燕冰川

(中國石油管道分公司 河北 廊坊 065000)

0 引 言

2008～2009年，美國發(fā)生多起X70、X80管道試壓或運行過程中的環(huán)焊縫失效。2010年，美國管道和危險材料安全管理局(PHMSA)發(fā)布的78號公告《管道安全：由于不平滑過渡、錯邊、焊接操作不當造成的大口徑管道環(huán)焊縫質量問題》指出，管道環(huán)焊縫失效多與變壁厚、錯邊、焊接操作不當、外部載荷等因素有關，要求管道運營商針對近幾年新建的大口徑天然氣、危險液體管道，重視可能由于焊接質量導致的環(huán)焊縫失效。2003～2018年，國內也發(fā)生多起高鋼級管道環(huán)焊縫失效事件，以X70鋼和X80鋼管道為主，焊口多為變壁厚、返修口或連頭口，斷口特征多為脆性，原因常與建設期質量管控相關。 統(tǒng)計分析顯示，環(huán)焊縫缺陷、外部載荷作用、焊縫力學性能不達標是導致環(huán)焊縫開裂失效的主要因素。

環(huán)焊縫失效后果嚴重，已成為威脅管道安全運行的一個重要因素。目前，國內部分管道企業(yè)開展了安全質量風險排查，取得了一些進展，消除了一些安全隱患，但受限于檢測評價等技術瓶頸，管道環(huán)焊縫失效風險依然存在。本文從與環(huán)焊縫失效相關的缺陷檢測、力學性能分析、載荷校核等方面，展開分析綜述，旨在為下一步工作開展提供技術支持。

1 環(huán)焊縫檢測技術

目前，環(huán)焊縫風險排查的核心工作主要是焊接質量排查，主要從環(huán)焊縫缺陷的識別判定入手。 通過原有X射線底片復評與內檢測信號復核為主要技術手段，輔以部分特征焊口的抽查來確定開挖點，并通過開挖復檢(外觀宏觀檢查、X射線檢測、超聲相控陣+TOFD等)來進行驗證。

1.1 基于射線底片的焊縫缺陷識別判定

基于射線底片的焊縫缺陷識別判定通過組織無損檢測專業(yè)技術人員，按照工程建設期間管道安裝和無損檢測標準，對底片(AUT掃查圖)進行復核，分析質量隱患，給出處置建議，同時記錄底片上制管焊縫與環(huán)焊縫交點的位置和間距。底片復核發(fā)現錯漏評超標缺陷的不合格焊口、底片復核發(fā)現疑似缺陷建議復拍的焊口，按照100%比例開挖驗證，優(yōu)先開挖高后果區(qū)、高風險段、地災管段的存疑焊口。

該方法具有如下技術局限性：1)不能100%檢測出焊縫缺陷。2)底片復評與現場無損檢測結果存在不一致。3)底片發(fā)黃、缺失、不清楚、銷毀、公片等影響底片復評效果。4)改線或割口后底片資料未更新等會造成無法開展評定。5)無法識別高應力風險焊縫和性能不達標焊縫。6)未作內檢測且缺失施工記錄的管道，缺少可用于現場環(huán)焊縫定位的參考信息。7)無法識別延遲裂紋或可能在運行中擴展的缺陷，且受射線底片后期保存質量的影響也較大[1]。

排查發(fā)現的含裂紋焊口中，部分原底片復評時沒有發(fā)現裂紋。分析表明裂紋多萌生于未熔合、根部過渡不光滑等容易應力集中的位置，需要進一步分析裂紋是否隨運行時間的延長發(fā)生擴展。裂紋是否擴展及擴展速率直接影響高強鋼管道安全運行壽命，以及下一步風險管控措施。

1.2 基于內檢測的焊縫缺陷識別判定

環(huán)焊縫缺陷類型很多(未焊滿、未焊透、氣孔、夾渣、未熔合、裂紋、咬邊等)，分類及定量非常困難，單一檢測信號無法對缺陷進行分類；外觀形貌不規(guī)則(現場焊接特征各異)，檢測適應性要求高；檢測窗口短(焊縫寬度10～20 mm，檢測器速度1～3 m/s，無法像外部無損檢測那樣進行多次掃查)；載荷變化和材料性能影響因素多，檢測表征特點不突出。

