高強度鋼管道環(huán)焊縫隱患治理措施研究

戴聯(lián)雙，考青鵬，楊 輝，胡亞博

(1.中石油管道有限責任公司 北京 100029；2.中國石油管道科技研究中心 河北 廊坊 065000)

0 引 言

在過去的40年里，我國油氣管道經(jīng)歷了從無到有再到迅速發(fā)展的過程，建設速度從每年1 000 km增長到10 000 km，尤其是2012年施工完成的焊口數(shù)量達到了頂峰，管材的等級也從X42提升至X80[1]，鋪設完成了長度為1.2×105km的長輸油氣管道。新材料和新技術的應用，尤其是X70和X80等鋼級的大口徑、高強度、高壓力管道的建設和發(fā)展，是科技進步和能源需求快速增長的必然結(jié)果，在促進國家經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮了極其重要的作用[2-4]，也為建立和健全我國油氣管網(wǎng)基礎設施奠定了堅實的基礎。根據(jù)國家發(fā)展改革委和國家能源局2017年發(fā)布的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》[5]，到2025年全國油氣管網(wǎng)規(guī)模達到2.4×105km，未來幾年還將迎來管道大建設的時期。

自西氣東輸一線管道采用X70鋼管建設以來，開啟了我國長輸油氣管道全面應用高強鋼管道的序幕。2006年冀寧聯(lián)絡線建設了7.71 km的X80鋼管道試驗段，成功驗證了X80鋼管材、焊接等關鍵技術的適用性，自西氣東輸二線管道建設開始，在大口徑、高壓力管道中大量使用了X80鋼管道。目前，我國已投產(chǎn)的在役X80鋼管道已超過1.3×105km，總里程幾乎是全世界其他國家已投產(chǎn)的X80鋼管道的總里程之和[6-7]。

國內(nèi)管道大建設的同時，也帶來了諸多的問題，如建設過程中的施工單位違規(guī)返修、檢測單位漏評錯評底片、監(jiān)理單位監(jiān)管缺失等管理問題，其核心主要集中在高強鋼管道環(huán)焊縫的脆弱性方面。據(jù)石油管工程技術研究院統(tǒng)計，近年來發(fā)生了7起X70和7起X80管道環(huán)焊縫失效事故，尤其是中緬天然氣管道“7.2”、“6.10”和泰青威管道“3.20”管道環(huán)焊縫失效事故，使管道運營企業(yè)分析當前高強鋼管道焊接結(jié)構(gòu)面臨的問題，并開展了相關隱患排查和技術研究工作。本文將針對高強鋼管道環(huán)焊縫在運營過程中發(fā)現(xiàn)的問題，分析這些問題的原因，探討解決這些問題的措施，以預防管道失效事故的發(fā)生。

1 管道環(huán)焊縫失效形式分析

在高強鋼管道(主要為X70和X80鋼級)應用之前，國內(nèi)油氣管道在役運行期間發(fā)生環(huán)焊縫開裂的事故非常少，即使發(fā)生環(huán)焊縫失效事故，失效形式基本都是因存在嚴重的超標缺陷導致[8]的泄漏失效，失效形貌如圖1所示。

圖1 X65及以下鋼級管道環(huán)焊縫因含較大的缺陷發(fā)生失效的焊縫形貌

以大慶原油外輸?shù)膽c鐵雙線為例，這兩條管道的缺陷類型和分布情況能夠充分說明技術發(fā)展和社會環(huán)境因素對管道結(jié)構(gòu)完整性的影響[9]。其中慶鐵老線是我國第一條建設的長距離X52管道，主要采用的是進口鋼板，當時的油氣管道制管廠都是從原鍋爐制造廠轉(zhuǎn)產(chǎn)而來，因此在卷板技術方面不太成熟，所以該條管道存在的螺旋焊縫缺陷比較多、且復雜多樣；但該條管道建設施工的環(huán)焊縫缺陷相對較少，主要因為當時集中力量辦大事的社會環(huán)境比較好，作業(yè)人員的心態(tài)和敬業(yè)精神達到頂峰時期。相較于慶鐵老線，慶鐵復線在制管技術有較大的提升，因此鋼管中存在的螺旋焊縫缺陷相對較少，但是管道環(huán)焊縫中存在較多的缺陷，這主要是因為在建設慶鐵復線的時間為20世紀60年代，現(xiàn)場焊接的技術工人責任心和安全意識下降，導致焊接施工質(zhì)量下降。后期在運行過程中也因腐蝕、第三方損壞發(fā)生多起泄漏事故，基本符合了事故的浴盆曲線規(guī)律，如圖2所示。在20世紀90年代后期慶鐵雙線進入浴盆曲線的“耗損故障期”，但因中國石油管道公司開展了東北管網(wǎng)大改造和實施管道完整性管理，修復了大量的缺陷，從而降低了管道的失效率。

