戴聯(lián)雙，考青鵬，楊 輝，胡亞博

(1.中石油管道有限責(zé)任公司 北京 100029；2.中國(guó)石油管道科技研究中心 河北 廊坊 065000)

0 引 言

在過(guò)去的40年里，我國(guó)油氣管道經(jīng)歷了從無(wú)到有再到迅速發(fā)展的過(guò)程，建設(shè)速度從每年1 000 km增長(zhǎng)到10 000 km，尤其是2012年施工完成的焊口數(shù)量達(dá)到了頂峰，管材的等級(jí)也從X42提升至X80[1]，鋪設(shè)完成了長(zhǎng)度為1.2×105km的長(zhǎng)輸油氣管道。新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，尤其是X70和X80等鋼級(jí)的大口徑、高強(qiáng)度、高壓力管道的建設(shè)和發(fā)展，是科技進(jìn)步和能源需求快速增長(zhǎng)的必然結(jié)果，在促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮了極其重要的作用[2-4]，也為建立和健全我國(guó)油氣管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局2017年發(fā)布的《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》[5]，到2025年全國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模達(dá)到2.4×105km，未來(lái)幾年還將迎來(lái)管道大建設(shè)的時(shí)期。

自西氣東輸一線管道采用X70鋼管建設(shè)以來(lái)，開(kāi)啟了我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道全面應(yīng)用高強(qiáng)鋼管道的序幕。2006年冀寧聯(lián)絡(luò)線建設(shè)了7.71 km的X80鋼管道試驗(yàn)段，成功驗(yàn)證了X80鋼管材、焊接等關(guān)鍵技術(shù)的適用性，自西氣東輸二線管道建設(shè)開(kāi)始，在大口徑、高壓力管道中大量使用了X80鋼管道。目前，我國(guó)已投產(chǎn)的在役X80鋼管道已超過(guò)1.3×105km，總里程幾乎是全世界其他國(guó)家已投產(chǎn)的X80鋼管道的總里程之和[6-7]。

國(guó)內(nèi)管道大建設(shè)的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多的問(wèn)題，如建設(shè)過(guò)程中的施工單位違規(guī)返修、檢測(cè)單位漏評(píng)錯(cuò)評(píng)底片、監(jiān)理單位監(jiān)管缺失等管理問(wèn)題，其核心主要集中在高強(qiáng)鋼管道環(huán)焊縫的脆弱性方面。據(jù)石油管工程技術(shù)研究院統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)發(fā)生了7起X70和7起X80管道環(huán)焊縫失效事故，尤其是中緬天然氣管道“7.2”、“6.10”和泰青威管道“3.20”管道環(huán)焊縫失效事故，使管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)分析當(dāng)前高強(qiáng)鋼管道焊接結(jié)構(gòu)面臨的問(wèn)題，并開(kāi)展了相關(guān)隱患排查和技術(shù)研究工作。本文將針對(duì)高強(qiáng)鋼管道環(huán)焊縫在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，分析這些問(wèn)題的原因，探討解決這些問(wèn)題的措施，以預(yù)防管道失效事故的發(fā)生。

1 管道環(huán)焊縫失效形式分析

在高強(qiáng)鋼管道(主要為X70和X80鋼級(jí))應(yīng)用之前，國(guó)內(nèi)油氣管道在役運(yùn)行期間發(fā)生環(huán)焊縫開(kāi)裂的事故非常少，即使發(fā)生環(huán)焊縫失效事故，失效形式基本都是因存在嚴(yán)重的超標(biāo)缺陷導(dǎo)致[8]的泄漏失效，失效形貌如圖1所示。