中國石油管道公司系統(tǒng)開展的基于高精度漏磁內檢測的環(huán)焊縫識別與判定技術，提出了基于高精度漏磁內檢測的環(huán)焊縫缺陷識別、判定與分類方法，異常信號特征分類示意圖如圖1所示，基本解決了環(huán)焊縫體積型缺陷和具有一定開口寬度未熔合、未焊透缺陷的識別與判定技術難題。基于環(huán)焊縫缺陷信號特征的形貌、強度、位置等信息，將環(huán)焊縫缺陷劃分為4種類型的信號：“1”為焊道未焊滿、過度打磨以及嚴重未熔合、未焊透等；“2”為焊縫未熔合、未焊透等；“3”為焊縫內凹、蓋帽金屬損失等；“4”為側壁過度打磨、較大錯邊或咬邊等。根據環(huán)焊縫異常分類情況并結合環(huán)焊縫異常信號幅值和尺寸信息，將環(huán)焊縫異常分為I(輕微)、II(較嚴重)、III(嚴重)3級。研究分析與現場應用實踐表明，漏磁內檢測仍然是工程上識別在役管道環(huán)焊縫異常最有效的技術手段之一。

圖1 異常信號特征分類示意圖

由于漏磁內檢測技術的局限性，其僅對體積型缺陷(包括存在一定金屬損失的焊縫缺陷)較敏感，還存在難以有效識別較小開口寬度的焊縫裂紋、未熔合與未焊透等缺陷的問題，以及壁厚變化處信號突變引起的誤判等問題。同時國內外可提供漏磁內檢測技術服務廠商較多，各家檢測器檢測精度與置信度存在一定差別，對環(huán)焊縫異常識別的模型和能力存在差異，管道運營商出于經濟性考慮，選用的檢測器精度也有所不同，一定程度會影響通過漏磁內檢測器識別判定環(huán)焊縫缺陷的作用和效果[2]。

國外Rosen公司提出了使用超高清漏磁、超聲裂紋及電磁超聲裂紋檢測油氣管道環(huán)焊縫裂紋的檢測方案。BHGE PII公司開展了超聲裂紋內檢測器用于環(huán)焊縫缺陷檢測的性能研究。目前業(yè)內超聲裂紋檢測設備絕大部分是用于軸向裂紋型缺陷，環(huán)焊縫內檢測技術發(fā)展較為緩慢。國內某公司曾與PII合作進行了環(huán)焊縫超聲波裂紋內檢測適用性研究，并在某管道進行了現場試驗。牽引試驗表明，環(huán)向超聲波內檢測技術可以有效探測人工預制的規(guī)則環(huán)焊縫裂紋。但實際管道中應用受到現場環(huán)焊縫成型不規(guī)則，余高不均、排焊、返修等影響，以及數據分析模型缺少大量真實缺陷樣本支撐，該技術對于缺陷類型分類、量化以及內外部區(qū)分還存在較大誤差。

2 應力檢測與分析技術

據統(tǒng)計，2001～2019年的23起環(huán)焊縫失效事件中，除1起為試壓過程中實際失效壓力(13.3 MPa)高于設計壓力(10 MPa)外，22起的實際失效壓力均低于設計壓力。 對某管道6道割口環(huán)焊縫進行靜水壓爆破實驗，爆破壓力(20.78 MPa至21.45 MPa)均高于設計壓力(12 MPa)。內壓不是引起環(huán)焊縫事故的主要原因，但現有檢測技術還很難發(fā)現外部載荷與結構設計不合理導致的全部應力集中點。

管道應力的在線檢測主要分為內檢測、非接觸式外檢測兩種方式。內檢測技術方面，目前國內外管道內檢測技術都是以檢測腐蝕、裂紋等宏觀缺陷為目的，對應力集中的在線內檢測開展的研究較少。目前各管道運營單位對管道應力應變內檢測普遍采用的方法是在幾何內檢測器上搭載慣性測量單元(IMU)的方式測量管道中心線，然后通過數值算法解算管道彎曲應變。但IMU檢測僅能得到管道彎曲應變，而管道軸向應力特別是軸向拉應力才是導致管道環(huán)焊縫失效的主要因素[3]。交變電磁場應力檢測技術可利用鐵磁材料的磁致伸縮效應進行軸向應力檢測，Baker Hughes與Eddyfi公司聯合研制了一種用于管道軸向應力內檢測的專用探頭，并已經用于前者的實際檢測項目中，但在國內還未開展應用，效果有待進一步分析驗證。

非接觸式應力檢測是指在不開挖的情況下，使用無損檢測設備沿著管道路由檢測管道應力集中管段，也有公司利用此技術進行管道缺陷、打孔盜油閥門及環(huán)焊縫定位的檢測。技術上多采用基于磁記憶原理的磁力層析技術，這是一種發(fā)展歷程較短的新興技術，尚處于起步階段，還存在靈敏度低、對應力只能定性檢測等問題。還需要在傳感器靈敏度提高、儀器穩(wěn)定性提高和應力量化方法上開展進一步研究。

