趙 巖，周亞薇，趙 珍

1.中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000

3.廊坊市圖書館，河北廊坊 065000

對于石方地段不同時期建設的并行管道，后建管道如果采用爆破方式開挖管溝，則可能會影響已建管道的安全。根據有關標準規(guī)定，當后建管道爆破施工時通常應控制并行間距在20 m以上，且控制爆破產生的質點峰值振動速度在14 cm/s以內，以消除安全隱患。但在實際管道建設中，由于受地形、地物或規(guī)劃等因素限制，管道并行間距常常無法滿足20 m并行凈距；且由于受沿線地質條件及環(huán)境因素等影響，往往需要采用爆破方式開挖管溝。此外，在已建管道現場環(huán)焊縫的焊接過程中不可避免地會保留焊接缺欠；而在運行階段，環(huán)焊縫缺欠可能會受到由內壓、地面移動、懸空和熱應力等載荷帶來的軸向應力和彎曲應力作用，隨著應力的波動或載荷的變化，建設期存在的缺欠可能進一步增長。因此，當采用爆破方式開挖近距離并行管溝時，應在控制振動速度的基礎上，采取定量計算，科學合理地評價近距離并行管道爆破施工對已建管道環(huán)焊縫缺欠的影響，從而為已建管道環(huán)焊縫缺欠的維修提出指導意見，并為并行管道爆破施工提供安全保障[1-2]。

1 概述

為避免沿線林區(qū)過度砍伐，中俄原油管道二線工程（漠大二線） 與已建中俄原油管道漠河—大慶段（漠大線，管道基本情況見表1） 并行敷設間距確定為10 m。根據漠大二線的初勘資料，全線約1/2路由途經地區(qū)為石方或凍土地段，巖石多為全風化～強風化的砂巖和花崗巖，主要石方分布范圍內依次設置漠河站、塔河站、加格達奇站和訥河站。為了縮短工期，并降低施工難度，漠大二線將采用爆破方式進行石方段或凍土段管溝開挖。并行凈距小于20 m的管溝爆破開挖在國內管道建設中尚屬首次。

表1 漠大線管道基本情況

本文結合漠大線的設計參數和實際運行情況，在管道組合應力分析的基礎上，采用雙重環(huán)焊縫缺欠評估法，即通過直接評估和工程臨界評估兩個步驟，確定在執(zhí)行漠大二線的石方爆破施工方案情況下，漠大線全線環(huán)焊縫缺欠的安全可靠程度，并提出缺陷的維修意見，指導管溝爆破施工。

2 管道應力分析

正常運行情況下，埋地管道所受的荷載主要為管道內壓力、土壤約束力和溫差導致的熱膨脹作用力，以及應變等引起的彎曲應力等。對于與漠大二線爆破施工段并行的漠大線，除上述應力外，還將受到巖土爆破產生的爆破應力的作用。

2.1 爆破應力

假設爆破采用毫秒級延時爆破，則將其視為點源爆破。PRCI（國際管道研究協會） 于1975年資助SWRI（美國西南研究院）針對埋地爆破對管道的影響開展了較為系統的研究，特別是小于30 m的情況。SWRI通過收集已有爆破試驗數據，并補充完成了103組模擬和全尺寸試驗，分別按點源、線源和網格源分類提出了計算爆破導致的質點峰值振速和位移，以及環(huán)向和軸向應力的經驗公式[3-4]，其中點源爆破的質點峰值振速按式（1）計算：

式中：U為質點峰值振速，cm/s；c為沖擊波在介質中的傳播速度，cm/s；P0為大氣壓強，MPa；ρ為土體或巖石的密度，g/cm3；We為爆破藥量，kg；R為爆破距離，m；h為管道壁厚，mm。

為簡化計算，認為爆破引起的環(huán)向和軸向應力同時達到最大，采用式（2） 計算：

式中：σ為環(huán)向或軸向應力，MPa；E為鋼管的彈性模量，MPa；n為炸藥的當量值，常數；W為爆破藥量的能量值，J。

根據漠大二線的石方爆破方案，爆破距離為10 m，允許的爆破振動速度為10 cm/s。針對漠大線的壁厚規(guī)格11.0、12.5、14.2、16.0、17.5 mm，先采用式（1） 根據允許的質點峰值振動速度確定單次爆破藥量，再采用式（2） 計算爆破引起的附加軸向荷載，結果見表2。

