管道環(huán)焊縫射線檢測缺陷容限標(biāo)準(zhǔn)分析*

吉 楠，蔣浩澤，李為衛(wèi)，楊 明，張 杰，鄒 斌

(1.中國石油集團(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.中國石油西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 830013)

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的需求增加，尤其是對天然氣清潔能源需求的不斷加大，管道輸送對經(jīng)濟(jì)效益追求的不斷提高，近十多年來我國天然氣管道建設(shè)和技術(shù)取得了長足發(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。對內(nèi)部缺陷可用射線檢測法或超聲波檢測法進(jìn)行檢測[5-6]。射線檢測在我國天然氣管道現(xiàn)場環(huán)焊縫無損檢測中大量應(yīng)用，嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量，對避免事故的發(fā)生具有重要意義。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對相關(guān)的射線檢測標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了一定的研究分析：方冬等[7]對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]研究了國內(nèi)不同管線鋼的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對無損檢測的差異分析。這些研究工作多集中于對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的比對分析，通過對比得出不同標(biāo)準(zhǔn)間的差異，但均未提出對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂或改進(jìn)的建議。本文通過對國內(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)焊縫射線無損檢測的缺陷容限指標(biāo)等進(jìn)行了對比，得出了其缺陷驗收的異同點(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)場環(huán)焊縫無損檢測技術(shù)指標(biāo)提供依據(jù)和參考。

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

國外對天然氣管道的現(xiàn)場焊接及無損檢測方面進(jìn)行了大量的研究，形成了成套的焊接及檢驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國外關(guān)于油氣管道環(huán)焊縫缺陷驗收準(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、運(yùn)行、維護(hù)到報廢等整個過程都有詳細(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、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X80/L555天然氣管道的焊接及無損檢測。

2)管道焊接及檢驗標(biāo)準(zhǔn)：這類標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容僅包括管道的焊接及檢驗，如美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API STD 1104—2013，該標(biāo)準(zhǔn)作為長輸管道的現(xiàn)場焊接及驗收標(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復(fù)合管材，并對油氣管道輸送系統(tǒng)的環(huán)焊縫、支管和角焊縫的焊接及檢驗要求有著詳細(xì)的規(guī)定，在歐洲應(yīng)用較多。

我國現(xiàn)行的油氣管道無損檢測標(biāo)準(zhǔn)由國家標(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就同時存在多項國家及行業(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)及驗收主要執(zhí)行GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》與GB 50369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》這2項標(biāo)準(zhǔn)，在GB 50251—2015中規(guī)定，焊縫無損檢測執(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(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。按照我國標(biāo)準(zhǔn)體系，管道的建設(shè)執(zhí)行強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》，焊縫的無損檢測應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《石油天然氣管道工程全自動超聲波檢測技術(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》SY/T 4109—2013的規(guī)定，而不應(yīng)采用其它國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測。按照國家標(biāo)準(zhǔn)化法，企業(yè)可以制定高于國家、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等國際標(biāo)準(zhǔn)。由于不同的國家國情不同、技術(shù)水平不齊，對設(shè)計、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，對國內(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)，可為確定符合我國國情的合理參數(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)焊縫射線檢測標(biāo)準(zhǔn)缺陷容限對比分析

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

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

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、根部內(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項標(biāo)準(zhǔn)也分別對相應(yīng)的單個未焊透的長度及焊縫任何300 mm連續(xù)長度中的累積長度做出了限定，而ISO 13847—2013沒有對未焊透的類型進(jìn)行分類，但驗收指標(biāo)為3種國外標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)；相比而言，SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1對未焊透的尺寸限制比國外標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，但這兩個標(biāo)準(zhǔn)也不完全一致， CDP-G-OGP-OP-082—2015-1對錯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)行時容易造成管道的泄露與斷裂，危害性較大?？紤]到我國管道焊接質(zhì)量穩(wěn)定性及檢測技術(shù)可靠性等實際狀況，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對未焊透缺陷的驗收指標(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)，對未焊透缺陷的驗收指標(biāo)不得低于SY/T 4109—2013的要求。