通過有限元模型進行載荷分析也是一種思路和方法，結合典型管段特征，基于管道設計所考慮的基本載荷范圍，抽象建立管段仿真分析模型?；谕翉椈赡Ｐ吞幚砉芡料嗷プ饔茫紤]不同管道基本情況(走向、約束、錨固等)、不同土體情況(埋深、內聚力、內摩擦角、密度)、開展不同內壓、溫差作用下的管-土耦合結構有限元分析，研究管道軸向力分布。必要時，考慮土體位移、非均勻沉降等導致的管線附加軸向力的分布特征，確定相關異常條件下的管線軸向載荷。

管道環(huán)焊縫變壁厚、連頭口、返修口是應力集中的關鍵特征焊口，在失效焊口中占比較高?？苫谝延袡z測結果和失效案例，建立含錯邊的不等厚直管對焊管段在軸向載荷作用下的應力分析模型，在材料均勻性、各向同性假設條件下，開展不同壁厚、不同錯邊量組合下的三維實體單元線彈性有限元結構應力分析[4]。同時，基于不等厚對接接頭存在比較嚴重的內表面溝槽(類面型缺陷)，研究環(huán)焊縫焊趾位置局部幾何不連續(xù)導致的應力集中，確定對接接頭部位的局部應力分布和表征取值方法。

3 環(huán)焊縫力學性能分析

焊接工藝重現性不好和現場執(zhí)行焊接工藝不嚴格，環(huán)焊縫存在沖擊功分布離散且部分點位不達標的問題，投運后很難進行在線檢測。加拿大學者采用熔化極氣體保護焊工藝，實驗室研究了過強匹配、等強匹配、低強匹配等3種環(huán)焊縫試樣的拉伸變形行為。過強匹配和等強匹配條件下，斷裂發(fā)生在母材。低強匹配條件下，斷裂發(fā)生在環(huán)焊縫。部分管道環(huán)焊縫相對于管體低強匹配及熱影響區(qū)軟化，容易導致環(huán)焊縫應變集中而失效。

高壓輸氣管道最重要的材料性能為強度和韌性特別是斷裂韌性和止裂性能，藥芯半自動焊接(FCAW)接頭的沖擊韌性離散性極大，其主要原因可能是：1)高Al的石墨化作用，導致MA數量顯著增加； 2)高的N含量，且以間隙固溶方式存在，導致韌性波動。管材及焊材成分對于焊縫以及相鄰熱影響區(qū)性能波動影響極大[5]。鑒于焊縫性能無法在線檢測，建議對于已建高強鋼管道，根據焊材及母材成分，結合焊接工藝，預測韌性等力學性能，對母材、焊材成分、焊接工藝不同的管道，基于焊縫力學性能進行風險排序，更好地指導環(huán)焊縫風險排查工作，彌補目前風險排查主要基于缺陷排查的技術局限性[6]。對于焊縫力學性能風險高的管道，開展進一步的性能測試評估，評價管道服役的安全可靠性。

4 結論及建議

環(huán)焊縫失效是缺陷、載荷、材料性能多因素耦合共同作用的結果，環(huán)焊縫射線底片識別復核+漏磁內檢測信號復核仍是目前工程上排查環(huán)焊縫缺陷最可行的技術手段。環(huán)焊縫韌性分布離散且部分點位不達標，低強匹配及熱影響區(qū)軟化容易導致環(huán)焊縫應變集中而失效。內壓不是引起環(huán)焊縫事故的主要原因，外部載荷與結構設計不合理是導致焊縫失效的重要原因。在總結目前環(huán)焊縫風險排查治理工作及前期大量技術調研的基礎上，提出三方面建議：

1)加大力量，開展變壁厚、連頭口、返修口等特征口對管道環(huán)焊縫失效影響的研究，解決目前對于特征口失效概率高但失效機理不明的難題，減少焊縫失效的發(fā)生概率。

2)加快推進環(huán)焊縫檢測技術攻關及應用，集中行業(yè)力量解決管道環(huán)焊縫裂紋型缺陷和軸向應力檢測難題。

3)建立基于環(huán)焊縫缺陷和IMU檢測彎曲應變的綜合評價方法，開展高附加應力管段環(huán)焊縫風險評估排序。通過IMU中心線檢測，篩選管道存在較大彎曲應變區(qū)域，對區(qū)域內環(huán)焊縫缺陷點制定管控措施。研究建立焊縫力學性能波動大、強度低匹配情況下管道環(huán)焊縫的完整性評價方法。