)論與建議

總體而言，我國(guó)高壓大口徑天然氣管道現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)焊縫的射線無損檢測(cè)缺陷容限指標(biāo)比較嚴(yán)格，內(nèi)容相對(duì)完善，但在管道現(xiàn)場(chǎng)施工和在役檢測(cè)中也發(fā)現(xiàn)過環(huán)焊縫焊縫中存在缺陷。對(duì)SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1射線檢測(cè)缺陷容限指標(biāo)修改建議如下：

1)修改CDP-G-OGP-OP-082—2015-1標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于未焊透的驗(yàn)收指標(biāo)，使之與SY/T 4109—2013保持一致；

2)SY/T 4109—2013和CDP-G-OGP-OP-082—2015-1標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于燒穿和焊縫內(nèi)凹的驗(yàn)收指標(biāo)顯著低于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，建議進(jìn)行修改；

3)在SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1中增加對(duì)外咬邊長(zhǎng)度、咬邊累計(jì)長(zhǎng)度、咬邊深度及錯(cuò)邊存在情況坡味熔鎬度、下對(duì)咬邊的限制，并參照CSA-Z662—2015中所規(guī)定的方法來對(duì)焊縫內(nèi)咬邊進(jìn)行測(cè)量。