圖1 X65及以下鋼級(jí)管道環(huán)焊縫因含較大的缺陷發(fā)生失效的焊縫形貌

以大慶原油外輸?shù)膽c鐵雙線為例，這兩條管道的缺陷類型和分布情況能夠充分說(shuō)明技術(shù)發(fā)展和社會(huì)環(huán)境因素對(duì)管道結(jié)構(gòu)完整性的影響[9]。其中慶鐵老線是我國(guó)第一條建設(shè)的長(zhǎng)距離X52管道，主要采用的是進(jìn)口鋼板，當(dāng)時(shí)的油氣管道制管廠都是從原鍋爐制造廠轉(zhuǎn)產(chǎn)而來(lái)，因此在卷板技術(shù)方面不太成熟，所以該條管道存在的螺旋焊縫缺陷比較多、且復(fù)雜多樣；但該條管道建設(shè)施工的環(huán)焊縫缺陷相對(duì)較少，主要因?yàn)楫?dāng)時(shí)集中力量辦大事的社會(huì)環(huán)境比較好，作業(yè)人員的心態(tài)和敬業(yè)精神達(dá)到頂峰時(shí)期。相較于慶鐵老線，慶鐵復(fù)線在制管技術(shù)有較大的提升，因此鋼管中存在的螺旋焊縫缺陷相對(duì)較少，但是管道環(huán)焊縫中存在較多的缺陷，這主要是因?yàn)樵诮ㄔO(shè)慶鐵復(fù)線的時(shí)間為20世紀(jì)60年代，現(xiàn)場(chǎng)焊接的技術(shù)工人責(zé)任心和安全意識(shí)下降，導(dǎo)致焊接施工質(zhì)量下降。后期在運(yùn)行過(guò)程中也因腐蝕、第三方損壞發(fā)生多起泄漏事故，基本符合了事故的浴盆曲線規(guī)律，如圖2所示。在20世紀(jì)90年代后期慶鐵雙線進(jìn)入浴盆曲線的“耗損故障期”，但因中國(guó)石油管道公司開(kāi)展了東北管網(wǎng)大改造和實(shí)施管道完整性管理，修復(fù)了大量的缺陷，從而降低了管道的失效率。

以前X65及以下鋼級(jí)管道的焊接結(jié)構(gòu)均因?yàn)榇嬖诔瑯?biāo)的缺陷導(dǎo)致管道環(huán)焊縫開(kāi)裂或泄漏失效，而近年來(lái)發(fā)生的幾起高強(qiáng)鋼管道環(huán)焊縫開(kāi)裂均不存在較大的焊接缺陷，且斷口呈剪切斷裂或超過(guò)80%斷面呈脆性斷裂特征，其斷裂失效部位形貌如圖3所示，而且高強(qiáng)鋼等壁厚焊接的焊縫和變壁厚焊接的焊縫失效的形式發(fā)生了改變。

圖2 慶鐵雙線失效次數(shù)與投產(chǎn)使用年份關(guān)系圖

國(guó)外公司運(yùn)營(yíng)管理的SSGP輸氣管道(X70鋼級(jí)、鋼管外徑914 mm)在2014年6月和2018年1月發(fā)生了兩次環(huán)焊縫開(kāi)裂事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫強(qiáng)度存在低匹配的現(xiàn)象，降低了管道系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)頻繁區(qū)域的應(yīng)變能力，尤其是環(huán)焊縫的性能不能承受附加的軸向應(yīng)變載荷，從而導(dǎo)致了兩次失效事故都在環(huán)焊縫的位置發(fā)生了開(kāi)裂[10]。結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)高強(qiáng)鋼管道環(huán)焊縫的失效特征，高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)完整性方面的問(wèn)題主要包括：

1)高強(qiáng)鋼等壁厚焊接結(jié)構(gòu)

(1)焊縫與鋼管管體的抗拉強(qiáng)度達(dá)到等強(qiáng)或較高匹配時(shí)，如果存在極限外載或位移載荷，管體材料會(huì)先發(fā)生屈服，產(chǎn)生一定的塑性強(qiáng)化后，焊縫才開(kāi)始屈服。這種情況下發(fā)生失效的形式為管體開(kāi)裂泄漏(焊縫開(kāi)裂的可能性降低)，并呈現(xiàn)韌性斷裂的形貌。同時(shí)，因?yàn)楣荏w發(fā)生屈服，增強(qiáng)了管道抗應(yīng)變的能力。當(dāng)前國(guó)際上通用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如BS 7910、API 579和EPRG，也都是在基于等強(qiáng)或較高匹配的基礎(chǔ)上形成的計(jì)算公式[11]。DNV OS F101要求在設(shè)計(jì)階段應(yīng)使焊縫的屈服強(qiáng)度比鋼管管體材料的屈服強(qiáng)度高120～150 MPa[12]。