以前X65及以下鋼級管道的焊接結(jié)構(gòu)均因為存在超標的缺陷導致管道環(huán)焊縫開裂或泄漏失效，而近年來發(fā)生的幾起高強鋼管道環(huán)焊縫開裂均不存在較大的焊接缺陷，且斷口呈剪切斷裂或超過80%斷面呈脆性斷裂特征，其斷裂失效部位形貌如圖3所示，而且高強鋼等壁厚焊接的焊縫和變壁厚焊接的焊縫失效的形式發(fā)生了改變。

圖2 慶鐵雙線失效次數(shù)與投產(chǎn)使用年份關系圖

國外公司運營管理的SSGP輸氣管道(X70鋼級、鋼管外徑914 mm)在2014年6月和2018年1月發(fā)生了兩次環(huán)焊縫開裂事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫強度存在低匹配的現(xiàn)象，降低了管道系統(tǒng)在地質(zhì)災害活動頻繁區(qū)域的應變能力，尤其是環(huán)焊縫的性能不能承受附加的軸向應變載荷，從而導致了兩次失效事故都在環(huán)焊縫的位置發(fā)生了開裂[10]。結(jié)合當前國內(nèi)高強鋼管道環(huán)焊縫的失效特征，高強鋼焊接結(jié)構(gòu)完整性方面的問題主要包括：

1)高強鋼等壁厚焊接結(jié)構(gòu)

(1)焊縫與鋼管管體的抗拉強度達到等強或較高匹配時，如果存在極限外載或位移載荷，管體材料會先發(fā)生屈服，產(chǎn)生一定的塑性強化后，焊縫才開始屈服。這種情況下發(fā)生失效的形式為管體開裂泄漏(焊縫開裂的可能性降低)，并呈現(xiàn)韌性斷裂的形貌。同時，因為管體發(fā)生屈服，增強了管道抗應變的能力。當前國際上通用的評價標準，如BS 7910、API 579和EPRG，也都是在基于等強或較高匹配的基礎上形成的計算公式[11]。DNV OS F101要求在設計階段應使焊縫的屈服強度比鋼管管體材料的屈服強度高120～150 MPa[12]。

圖3 X70和X80鋼管道環(huán)焊縫失效形貌

(2)焊縫與鋼管管體的抗拉強度處于低匹配時，如果存在附加的極限軸向應力或軸向應變載荷，焊縫會先發(fā)生屈服，因焊縫的寬度小于管體長度，焊縫應變增長速率較快，另外焊縫內(nèi)表面可能存在的成型不佳、幾何形貌不規(guī)則等引起的應力集中，極易使管體材料還未發(fā)生屈服時就發(fā)生了環(huán)焊縫開裂失效，焊縫部位斷口呈現(xiàn)剪切斷裂形貌，并在斷口能明顯觀察到韌窩形貌。WAN Abdullah WAN Hamat等人[10]為了評估環(huán)焊縫與鋼管管體的匹配性對管道系統(tǒng)承受外載引起的位移應變的能力，進行了兩次全尺寸彎曲對比試驗：一種是采用原管道線路焊接工藝，焊縫、熱影響區(qū)和鋼管管體的沖擊功分別為62.7、127.3和262.7 J，試驗結(jié)果顯示全尺寸彎曲試驗失效發(fā)生在環(huán)焊縫位置，失效時的拉伸應變小于0.5%(在根部預制了深3.0 mm、長190 mm的缺陷，并有2 mm的錯邊)；另一個試驗是采用實心低氫焊條(E7016-H4根焊，E9045-P2 H4R填充蓋面)，焊縫、熱影響區(qū)和鋼管管體的沖擊功分別為160、281和298 J，試驗結(jié)果顯示全尺寸彎曲試驗失效發(fā)生在鋼管管體位置，失效時的拉伸應變大于3%(在根部預制了深2.9 mm、長190 mm、寬0.7 mm的缺陷，并有2 mm的錯邊)，如圖4所示。試驗結(jié)果表明，改進焊接工藝可使環(huán)焊縫具有高應變的能力，即鋼管管體具有較高強度但未過度匹配的情況下，系統(tǒng)性地提高了管道整體結(jié)構(gòu)的抗外部位移載荷的能力，即提高了管道的應變承受能力。