表1 管道環(huán)焊縫射線檢測未焊透驗收準(zhǔn)則 mm

2.3 未熔合

3種國外標(biāo)準(zhǔn)對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，并分別對未熔合的單個長度與焊縫任何300 mm連續(xù)長度中的累積長度做了規(guī)定；相比而言， SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1對未熔合的分類與API 1104—2013一致，且對未熔合尺寸的規(guī)定比國外標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。

表2 管道環(huán)焊縫射線檢測未熔合驗收準(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，對未熔合的限制指標(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)定單個尺寸不超過焊縫長度的25%外，其余標(biāo)準(zhǔn)對其尺寸不進(jìn)行限制；API STD 1104—2013對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)行驗收，而它的指標(biāo)也是國外標(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應(yīng)的母材時，焊縫承載能力低于母材，當(dāng)同時處于內(nèi)壓、外載荷以及其它缺陷的情況下時，可能發(fā)生焊縫斷裂，因此要對內(nèi)凹的深度和長度進(jìn)行限制。故要對SY/T 4109—2013和CDP-G-OGP-OP-082—2015-1進(jìn)行修訂，使這兩項標(biāo)準(zhǔn)和以后的具體管道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對內(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)定其單個尺寸不超過6 mm，對焊縫任何300 mm連續(xù)長度中的累積長度無具體要求；API STD 1104—2013與CSA-Z662—2015則對單個長度與焊縫任何300連續(xù)長度中累積長度都做了規(guī)定，且CSA-Z662—2015的要求略高于API STD 1104—2013；燒穿對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對燒穿單個長度的要求低于所有對比分析的標(biāo)準(zhǔn)，建議進(jìn)行修訂。

表3 管道環(huán)焊縫射線檢測根部內(nèi)凹和燒穿驗收準(zhǔn)則 mm

2.5 咬邊

表4為咬邊的驗收準(zhǔn)則， ISO 13847—2013與API STD 1104—2013對單個咬邊的長度、深度不做限制，但規(guī)定焊縫任意300 mm連續(xù)長度中的累計長度≤50 mm， CSA-Z662—2015規(guī)定對深度小于(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長度與深度不超過50 mm，焊縫任意300 mm連續(xù)長度中的累計長度與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，內(nèi)咬邊長度不計，當(dāng)影像黑度大于較薄側(cè)母材的黑度時，內(nèi)咬邊≤25 mm，該指標(biāo)比國外對此有要求的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，任意300 mm連續(xù)長度中的累計長度的規(guī)定，與3項國外標(biāo)準(zhǔn)一致；但與ISO 13847—2013及API STD 1104—2013相比，這2項國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)并未對外咬邊的長度與咬邊累計長度做出規(guī)定。

表4 管道環(huán)焊縫射線檢測咬邊驗收準(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)對其深度和長度嚴(yán)格限制。環(huán)焊縫根部焊道較外焊道窄，對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，加之錯邊的存在容易造成焊縫邊緣的開裂。因此，建議對SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1進(jìn)行修訂，增加對外咬邊長度、咬邊累計長度、咬邊深度及錯邊存在情況下對咬邊的限制。

由于焊縫內(nèi)咬邊不易觀察和測量，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，對咬邊的深度采用薄片上的刻槽進(jìn)行對比確定，應(yīng)通過比較咬邊底片的黑度和比對薄片中已知槽深的黑度來確定咬邊深度，從而對咬邊的深度進(jìn)行定量評判，保證焊縫的質(zhì)量。

3 結(jié)論與建議

總體而言，我國高壓大口徑天然氣管道現(xiàn)場焊接環(huán)焊縫的射線無損檢測缺陷容限指標(biāo)比較嚴(yán)格，內(nèi)容相對完善，但在管道現(xiàn)場施工和在役檢測中也發(fā)現(xiàn)過環(huán)焊縫焊縫中存在缺陷。對SY/T 4109—2013與CDP-G-OGP-OP-082—2015-1射線檢測缺陷容限指標(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)凹的驗收指標(biāo)顯著低于國外標(biāo)準(zhǔn)，建議進(jìn)行修改；

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