圖3 X70和X80鋼管道環(huán)焊縫失效形貌

(2)焊縫與鋼管管體的抗拉強(qiáng)度處于低匹配時(shí)，如果存在附加的極限軸向應(yīng)力或軸向應(yīng)變載荷，焊縫會(huì)先發(fā)生屈服，因焊縫的寬度小于管體長(zhǎng)度，焊縫應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率較快，另外焊縫內(nèi)表面可能存在的成型不佳、幾何形貌不規(guī)則等引起的應(yīng)力集中，極易使管體材料還未發(fā)生屈服時(shí)就發(fā)生了環(huán)焊縫開(kāi)裂失效，焊縫部位斷口呈現(xiàn)剪切斷裂形貌，并在斷口能明顯觀察到韌窩形貌。WAN Abdullah WAN Hamat等人[10]為了評(píng)估環(huán)焊縫與鋼管管體的匹配性對(duì)管道系統(tǒng)承受外載引起的位移應(yīng)變的能力，進(jìn)行了兩次全尺寸彎曲對(duì)比試驗(yàn)：一種是采用原管道線路焊接工藝，焊縫、熱影響區(qū)和鋼管管體的沖擊功分別為62.7、127.3和262.7 J，試驗(yàn)結(jié)果顯示全尺寸彎曲試驗(yàn)失效發(fā)生在環(huán)焊縫位置，失效時(shí)的拉伸應(yīng)變小于0.5%(在根部預(yù)制了深3.0 mm、長(zhǎng)190 mm的缺陷，并有2 mm的錯(cuò)邊)；另一個(gè)試驗(yàn)是采用實(shí)心低氫焊條(E7016-H4根焊，E9045-P2 H4R填充蓋面)，焊縫、熱影響區(qū)和鋼管管體的沖擊功分別為160、281和298 J，試驗(yàn)結(jié)果顯示全尺寸彎曲試驗(yàn)失效發(fā)生在鋼管管體位置，失效時(shí)的拉伸應(yīng)變大于3%(在根部預(yù)制了深2.9 mm、長(zhǎng)190 mm、寬0.7 mm的缺陷，并有2 mm的錯(cuò)邊)，如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)焊接工藝可使環(huán)焊縫具有高應(yīng)變的能力，即鋼管管體具有較高強(qiáng)度但未過(guò)度匹配的情況下，系統(tǒng)性地提高了管道整體結(jié)構(gòu)的抗外部位移載荷的能力，即提高了管道的應(yīng)變承受能力。

圖4 對(duì)SSGP輸氣管道失效樣品進(jìn)行的兩次全尺寸彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2)高強(qiáng)度鋼變壁厚焊接結(jié)構(gòu)

高強(qiáng)度鋼管道變壁厚焊接結(jié)構(gòu)由于焊縫幾何形狀不規(guī)則和變壁厚等疊加形成的缺口效應(yīng)，極易引起應(yīng)力集中，如果鋼管材料韌性較差，在極限外載和內(nèi)壓(當(dāng)壁厚超過(guò)25 mm時(shí)，壁厚方向的應(yīng)力會(huì)發(fā)生明顯的增長(zhǎng))的作用下，缺口的位置會(huì)成為裂紋源，隨后裂紋會(huì)失穩(wěn)快速擴(kuò)展，從而導(dǎo)致鋼管斷裂失效。目前，已經(jīng)發(fā)生的在役高強(qiáng)度鋼管道的環(huán)焊縫開(kāi)裂失效80%以上位于變壁厚的位置，且焊縫的韌性值均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 在役高強(qiáng)度鋼管道環(huán)焊縫失效分析