表2 漠大二線爆破對漠大線產生的爆破應力

2.2 組合應力

統計分析漠大線的歷史運行壓力，通過相同月份的出站最高壓力來確定管道內壓，同時結合實際監(jiān)測的管道沿線壓力曲線，避免高程對壓力的影響，分別確定不同設計工況下環(huán)焊縫所承受的由內壓而引起的軸向應力；統計分析漠大線的歷史運行溫度，通過相同月份的最低出站溫度確定運行溫度，出于保守考慮，采用安裝最高溫度和運行最低溫度計算不同設計工況下環(huán)焊縫所承受的由溫差而引起的軸向應力；按照GB 50253—2014《輸油管道工程設計規(guī)范》 中規(guī)定的內壓應力和溫差應力的計算方法進行計算，得到漠大線環(huán)焊縫所承受的由內壓和溫差而引起的軸向應力結果，見表3。

對于應變引起的彎曲應力，根據慣性測量單元IMU監(jiān)測的結果，管道環(huán)焊縫處的水平應變和垂直應變在不同時間段內的相應值變化不大，應變值均能控制在0.1%范圍內，管道整體保持穩(wěn)定水平。出于保守考慮，將管道應變統一按照0.1%考慮，則焊口處的彎曲應力Pb=0.1%×2.06×105=206（MPa）。

將內壓引起的軸向應力、溫差引起的軸向應力、彎曲應力和爆破應力統籌考慮為一次薄膜應力，參與環(huán)焊縫的工程臨界評估計算，得到各個管段不同設計工況的組合應力計算結果，見表3。

表3 漠大二線管道軸向應力水平

3 環(huán)焊縫缺欠特征

管道環(huán)焊縫缺欠可以分為體積型和平面型兩類。體積型主要包括夾渣、氣孔、表面凹坑等，平面型主要包括裂紋、未熔合、未焊透以及存在尖銳夾角的咬邊等。兩類缺欠相比，裂紋、未熔合等平面型缺欠更容易造成環(huán)縫斷裂失效[5-8]。本次無損檢測檢出的環(huán)焊縫異常多為咬邊，且無相鄰缺欠。因此，假定管道環(huán)焊縫缺欠均按內表面平面型缺欠考慮，如圖1所示。

采用高精度漏磁內檢測器對漠大線全線進行環(huán)焊縫無損檢測，結果顯示漠河站—塔河站環(huán)焊縫缺欠128處、塔河站—加格達奇站環(huán)焊縫缺欠132處、加格達奇站—訥河站環(huán)焊縫缺欠693處。經過數據分析，管道環(huán)焊縫大部分檢出缺欠尺寸均分布在30%壁厚的高度和400 mm的長度范圍內，全部環(huán)焊縫缺欠高度均未超過50%壁厚，見圖2。

圖1 圓周方向的內表面缺欠

圖2 環(huán)焊縫異常尺寸分布

4 環(huán)焊縫缺欠評估

對于管道環(huán)焊縫的缺欠評估，管道缺欠評價手冊（PipelineDefectAssessmentManual，簡稱PDAM）推薦首先采用由歐洲管道研究協會（European Pipeline Research Group，簡稱EPRG） 研究得到的EPRG指南。EPRG指南分為3個等級的評估，包含了基于施工標準規(guī)范制定的驗收準則和基于適應性分析原理制定的缺欠可接受極限。其中，等級1根據焊接驗收標準規(guī)定缺欠的可接受尺寸；等級2和等級3基于適用性原理制定缺欠的尺寸極限，等級2和等級3規(guī)定的可接受尺寸要大于標準規(guī)范的要求。對于不滿足標準規(guī)范或者EPRG指南中規(guī)定的缺欠驗收準則的環(huán)焊縫缺欠，采用BS 7910規(guī)定的流程進行工程臨界評估（Engineering Critical Assessment，簡稱ECA）[9-12]。為了確定并行管道近距離爆破施工對在役漠大線環(huán)焊縫的安全影響，特結合PDAM的評估流程制定了包含直接評估和工程臨界評估的雙重環(huán)焊縫缺欠評估法。

4.1 直接評估

根據PDAM規(guī)定的缺欠可接受準則（見表4），將檢測到的環(huán)焊縫缺欠按照缺欠高度分為4類。以此為原則進行環(huán)焊縫缺欠的直接評估。以塔河站—加格達奇站的管段為例，評估不合格的缺欠總數共計778個。

