在役油氣管道環(huán)焊縫檢測評價及修復作業(yè)

張 良，常大偉，李 剛，鄒 斌，方衛(wèi)林，程 磊

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2.西氣東輸管道公司，上海 200000；3.中石油管道有限責任公司西部分公司，烏魯木齊 830000）

1 管道環(huán)焊縫缺陷檢測概述

有文獻報道，中國陸上油氣長輸管道總里程已超過12 萬km，存在超過 1 000 萬道環(huán)焊縫[1-2]。為保障油氣管道安全運行，徹底排查管道環(huán)焊縫的安全隱患，近年來，各管道公司正大量開展管道環(huán)焊縫風險排查、 開挖檢測驗證工作。

由于油氣輸送管道埋地敷設(shè)，一般通過無損檢測獲得管體或焊縫缺陷信息，這種手段可簡單的分為非開挖和開挖檢測兩種。 非開挖檢測主要是指管道內(nèi)檢測[3-6]，通過檢測器在管道內(nèi)部行走獲取管道和焊縫上的缺陷信息。 但是，目前的內(nèi)檢測技術(shù)并不能完全準確地識別所有缺陷的具體情況，例如環(huán)焊縫缺陷性質(zhì)、 缺陷自身高度等，但基本可以指出管道存在問題或者異常位置，然后再通過開挖檢測對異常點進行詳細診斷。 開挖檢測主要手段包括磁粉/滲透、 超聲/相控陣、 射線、 TOFD 等[7-9]，磁粉/滲透檢測能敏感地識別表面缺陷，射線/超聲/相控陣檢測可對缺陷進行定性定量，TOFD 檢測可補充確定缺陷自身高度信息。 因此，在開挖檢測中選擇合適的檢測手段基本可以解決所有管體及焊縫的缺陷檢測問題。

環(huán)焊縫開挖檢測的一個重要目的是為管道含缺陷環(huán)焊縫適用性評價 （即合于使用評價） 提供數(shù)據(jù)支撐，因此，開挖檢測數(shù)據(jù)的準確性和全面性，直接影響環(huán)焊縫適用性評價參數(shù)的選取及評價結(jié)果的準確性，而適用性評價結(jié)果則對管線后期的安全運行及缺陷處置方法選擇有重要意義。

環(huán)焊縫開挖檢測工作量大，資源投入巨大。完成環(huán)焊縫開挖、 檢測、 評價等內(nèi)容后，考慮管道安全，按照要求需即刻對環(huán)焊縫進行防腐、 回填。 若因檢測內(nèi)容不全面或檢測方法不得當，會造成檢測結(jié)果不能準確反映環(huán)焊縫及缺陷的真實情況，為管道運行留下了安全隱患，如需再次進行開挖檢測，會造成不必要的資源浪費。

目前，環(huán)焊縫異常點開挖檢測項目較多，檢測服務(wù)商水平參差不齊，形成的無損檢測報告內(nèi)容也并無統(tǒng)一格式。 環(huán)焊縫開挖檢測需進行哪些檢測內(nèi)容或在一次開挖檢測中應(yīng)得到環(huán)焊縫的哪些相關(guān)信息，國內(nèi)外尚無標準明確規(guī)范。 本研究針對環(huán)焊縫開挖檢測、 評價及修復作業(yè)中常見的關(guān)鍵問題進行討論，并提出改進措施及建議，包括環(huán)焊縫無損檢測、 環(huán)焊縫缺陷適用性評價以及基于適用性評價的修復方式選擇依據(jù)，為進一步規(guī)范管道環(huán)焊縫檢測、 評價及修復作業(yè)提供參考。

2 環(huán)焊縫無損檢測

無損檢測技術(shù)是第二次世界大戰(zhàn)后迅速發(fā)展起來的一門新的綜合性工程科學，是控制產(chǎn)品質(zhì)量、 保證設(shè)備安全的重要技術(shù)手段，對鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量控制的作用尤為突出[10]，特別是在油氣管道環(huán)焊縫風險管理中，無損檢測獲得的缺陷信息將成為后續(xù)工作的重要數(shù)據(jù)。 可以說，無損檢測是整個油氣管道環(huán)焊縫風險管理工作的基礎(chǔ)，環(huán)焊縫的管理工作基本上都是在無損檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展和決策的。 然而，進行管道開挖檢測需投入大量的資源，牽扯到土地協(xié)調(diào)賠償、 開挖、 人工等費用，還要承擔在開挖作業(yè)過程中管道安全、光纜安全以及作業(yè)人員自身安全的風險，因此，完成一次管道開挖并不容易，如何避免在一次環(huán)焊縫開挖驗證中由于環(huán)焊縫信息掌握不全而返工，以及如何在一次開挖檢測作業(yè)中明確無損檢測承包商的責任，規(guī)范承包商檢測結(jié)果書寫格式，這是一個值得重視的問題。 以下從3 個方面對環(huán)焊縫無損檢測內(nèi)容及信息記錄格式提出改進或統(tǒng)一的建議。