2.1 失效分析基本原理

事故致因理論是認(rèn)知事故、預(yù)防再次發(fā)生類似事故的理論基礎(chǔ)[13-16]。對(duì)于長(zhǎng)輸油氣管道運(yùn)輸行業(yè)，社會(huì)環(huán)境和自然環(huán)境對(duì)管道事故的發(fā)生有潛在的影響，同時(shí)對(duì)管道全生命周期內(nèi)的科研、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行等各個(gè)階段是否會(huì)存在缺欠、可能會(huì)存在什么類型的缺欠、以及如何處理這些缺欠等方面都有非常重要的影響，馮慶善[13]采用“樹(shù)生”的模型形象表述事故致因因素之間的邏輯關(guān)系，并從事故的表象出發(fā)，逐層深入分析事故原因，查找事故與社會(huì)環(huán)境、自然環(huán)境、全生命周期各個(gè)階段的關(guān)系，挖掘事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)社會(huì)和自然規(guī)律的理論，涵蓋了事故與社會(huì)發(fā)展變化、自然環(huán)境因素、以及全生命周期各個(gè)階段之間的相互作用關(guān)系，特別對(duì)管道事故分析更加適用。

2.2 國(guó)外高強(qiáng)度鋼環(huán)焊縫失效情況

美國(guó)在2008年和2009年集中建設(shè)了一批高強(qiáng)度合金鋼管道(每年大約建設(shè)6 400 km管道)，在管道試壓過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了管材和環(huán)焊縫質(zhì)量問(wèn)題，出現(xiàn)了管道壓力試驗(yàn)中的鼓脹變形、開(kāi)裂和環(huán)焊縫的泄漏，隨后在役管道也出現(xiàn)了環(huán)焊縫的開(kāi)裂事故[17]。為此，美國(guó)政府為應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度鋼管道出現(xiàn)的事故情況，在2009年和2010年就對(duì)當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的高強(qiáng)度鋼管道施工試壓過(guò)程中和運(yùn)行中出現(xiàn)的環(huán)焊縫開(kāi)裂、管材開(kāi)裂鼓脹等質(zhì)量問(wèn)題，向各管道公司發(fā)出公告，要求各管道公司對(duì)2008年和2009年建設(shè)的外徑大于508 mm、管道材料鋼級(jí)大于X70的管道進(jìn)行全面的排查，并于2010年3月18日由交通運(yùn)輸部下屬的管道和危險(xiǎn)材料安全管理局(PHMSA)發(fā)布PHMSA-2010-0078號(hào)公告《管道安全：針對(duì)大口徑管道由于變壁厚、錯(cuò)邊和焊接不當(dāng)造成的環(huán)焊縫質(zhì)量問(wèn)題》，事故分析表明這些失效都是由于變壁厚環(huán)焊縫焊接不當(dāng)、錯(cuò)邊、管道內(nèi)部焊接不當(dāng)、管道支撐不當(dāng)和附屬物等原因造成的，大多數(shù)待焊接管端條件并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)和施工要求，即鋼管坡口形狀不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2008年至2009年期間，Enbridge公司建設(shè)了全長(zhǎng)504 km、鋼管外徑508 mm、鋼級(jí)為X70和X80、標(biāo)稱壁厚6.4 mm的LSr管道[18]。LSr管道從加拿大曼尼托巴省Cromer至美國(guó)明尼蘇達(dá)州Clearbrook。在加拿大境內(nèi)敷設(shè)管道長(zhǎng)度為288 km，包括長(zhǎng)度為278 km的X70管道和長(zhǎng)度為10 km的X80管道；在美國(guó)境內(nèi)敷設(shè)的管道長(zhǎng)度為216 km，全部為X70管道。鋼管均由加拿大的Evraz Inc.提供，采用電阻焊(ERW)工藝制造。Enbridge公司在LSr管道建設(shè)過(guò)程中除遵守CSA Z662-07第7.11條環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)要求外，施工隊(duì)伍對(duì)所有環(huán)焊縫進(jìn)行了100%射線檢測(cè)，并建立了延遲無(wú)損檢測(cè)方案，將大多數(shù)環(huán)焊縫納入到延遲無(wú)損檢測(cè)計(jì)劃中。延遲無(wú)損檢測(cè)的主要目的是為了檢測(cè)環(huán)焊縫是否會(huì)出現(xiàn)延遲氫致裂紋，在加拿大境內(nèi)共發(fā)現(xiàn)21處環(huán)焊縫裂紋，并進(jìn)行了割口和換管作業(yè)。環(huán)焊縫裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)樵诖箫L(fēng)和嚴(yán)寒天氣條件下施工，預(yù)熱不充分、層間溫度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求和焊后保溫措施不當(dāng)致使環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋。Enbridge公司為了檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道環(huán)焊縫中存在的裂紋，對(duì)大部分(58%)的環(huán)焊縫進(jìn)行了延遲無(wú)損檢測(cè)，尤其是對(duì)2018年11月份以后施工的環(huán)焊縫(主要為第9標(biāo)段和第11標(biāo)段)進(jìn)行了約100%的延遲無(wú)損檢測(cè)。