圖4 對SSGP輸氣管道失效樣品進行的兩次全尺寸彎曲試驗結(jié)果

2)高強度鋼變壁厚焊接結(jié)構(gòu)

高強度鋼管道變壁厚焊接結(jié)構(gòu)由于焊縫幾何形狀不規(guī)則和變壁厚等疊加形成的缺口效應，極易引起應力集中，如果鋼管材料韌性較差，在極限外載和內(nèi)壓(當壁厚超過25 mm時，壁厚方向的應力會發(fā)生明顯的增長)的作用下，缺口的位置會成為裂紋源，隨后裂紋會失穩(wěn)快速擴展，從而導致鋼管斷裂失效。目前，已經(jīng)發(fā)生的在役高強度鋼管道的環(huán)焊縫開裂失效80%以上位于變壁厚的位置，且焊縫的韌性值均不符合標準要求。

2 在役高強度鋼管道環(huán)焊縫失效分析

2.1 失效分析基本原理

事故致因理論是認知事故、預防再次發(fā)生類似事故的理論基礎[13-16]。對于長輸油氣管道運輸行業(yè)，社會環(huán)境和自然環(huán)境對管道事故的發(fā)生有潛在的影響，同時對管道全生命周期內(nèi)的科研、設計、施工和運行等各個階段是否會存在缺欠、可能會存在什么類型的缺欠、以及如何處理這些缺欠等方面都有非常重要的影響，馮慶善[13]采用“樹生”的模型形象表述事故致因因素之間的邏輯關系，并從事故的表象出發(fā)，逐層深入分析事故原因，查找事故與社會環(huán)境、自然環(huán)境、全生命周期各個階段的關系，挖掘事故經(jīng)驗教訓，發(fā)現(xiàn)社會和自然規(guī)律的理論，涵蓋了事故與社會發(fā)展變化、自然環(huán)境因素、以及全生命周期各個階段之間的相互作用關系，特別對管道事故分析更加適用。

2.2 國外高強度鋼環(huán)焊縫失效情況

美國在2008年和2009年集中建設了一批高強度合金鋼管道(每年大約建設6 400 km管道)，在管道試壓過程中發(fā)現(xiàn)了管材和環(huán)焊縫質(zhì)量問題，出現(xiàn)了管道壓力試驗中的鼓脹變形、開裂和環(huán)焊縫的泄漏，隨后在役管道也出現(xiàn)了環(huán)焊縫的開裂事故[17]。為此，美國政府為應對高強度鋼管道出現(xiàn)的事故情況，在2009年和2010年就對當時發(fā)現(xiàn)的高強度鋼管道施工試壓過程中和運行中出現(xiàn)的環(huán)焊縫開裂、管材開裂鼓脹等質(zhì)量問題，向各管道公司發(fā)出公告，要求各管道公司對2008年和2009年建設的外徑大于508 mm、管道材料鋼級大于X70的管道進行全面的排查，并于2010年3月18日由交通運輸部下屬的管道和危險材料安全管理局(PHMSA)發(fā)布PHMSA-2010-0078號公告《管道安全：針對大口徑管道由于變壁厚、錯邊和焊接不當造成的環(huán)焊縫質(zhì)量問題》，事故分析表明這些失效都是由于變壁厚環(huán)焊縫焊接不當、錯邊、管道內(nèi)部焊接不當、管道支撐不當和附屬物等原因造成的，大多數(shù)待焊接管端條件并沒有達到設計和施工要求，即鋼管坡口形狀不符合標準要求。