2.1 資料收集

在進行環(huán)焊縫無損檢測前，應(yīng)收集相關(guān)管道基本信息和檢測對象基本信息。 管道基本信息包含管線名稱、 管道外徑、 設(shè)計壁厚、 鋼級、 設(shè)計壓力、 運行壓力、 防腐層類型等，均為確定適用性評價參數(shù)取值的依據(jù)。 環(huán)焊縫信息包含環(huán)焊縫編號、 檢測里程、 異常部位點鐘位置、 焊縫上下游管節(jié)長度、 上下游管節(jié)設(shè)計壁厚、 所處地區(qū)等級、 設(shè)計系數(shù)、 是否為高后果區(qū)、 所處地區(qū)地質(zhì)地貌情況等。

其中，填寫環(huán)焊縫編號和檢測里程是為了便于核查具體檢測對象；記錄異常部位點鐘位置則為了將開挖檢測結(jié)果與內(nèi)檢測結(jié)果對比，便于驗證內(nèi)檢測結(jié)果準確性；記錄環(huán)縫上下游管節(jié)長度是為了考慮環(huán)焊縫上下游是否存在短接，即判斷環(huán)焊縫是否為連頭口或存在組對應(yīng)力；其余信息均為在適用性評價過程中考慮環(huán)焊縫失效后果而對個別評價參數(shù)的選取提供支撐的數(shù)據(jù)。

2.2 無損檢測內(nèi)容

（1） 補口帶檢測。 如上所述，進行一次環(huán)焊縫開挖檢測并不容易，應(yīng)對環(huán)焊縫補口帶質(zhì)量進行檢驗，獲得補口帶性能數(shù)據(jù)[11-12]。 檢測內(nèi)容包括： ①外觀檢測，目視判斷防腐層是否滿足表面平滑、 無鼓包、 無皺折、 無脫落等要求；②厚度檢測，判斷防腐層厚度是否滿足要求；③電火花漏點檢測，檢測防腐層是否存在針孔；④剝離強度檢測，破壞性試驗，判斷防腐層性能。

（2） 環(huán)焊縫外觀檢測。 在環(huán)焊縫缺陷適用性評價中，錯邊對評價結(jié)果影響很大，因此在進行外觀檢測時一定要測量環(huán)焊縫的錯邊情況。 除此之外，焊縫余高、 焊縫寬度等焊縫基本參數(shù)也應(yīng)進行記錄。 若在外觀檢測時發(fā)現(xiàn)未焊滿、 外腐蝕、 凹坑等情況，應(yīng)記錄缺陷長度、 寬度和深度。

（3） 環(huán)焊縫上下游鋼管檢測。 為確認管道實際壁厚及變形情況，應(yīng)對開挖環(huán)焊縫上下游管體進行測量，包括鋼管壁厚和周長。 另外，由于建設(shè)標準中對環(huán)焊縫上下游鋼管焊縫交點間距有明確要求，一般要求焊縫交點間距不少于100 mm，因此，開挖檢測中應(yīng)對焊縫交點間距進行記錄。

（4） 環(huán)焊縫無損檢測。 采用全面的無損檢測組合基本能有效識別所有環(huán)焊縫缺陷[13-15]。 因此在環(huán)焊縫開挖檢測中，建議采用以下無損檢測手段組合： ①磁粉檢測或滲透檢測，查看是否存在表面裂紋、 表面未熔合及未焊透等表面缺陷；②超聲檢測或相控陣檢測，查看是否存在內(nèi)部缺陷，并對缺陷進行定量；③射線檢測，查看是否存在內(nèi)部缺陷，并對缺陷進行定性；④TOFD 檢測，查看是否存在內(nèi)部缺陷，并對缺陷進行定性定量，應(yīng)確定缺陷自身高度。