2.3 國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度鋼管道環(huán)焊縫失效情況

2017年7月2日發(fā)生中緬天然氣管道爆燃事故后，對(duì)于在役高強(qiáng)度鋼管道環(huán)焊縫失效的根本原因可分為三個(gè)階段進(jìn)行分析：

1)第一個(gè)階段為中緬天然氣管道“7.2”失效事故發(fā)生后，結(jié)合當(dāng)時(shí)周邊道路邊緣塌陷和事故發(fā)生前的連續(xù)降雨等環(huán)境特征，初步認(rèn)為滑坡、塌陷等土體移動(dòng)帶來(lái)的外載是導(dǎo)致環(huán)焊縫斷裂失效發(fā)生的主要原因，失效分析報(bào)告和后續(xù)的治理措施都是緊緊圍繞地質(zhì)災(zāi)害中土體移動(dòng)誘發(fā)的外載的因素進(jìn)行。但是這種認(rèn)知存在一定的局限性，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸油氣管道采用彈性埋地敷設(shè)，穿越各類地質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)域，如地震帶、濕陷性黃土區(qū)等，管道承受土體移動(dòng)等外力載荷影響的區(qū)域非常普遍。每年管道周邊發(fā)生的滑坡、水毀、沉陷等地質(zhì)災(zāi)害上千處，且地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性和隨機(jī)性，如果各種類型的潛在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域都要全部進(jìn)行治理才能保障高強(qiáng)度鋼管道安全運(yùn)行，這也相當(dāng)于管道環(huán)焊縫斷裂失效這個(gè)威脅是“不可控”的狀態(tài)。

2)第二個(gè)階段為中緬天然氣管道“6.10”失效事故發(fā)生后，結(jié)合周邊的建設(shè)施工和地面排水情況，初步認(rèn)為焊縫屈服強(qiáng)度與鋼管管體屈服強(qiáng)度弱匹配導(dǎo)致了管道環(huán)焊縫的承載能力下降，在超過(guò)0.5%的應(yīng)變時(shí)，管道環(huán)焊縫首先發(fā)生斷裂失效。當(dāng)前管道的焊接設(shè)計(jì)都是按照API 1104標(biāo)準(zhǔn)的要求，抗應(yīng)變的能力為不超過(guò)0.5%，因此當(dāng)土體移動(dòng)或其它外載導(dǎo)致管道發(fā)生位移變形的時(shí)候，因焊縫與鋼管管體之間弱匹配，焊縫首先發(fā)生屈服，當(dāng)焊縫應(yīng)變量超過(guò)0.5%的時(shí)候就發(fā)生了焊縫斷裂，這時(shí)鋼管管體還沒(méi)有發(fā)生變形，因此對(duì)于管道結(jié)構(gòu)，所有的應(yīng)變作用集中在焊縫處，從而導(dǎo)致管道結(jié)構(gòu)承受外載等引起的位移變形能力降低。而這些鋼級(jí)的管道在地質(zhì)災(zāi)害等外載作用下很少出現(xiàn)焊縫斷裂失效。同時(shí)，我們現(xiàn)在有約1.3×104km的在役X80管道，如果匹配是導(dǎo)致失效的主要因素，那么只有治理了這些低匹配的焊縫才能保障管道的安全運(yùn)行，但現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)方法無(wú)法全面有效地檢測(cè)出存在低匹配的焊接結(jié)構(gòu)中的缺陷，這種情況給運(yùn)營(yíng)管理者帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)是“不可知”的狀態(tài)。

