張振永

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘要：國內高鋼級管道發(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、焊縫低強匹配、根部存在漏檢缺陷、環(huán)焊接頭應力集中以及外部地面位移荷載等。以中俄東線(xiàn)天然氣管道設計建設為例，針對環(huán)焊縫質(zhì)量，圍繞地災識別及防控、管材成分控制、焊接工藝、管道敷設以及無(wú)損檢測等方面做了針對性的改進(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；管道設計；改進(jìn)措施

一段時(shí)期以來(lái)，國內多次發(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標、根部缺陷和不等壁厚應力集中等因素。針對這一問(wèn)題，國內組織開(kāi)展了大量環(huán)焊縫質(zhì)量改進(jìn)提升工作，涉及到工程設計、管材控制、焊接工藝、無(wú)損檢測和現場(chǎng)管控等多個(gè)方面。中國石油天然氣管道工程有限公司作為設計單位全面參與了此項工作，并將成果逐一落實(shí)到中俄東線(xiàn)等在建工程設計中，明顯提升了管道的本質(zhì)安全水平。本文簡(jiǎn)要介紹設計改進(jìn)措施和經(jīng)驗做法，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  數據對比分析

過(guò)去20年，國內發(fā)生了多起天然氣管道環(huán)焊縫失效事故，建設期和運行期均有，涉及X52至X80等不同鋼級管道，其中以X65至X80鋼級居多，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)間管道建設里程較長(cháng)且高鋼級管道占比也較高，許多管道在建設期或投產(chǎn)初期就發(fā)生了環(huán)焊縫失效[1]。

圖 1 天然氣管道環(huán)焊縫失效統計

1.2  失效因素分析

通過(guò)對國內X80管道失效案例分析可以發(fā)現，環(huán)焊縫的失效受多種因素而非單一因素影響。建設期發(fā)生的環(huán)焊縫失效，主要原因為強力組對、不等壁厚引起的應力集中、焊接缺陷和焊縫韌性低；運行期發(fā)生的環(huán)焊縫失效，主要原因為承受外部地面位移荷載作用、不等壁厚連接引起的應力集中和焊縫韌性低等[2]。

美國于2008年和2009年較為集中建設的一批高鋼級管道（每年建設約6400公里），在打壓過(guò)程中發(fā)現了管材和環(huán)焊縫質(zhì)量問(wèn)題，包括管道壓力試驗中的鼓脹變形、開(kāi)裂和環(huán)焊縫泄漏，隨后在役管道也出現了環(huán)焊縫開(kāi)裂事故。這些事故原因主要包括：高低錯邊、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)損檢測結果偏差，以及不遵守焊接工藝要求等。

2  設計改進(jìn)措施

2.1  加強地質(zhì)災害識別

在管道可行性研究階段，管道宏觀(guān)路由比選應結合地質(zhì)災害專(zhuān)項評價(jià)，論證工程建設區域或場(chǎng)地適宜性，盡量避免管道通過(guò)多發(fā)地災區；在初步設計階段，基于地質(zhì)災害專(zhuān)項評價(jià)識別出的地災點(diǎn)，進(jìn)一步開(kāi)展初步設計地質(zhì)災害專(zhuān)題工作，對識別出的地災點(diǎn)逐一現場(chǎng)復核，對于確認的地質(zhì)災害優(yōu)先調整線(xiàn)路予以繞避，對無(wú)法繞避的應采取處置措施，并把治理工程量納入概算；施工圖設計階段，結合線(xiàn)路詳勘工作，進(jìn)一步識別沿線(xiàn)地質(zhì)災害，重點(diǎn)對識別出且無(wú)法繞避的地災點(diǎn)開(kāi)展專(zhuān)項勘測，依據勘測成果進(jìn)行地災評價(jià)和施工圖設計，并在現場(chǎng)施工中根據實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整和完善。

2.2  重視管材質(zhì)量管控

為保證管材的現場(chǎng)可焊性、實(shí)現焊接接頭高強匹配和便于實(shí)施自動(dòng)焊，采取了以下主要改進(jìn)措施：①?lài)栏窨刂乒懿幕瘜W(xué)成分和冷裂敏感系數（Pcm）值。在工程設計技術(shù)規格書(shū)和數據單中，對化學(xué)成分和Pcm值進(jìn)行了嚴格限制，如中俄東線(xiàn)管道要求C0.07%、Pcm0.22%，同時(shí)對重要合金元素，也規定了區間范圍；②縮窄鋼管強度波動(dòng)區間。為便于實(shí)現焊接接頭的高強匹配，基于國內生產(chǎn)控制水平，并參考國外工程做法，對管材的屈服強度和抗拉強度區間進(jìn)行了嚴格限定，如中俄東線(xiàn)管道工程分別要求管材屈服強度為555 MPa～675 MPa、抗拉強度為625 MPa～765 MPa，相比國家標準進(jìn)行了較大縮窄；③降低管端橢圓度。為便于自動(dòng)焊操作和降低錯邊導致的應力集中，根據中俄東線(xiàn)工程需求，對熱煨彎管和直管的橢圓度分別嚴格控制為0.5%D和0.6%D。

2.3  推廣應用自動(dòng)焊技術(shù)