2.3 無損檢測結(jié)果記錄

為了便于業(yè)主或后期適用性評價單位使用無損檢測數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果的記錄形式應(yīng)注意以下幾點： ①由于在評價時需考慮缺陷交互影響，為了便于判斷缺陷是否需要合并，因此無損檢測記錄的缺陷位置建議按照 “順時針方向距0 點鐘位置的距離” 的方式進行記錄；②缺陷自身高度對評價結(jié)果影響極大，因此TOFD 檢測及相控陣檢測一定要給出缺陷的自身高度；③常見的裂紋型缺陷可分為埋藏型裂紋缺陷和表面裂紋缺陷，不同缺陷類型評價方式不同，評價結(jié)果相差較大，因此無損檢測結(jié)果需明確缺陷為埋藏型缺陷還是表面裂紋缺陷；④考慮軸向裂紋和環(huán)向裂紋的評價方法有所不同，現(xiàn)場檢測若發(fā)現(xiàn)裂紋，需明確裂紋為環(huán)向裂紋還是軸向裂紋。

表1 中舉例列出了在一次開挖形式的環(huán)焊縫檢測工作中應(yīng)注意收集的具體信息，以及無損檢測結(jié)果的格式及內(nèi)容要求，主要包含資料收集、檢測內(nèi)容、 檢測結(jié)果記錄等方面。 另外，建議檢測單位在向業(yè)主或評價單位提交檢測結(jié)果時，在檢測結(jié)果上蓋章確認，便于明確責任。

表1 推薦使用的一次開挖無損檢測信息記錄表

3 環(huán)焊縫安全評價

環(huán)焊縫的安全評價實際上指的是含缺陷環(huán)焊縫的適用性評價[16-18]，在環(huán)焊縫不存在超標缺陷的情況下，理論上管線是可以在內(nèi)壓下安全運行的，無需進一步評價。 在含有超標缺陷的情況下，通過適用性評價來判斷環(huán)焊縫是否能在當前輸送壓力下安全服役或計算環(huán)焊縫的剩余強度。 因此，安全評價的結(jié)論對指導生產(chǎn)具有重要意義。

一般來說，安全評價應(yīng)包含兩部分評價內(nèi)容，一是依據(jù)建設(shè)標準進行評價，將檢測所得缺陷信息與焊接驗收標準對比，若缺陷大小未超出標準要求則無需評價，管線可在正常工況下安全運行；若缺陷大小超出標準要求，則應(yīng)對超標缺陷進行服役適用性評價。 二是依據(jù)適用性評價標準進行評價，對于超出建設(shè)標準要求的缺陷，依據(jù) SY/T 6477、 API 579、 ASME B31 G 等評價標準對缺陷進行服役適用性評價，得出在設(shè)計壓力或當前運行壓力下缺陷能否接受的結(jié)論。 安全評價流程如圖1 所示。

圖1 安全評價流程圖

若適用性評價結(jié)果表明缺陷可以接受，則嚴格按照工藝流程對環(huán)焊縫進行防腐回填；若適用性評價結(jié)果表明缺陷不可接受，則應(yīng)計算管道剩余壽命，給出管道可承受的最大工作壓力，并對該處環(huán)焊縫提出處置建議；若適用性評價表明缺陷可接受，但評估點處于失效評估曲線臨界附近或考慮該處環(huán)焊縫可能承受的外載荷 （來源于地質(zhì)災(zāi)害等） 及失效后果等特殊因素，則也應(yīng)給出處置建議。 處置建議應(yīng)滿足以下要求： ①如需降壓運行，應(yīng)給出具體降壓壓力值；②如需復檢，應(yīng)給出具體復檢時間；③如需修復，應(yīng)給出具體修復方式；④如需監(jiān)測，應(yīng)給出建議的監(jiān)測方式。

4 環(huán)焊縫缺陷處置

無損檢測后通常會發(fā)現(xiàn)管道或焊縫存在缺陷，理論上講，如果適用性評價結(jié)果表明缺陷在設(shè)計壓力下或工作壓力下可以接受，那么在不采用任何修復措施的情況下，管道是可以在正常工況下安全運行的。 眾所周知，管道安全責任重大，如果發(fā)生安全事故會造成巨大的經(jīng)濟損失。 因此，運營商在處理環(huán)焊縫超標缺陷時會格外小心，通常處置方式偏于保守，即超標缺陷可通過適用性評價，也會采用修復手段對缺陷進行處置。