3)第三個(gè)階段是泰青威管道“3.20”失效事故發(fā)生后，發(fā)現(xiàn)這幾次X70和X80管道環(huán)焊縫失效的斷口都是脆性斷裂，而匹配的前提是焊縫材料韌性符合標(biāo)準(zhǔn)要求，初步認(rèn)為環(huán)焊縫材料的韌性不符合標(biāo)準(zhǔn)要求是管道環(huán)焊縫呈脆性斷裂失效的主要原因。文獻(xiàn)[10]中試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，如果是因?yàn)槿跗ヅ鋵?dǎo)致的管道環(huán)焊縫失效，那么失效的環(huán)焊縫斷口應(yīng)該有屈服形成的明顯的韌窩特征。目前，結(jié)合失效和裂紋缺陷的統(tǒng)計(jì)分析，很多焊縫材料韌性不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，消除結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中是保障管道環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)完整性的有效方法，特別是針對(duì)變壁厚、錯(cuò)邊等易導(dǎo)致缺口效應(yīng)的位置進(jìn)行排查，采用幾何內(nèi)檢測(cè)、中心線內(nèi)檢測(cè)和漏磁內(nèi)檢測(cè)持續(xù)監(jiān)控管道的狀態(tài)。在這種情況下，對(duì)于運(yùn)營(yíng)管理者來(lái)說(shuō)，要深入認(rèn)識(shí)當(dāng)前的威脅、當(dāng)前的能力、當(dāng)前真正能做的和能做到的，持續(xù)不斷地“以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)、以基礎(chǔ)研究為支撐、以管理提升為契機(jī)”分階段、有步驟地解決問(wèn)題。

3 在役高強(qiáng)度鋼管道焊接結(jié)構(gòu)完整性保障技術(shù)

當(dāng)X80管道系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)及性能符合要求時(shí)，才能保障管道可靠、安全輸送地高壓天然氣。通過(guò)近期的失效事件分析和相關(guān)鋼管材料性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)焊縫存在缺欠或缺陷、沖擊韌性值不符合要求、焊接層數(shù)不足等現(xiàn)象，因此進(jìn)行了焊縫建設(shè)期施工底片排查、數(shù)據(jù)對(duì)齊、內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)挖掘等工作，解決了X80管道部分威脅管道安全運(yùn)行的問(wèn)題，但仍有很多問(wèn)題亟待解決：

1)控制管材性能分散性。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的管材性能分散性較大，從而導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度不能匹配，國(guó)內(nèi)X80鋼抗拉強(qiáng)度波動(dòng)范圍為200 MPa、屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍為150 MPa，相比文獻(xiàn)[19]中提到的“API 5L和 EN 10208-2(ISO 3183-2)規(guī)定，X80鋼屈服強(qiáng)度的允許波動(dòng)范圍應(yīng)為120 MPa”，文獻(xiàn)[20]中提到了“德國(guó)X80鋼管道Megal II的管材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度波動(dòng)范圍控制為100 MPa”，分散性越小焊縫金屬就能夠更好地與管材匹配。

2)開(kāi)展X80鋼缺陷敏感性分析，提高焊接缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。X80鋼對(duì)于缺陷的敏感性，即容限缺陷的承載能力應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，當(dāng)前不能僅按照SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無(wú)損檢測(cè)》進(jìn)行驗(yàn)收，由于焊縫金屬?gòu)?qiáng)度的提高，其對(duì)于缺陷更加敏感，更容易在應(yīng)力集中位置導(dǎo)致缺欠擴(kuò)展失穩(wěn)，對(duì)于含咬邊、未熔合等平面性缺欠的II射線底片應(yīng)判定為不合格。

3)改進(jìn)焊接工藝規(guī)程，改善現(xiàn)場(chǎng)焊接適用性。由于焊接工藝評(píng)定在實(shí)驗(yàn)室完成，評(píng)定通過(guò)的焊接工藝要求的焊接環(huán)境條件比較高，如預(yù)熱溫度、風(fēng)速、溫度等，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)焊接窗口比較狹窄，出現(xiàn)焊接缺陷的概率大幅增加。