受制于藥芯生產(chǎn)過(guò)程中填充均勻穩定性和焊接過(guò)程外部氣體入侵等因素，自保護藥芯焊絲半自動(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)強度，隨著(zhù)國內自動(dòng)焊裝備的日益成熟，近期國內高鋼級大口徑管道均使用了自動(dòng)焊技術(shù)。中俄東線(xiàn)管道全線(xiàn)采用自動(dòng)焊技術(shù)，并在設計文件中明確列出自動(dòng)焊技術(shù)應用具體要求，最終實(shí)現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)焊縫高強匹配

目前，國內已普遍認可管道環(huán)焊縫采用等強或高強匹配原則，中俄東線(xiàn)管道設計基于高強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)焊縫的高強匹配系數為1.02～1.23，平均值為1.12，較好地落實(shí)了高強匹配。

2.5  優(yōu)化路由轉向方式

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(mǎn)足自動(dòng)焊的內焊機通過(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，在復雜山丘地區根據擬采用的自動(dòng)焊工藝需求開(kāi)展掃線(xiàn)設計，同時(shí)優(yōu)先采用彈性敷設和冷彎管組合實(shí)現大角度平面轉向，大幅縮減了熱煨彎管用量。據統計，已完工的中俄東線(xiàn)北段全長(cháng)716 km，使用熱彎彎管約80個(gè)，平均0.12個(gè)/km；中俄東線(xiàn)中段全長(cháng)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

傳統倒角式不等壁厚焊口容易出現以下問(wèn)題：①焊接結構不連續，存在較大的應力集中；②根焊縫質(zhì)量不易控制，容易出現焊接缺陷；③外形尺寸不規則，無(wú)損檢測容易漏檢根部缺陷。針對倒角式坡口存在的不足，開(kāi)展了不等壁厚內對齊施工技術(shù)研究，通過(guò)對管道自動(dòng)焊內焊機、應力集中、無(wú)損檢測和坡口加工等系統研究，確定了新型內孔錐型坡口型式和相關(guān)尺寸參數，并全面推廣應用到中俄東線(xiàn)天然氣管道和其他在建高鋼級大口徑管道中，取得了顯著(zhù)效果[4]。

2.7  推進(jìn)無(wú)損檢測新技術(shù)應用

針對以往全自動(dòng)超聲波（AUT）檢測出現的缺陷檢出率不穩定、缺陷尺寸精度差等問(wèn)題，通過(guò)大量人員培訓、設備改進(jìn)、無(wú)損檢測工藝評定及現場(chǎng)管理提升等工作，AUT檢測技術(shù)已日臻成熟，并在中俄東線(xiàn)管道建設初期與射線(xiàn)（RT）檢測結果進(jìn)行了大量對比，驗證了AUT檢測的可靠性�？紤]到中俄東線(xiàn)管道全自動(dòng)焊接無(wú)損檢測的及時(shí)性和易出現未熔合缺陷的特點(diǎn)，采用100%AUT+20%RT復檢， 檢測結果可靠[5]。

針對傳統手工超聲波（UT）檢測受人為因素影響大、檢測結果可靠性差的問(wèn)題，對相控陣超聲波（PAUT）檢測進(jìn)行了大量試驗，從設備、人員和執行標準上進(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》，并大量應用于中俄東線(xiàn)管道南段和西氣東輸三線(xiàn)棗陽(yáng)—仙桃段等在建管道工程中，全面替代了UT工藝。

3  結語(yǔ)

為保障天然氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量，以中俄東線(xiàn)管道為代表的高鋼級大口徑天然氣管道，從地災防治、管材成分控制、自動(dòng)焊工藝應用、環(huán)焊縫強度匹配、熱煨彎管使用、不等壁厚處理以及無(wú)損檢測技術(shù)等各方面均做了改進(jìn)和應用提升，取得了顯著(zhù)成效。后續即將開(kāi)工建設的西氣東輸三線(xiàn)中衛—棗陽(yáng)段和川氣東送二線(xiàn)等工程山區施工占比較高、地貌復雜，目前自動(dòng)焊技術(shù)尚不能滿(mǎn)足這些復雜山區的現場(chǎng)施工需要，建議業(yè)內進(jìn)一步加強山區自動(dòng)焊柔性?xún)群笝C、輕量化大坡度自動(dòng)焊裝備及工藝的相關(guān)研究，以實(shí)現自動(dòng)焊技術(shù)在復雜山區的大規模應用。

參考文獻：

[1]羅金恒，楊鋒平，王珂.油氣管道失效頻率及失效案例分析[J].金屬熱處理，2015(40)：470-474

[2]陳小偉，張對紅，王旭.油氣管道環(huán)焊縫面臨的主要問(wèn)題及應對措施[J].油氣儲運，2021，41(9)：1072-1080.

[3]張振永.高鋼級大口徑天然氣管道環(huán)焊縫安全提升設計關(guān)鍵[J]. 油氣儲運，2020，37(7)：740-748.

[4]楊明，劉玉卿，高琦，等.西四線(xiàn)變壁厚鋼管環(huán)焊縫內坡口設計方案[J].焊管，2021，44(3)：11-16.

[5]張振永.中俄東線(xiàn)X80鋼級Φ1422 mm管道工程設計關(guān)鍵技術(shù)應用[J].焊管，2019，42(7)：1-7.

作者簡(jiǎn)介：張振永，1971年生，教授級高工，1995年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）焊接設備及材料專(zhuān)業(yè)，現主要從事油氣長(cháng)輸管道工程設計和管道可靠性及完整性等工作。聯(lián)系方式：13292615649，cppe_zhangzy@cnpc.com.cn。