國外管道修復主要依據(jù)ASME PCC-2—2015《 Repair of Pressure Equipment and Piping》 及PRCI-Updated Pipeline Repair Manual 進行，標準中推薦的環(huán)焊縫永久修復方式為打磨、 堆焊、 B 型套筒以及帶密封的螺栓夾具。 國內(nèi)環(huán)焊縫缺陷的修復標準較少，目前可依據(jù)Q/SY GD 1033—2014《油氣管道管體缺陷修復手冊》 和Q/SY 1592—2013 《油氣管道管體修復技術(shù)規(guī)范》 對環(huán)焊縫缺陷進行修復，標準中推薦的環(huán)焊縫永久修復方式包括打磨、 復合材料和 B 型套筒[19-20]。 2018 年 9 月發(fā)布、 2019 年 3 月 1 日正式實施的 GB/T 36701—2018 《埋地鋼質(zhì)管道管體缺陷修復指南》 規(guī)定了埋地鋼質(zhì)管道管體缺陷修復的方法和實施程序，該標準中規(guī)定了環(huán)焊縫缺陷的永久修復方式可以為打磨、 堆焊、 B 型套筒和螺栓緊固夾具。 由此可以看出，與國外標準相同，GB/T 36701—2018 中明確了復合材料不能作為環(huán)焊縫永久修復手段。

另外，盡管國內(nèi)外標準都給出了環(huán)焊縫缺陷的永久修復方式及實施方法，但標準中均未明確環(huán)焊縫缺陷大小與修復方式及修復時限的對應(yīng)關(guān)系。 為滿足運營商安全生產(chǎn)的需求，有必要建立缺陷大小與修復方式的對應(yīng)關(guān)系。 本研究基于適用性評價結(jié)果及實驗室試驗結(jié)果總結(jié)出環(huán)焊縫缺陷處置方法 （見表2），運營商可根據(jù)缺陷信息在表2 中查找相應(yīng)的處置方式。

表2 環(huán)焊縫缺陷處置方法

根據(jù)環(huán)焊縫缺陷尺寸，可按照表2 中的處置方法對環(huán)焊縫缺陷進行處置。 表2 中的處置方法適用于壁厚≥14.6 mm 的輸氣管道，其他規(guī)格管道可參考使用。 環(huán)焊縫的處置時限可按照表 3 中的方法進行。 需要注意的是，GB/T 36701—2018 中并不推薦復合材料和環(huán)氧套筒用于X70 及以下鋼級管道環(huán)焊縫缺陷的永久修復，然而在新標準發(fā)布之前，現(xiàn)場實際應(yīng)用中為避免動火作業(yè)，已大量采用環(huán)氧套筒和復合材料對環(huán)焊縫缺陷進行修復。 目前，對于環(huán)氧套筒抗軸向拉伸及彎曲載荷能力的驗證試驗尚未見報道，針對環(huán)焊縫處的外表面體積型缺陷或錯邊造成的壁厚損失，筆者認為可適當采用復合材料進行臨時修復。

表3 環(huán)焊縫缺陷處置時限

表2 中的缺陷處置方法按照1、 2、 3 級劃分了處置方式選擇的優(yōu)先順序，1 級處置方式更加便于操作，3 級更偏于保守。 另外需要指出的是，對于錯邊缺陷的修復，表2 中雖然對錯邊量超過2/3t 或10 mm 的情況給出了換管的處置方法，然而在實際工程中，由于管道建設(shè)時遺留的錯口問題和強力組對問題，通過換管也并不能完全消除錯邊，因此筆者并不建議采用換管的方式對錯邊缺陷進行處置。

5 結(jié) 論

（1） 在環(huán)焊縫的開挖檢測作業(yè)中，除了要統(tǒng)一規(guī)范一次開挖作業(yè)中開展的檢測項目外，檢測記錄的書寫也需要有一個統(tǒng)一的格式，尤其是缺陷信息記錄格式的統(tǒng)一，便于運營商或后期評價單位使用數(shù)據(jù)，更能達到有效開挖、 避免資源浪費的目的。

（2） 安全評價為管線安全生產(chǎn)運行提供了決策依據(jù)，環(huán)焊縫缺陷安全評價作業(yè)過程中，明確安全評價的內(nèi)容、 規(guī)范安全評價的結(jié)論及建議，對有效指導運營商決策意義重大。

（3） 環(huán)焊縫修復手段及修復方式直接影響管線的安全運行，因無標準明確規(guī)范缺陷大小與修復方式的直接關(guān)系，因此根據(jù)適用性評價結(jié)果明確環(huán)焊縫處置方法對指導環(huán)焊縫修復具有實際意義。