4)根據(jù)管材性能確定焊接工藝。焊接工藝評(píng)定是根據(jù)規(guī)定的管材最小屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下的匹配，而未能根據(jù)實(shí)際訂購(gòu)管材的性能進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)性能的匹配，從而降低了整體結(jié)構(gòu)的抗位移應(yīng)變的能力。

5)進(jìn)一步進(jìn)行針對(duì)環(huán)焊縫缺陷的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)前管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于環(huán)焊縫缺陷、裂紋及開(kāi)口較小的類裂紋的檢測(cè)與識(shí)別還存在一定的局限性，需要進(jìn)行研究，提高環(huán)焊縫缺陷檢出率、識(shí)別率和尺寸量化的能力，以便更好地保障管道的安全運(yùn)行。

6)分析研究高強(qiáng)度管道焊縫與鋼管管體的低強(qiáng)匹配問(wèn)題。低強(qiáng)匹配焊縫易成為應(yīng)力集中部位，出現(xiàn)應(yīng)變累積。WANG等人[21-22]針對(duì)某低匹配X70管道的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)鋼管管體的應(yīng)變量只有0.4%～0.5%時(shí)，焊縫應(yīng)變量就達(dá)到約7%，即使不存在缺陷也極有可能發(fā)生失效，因此應(yīng)周期性進(jìn)行IMU檢測(cè)，識(shí)別高應(yīng)變的位置。

為了保障高強(qiáng)度鋼管道的焊接結(jié)構(gòu)完整性，應(yīng)分析各個(gè)階段存在的問(wèn)題，確保各個(gè)階段之間達(dá)到無(wú)縫銜接，從而保障系統(tǒng)的功能和安全達(dá)到最優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 高強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)完整性關(guān)鍵問(wèn)題控制流程魚(yú)骨圖

4 總結(jié)與展望

綜上所述，當(dāng)前高強(qiáng)度鋼管道焊接結(jié)構(gòu)失效面臨的關(guān)鍵問(wèn)題可歸結(jié)為對(duì)高強(qiáng)度鋼管道焊接結(jié)構(gòu)完整性和系統(tǒng)可靠性方面的認(rèn)知還存在一定的局限性，有待進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究工作?；诋?dāng)前的認(rèn)知，通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證發(fā)生失效的原因，加強(qiáng)環(huán)焊縫排查和試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)收集和整理缺陷或異常所對(duì)應(yīng)的外部環(huán)境特征，建立識(shí)別危害性焊接缺陷和結(jié)構(gòu)的方法，并通過(guò)持續(xù)的開(kāi)挖驗(yàn)證及其數(shù)據(jù)信息的采集來(lái)完善危害性焊口的識(shí)別方法，提高其識(shí)別準(zhǔn)確性和精度是保障在役高強(qiáng)度鋼管道長(zhǎng)期安全和平穩(wěn)運(yùn)行的有效手段。

同時(shí)，提高管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性，保障管道安全運(yùn)行，在以后的管道建設(shè)規(guī)劃和決策中，應(yīng)首先排查人力資源是否滿足要求、配套資源是否充足、應(yīng)用技術(shù)是否成熟等多方面的因素，評(píng)估科研、設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)和運(yùn)行的系統(tǒng)銜接性。同時(shí)建議從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1)設(shè)計(jì)與監(jiān)理一體化，進(jìn)行設(shè)計(jì)的技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)行監(jiān)理工作，并且監(jiān)理項(xiàng)目要根據(jù)具體情況進(jìn)行量化，如在什么樣的外部環(huán)境條件(如溫度、濕度等)焊接一道焊口所需的時(shí)間，提高現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工作的可操作性。

2)焊接工藝評(píng)定應(yīng)由施工單位結(jié)合所施工標(biāo)段管道所處的環(huán)境制定，增加制定焊接工藝評(píng)定的專業(yè)人員與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施焊接作業(yè)人員的技術(shù)水平程序，同時(shí)，業(yè)主可委托專業(yè)焊接專業(yè)隊(duì)伍對(duì)施工單位出具的焊接工藝評(píng)定進(jìn)行監(jiān)督和審核。