表4 單個平面缺欠的可接受極限尺寸

4.2 工程臨界評估 （ECA）

針對直接評估不合格的缺欠，開展基于BS 7910的ECA評估，以確定其在特定運行工況和載荷作用下環(huán)焊縫的安全可靠性。工程臨界評估方法以斷裂力學原理為基礎，是一種以失效評估圖（Failure Assessment Diagram，簡稱FAD） 為依據展開的適用性評價方法。失效評估圖通過應力分析和材料分析，將斷裂韌性比和載荷比作為失效評估圖的兩個重要決定性因素。FAD圖上有兩條分界線，一條是失效評定曲線，為彈塑性斷裂評定準則；另一條是以Lr=Lr（max）為邊界的截止線，是塑性破壞評定準則。對于含缺欠結構的給定狀態(tài)，通過計算相應的韌性比Kr和載荷比Lr，得到FAD中的評價點A（Lr，Kr）。如果評價點A落在邊界線之內，則該結構狀態(tài)是安全的；否則，結構不安全 （ 見圖3）[13-16]。

針對不同管段的設計工況，結合焊口處確定的組合應力水平分析結果，針對每一個待評估缺欠分別計算其參考應力、斷裂韌性、韌性比、載荷比以及Lr截止線 （Lr，max）， 通過繪制FAD圖進行基于斷裂力學的工程臨界評估。對塔河站—加格達奇站的管段評估結果顯示，直接評估不合格的778個環(huán)焊縫缺欠中，仍有211個環(huán)焊縫評價點位于FAD的邊界線之外，即不安全區(qū)域（見圖4、表5），這些點被認為ECA評估不合格。

圖3 含缺欠金屬結構失效評價原理示意

圖4 環(huán)焊縫缺欠的工程臨界評估

表5 ECA評估不合格的環(huán)焊縫缺欠數量

4.3 缺欠再評估

由于上述ECA評估過程中，選用的組合應力在確定過程中均為保守取值，尤其是彎曲應力計算時將管道應變統一按照0.1%取值，可能導致最終的軸向組合應力過于保守，從而使得未通過上述ECA評估的缺欠樣本量較大。因此，針對未能通過上述ECA評估的211個環(huán)焊縫評價點，分別查找對應的實際IMU應變監(jiān)測值，調整彎曲應力及組合應力后，對環(huán)焊縫評價點進行缺欠再評價。

采用與上述ECA評估相同的流程，在漠河站—塔河站、塔河站—加格達奇站和加格達奇站—訥河站管段分別使用焊口實際應變值進行環(huán)焊縫缺欠的再評估時，各焊口處的彎曲應力顯著降低。通過繪制FAD圖，初次未通過ECA評估的211個環(huán)焊縫缺欠中，3個管段分別有4個、7個和5個點位于FAD的不安全區(qū)域內（見圖5），圖例中點號即為對應的焊口編號。

圖5 漠大線環(huán)焊縫缺欠再評估FAD圖

由此，結合漠大二線管溝爆破條件下作用于漠大線環(huán)焊縫的組合應力分析，通過漠大線環(huán)焊縫的直接評估和工程臨界評估，包括采用真實應變監(jiān)測值開展的ECA再評估等缺欠評估，結果認為，當漠大二線管溝爆破施工時，位于再評估FAD不安全區(qū)域內的16道漠大線焊口的安全性不符合基于斷裂力學的工程臨界評判標準，需要采取措施，以防止施工過程中管道失效事故的發(fā)生。

5 結論及建議

通過對內壓、溫差引起的軸向應力，應變引起的彎曲應力和允許的爆破振動速度條件下爆破應力等載荷水平分析，根據PDAM制定基于斷裂力學的包括直接評估和適用性評估的雙重環(huán)焊縫缺欠評估法。在一系列科學的計算分析基礎之上，認為漠大二線石方段爆破施工將對漠大線漠河站—訥河站管段16處環(huán)焊縫產生安全威脅。由此，明確了漠大二線近距離管溝爆破施工對漠大線環(huán)焊縫缺欠的安全影響，為漠大線環(huán)焊縫缺欠的維修提出了指導性意見，也為國內首條近距離爆破施工的漠大二線管道提供了技術保障。對于存在安全隱患的16道焊口，建議開挖核實焊口缺欠，采用RT或UT等無損檢測方法進一步查清缺陷的類型和尺寸，進一步評估其安全可靠性；或在施工中加強關注，進一步限定爆破振動速度或采用非爆破作業(yè)開挖管溝方式施工。