2008年至2009年期間，Enbridge公司建設了全長504 km、鋼管外徑508 mm、鋼級為X70和X80、標稱壁厚6.4 mm的LSr管道[18]。LSr管道從加拿大曼尼托巴省Cromer至美國明尼蘇達州Clearbrook。在加拿大境內(nèi)敷設管道長度為288 km，包括長度為278 km的X70管道和長度為10 km的X80管道；在美國境內(nèi)敷設的管道長度為216 km，全部為X70管道。鋼管均由加拿大的Evraz Inc.提供，采用電阻焊(ERW)工藝制造。Enbridge公司在LSr管道建設過程中除遵守CSA Z662-07第7.11條環(huán)焊縫無損檢測要求外，施工隊伍對所有環(huán)焊縫進行了100%射線檢測，并建立了延遲無損檢測方案，將大多數(shù)環(huán)焊縫納入到延遲無損檢測計劃中。延遲無損檢測的主要目的是為了檢測環(huán)焊縫是否會出現(xiàn)延遲氫致裂紋，在加拿大境內(nèi)共發(fā)現(xiàn)21處環(huán)焊縫裂紋，并進行了割口和換管作業(yè)。環(huán)焊縫裂紋產(chǎn)生的主要原因為在大風和嚴寒天氣條件下施工，預熱不充分、層間溫度不符合標準要求和焊后保溫措施不當致使環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋。Enbridge公司為了檢測發(fā)現(xiàn)管道環(huán)焊縫中存在的裂紋，對大部分(58%)的環(huán)焊縫進行了延遲無損檢測，尤其是對2018年11月份以后施工的環(huán)焊縫(主要為第9標段和第11標段)進行了約100%的延遲無損檢測。

2.3 國內(nèi)高強度鋼管道環(huán)焊縫失效情況

2017年7月2日發(fā)生中緬天然氣管道爆燃事故后，對于在役高強度鋼管道環(huán)焊縫失效的根本原因可分為三個階段進行分析：

1)第一個階段為中緬天然氣管道“7.2”失效事故發(fā)生后，結(jié)合當時周邊道路邊緣塌陷和事故發(fā)生前的連續(xù)降雨等環(huán)境特征，初步認為滑坡、塌陷等土體移動帶來的外載是導致環(huán)焊縫斷裂失效發(fā)生的主要原因，失效分析報告和后續(xù)的治理措施都是緊緊圍繞地質(zhì)災害中土體移動誘發(fā)的外載的因素進行。但是這種認知存在一定的局限性，國內(nèi)長輸油氣管道采用彈性埋地敷設，穿越各類地質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)域，如地震帶、濕陷性黃土區(qū)等，管道承受土體移動等外力載荷影響的區(qū)域非常普遍。每年管道周邊發(fā)生的滑坡、水毀、沉陷等地質(zhì)災害上千處，且地質(zhì)災害具有突發(fā)性和隨機性，如果各種類型的潛在地質(zhì)災害區(qū)域都要全部進行治理才能保障高強度鋼管道安全運行，這也相當于管道環(huán)焊縫斷裂失效這個威脅是“不可控”的狀態(tài)。

2)第二個階段為中緬天然氣管道“6.10”失效事故發(fā)生后，結(jié)合周邊的建設施工和地面排水情況，初步認為焊縫屈服強度與鋼管管體屈服強度弱匹配導致了管道環(huán)焊縫的承載能力下降，在超過0.5%的應變時，管道環(huán)焊縫首先發(fā)生斷裂失效。當前管道的焊接設計都是按照API 1104標準的要求，抗應變的能力為不超過0.5%，因此當土體移動或其它外載導致管道發(fā)生位移變形的時候，因焊縫與鋼管管體之間弱匹配，焊縫首先發(fā)生屈服，當焊縫應變量超過0.5%的時候就發(fā)生了焊縫斷裂，這時鋼管管體還沒有發(fā)生變形，因此對于管道結(jié)構(gòu)，所有的應變作用集中在焊縫處，從而導致管道結(jié)構(gòu)承受外載等引起的位移變形能力降低。而這些鋼級的管道在地質(zhì)災害等外載作用下很少出現(xiàn)焊縫斷裂失效。同時，我們現(xiàn)在有約1.3×104km的在役X80管道，如果匹配是導致失效的主要因素，那么只有治理了這些低匹配的焊縫才能保障管道的安全運行，但現(xiàn)有的無損檢測方法無法全面有效地檢測出存在低匹配的焊接結(jié)構(gòu)中的缺陷，這種情況給運營管理者帶來的風險是“不可知”的狀態(tài)。

3)第三個階段是泰青威管道“3.20”失效事故發(fā)生后，發(fā)現(xiàn)這幾次X70和X80管道環(huán)焊縫失效的斷口都是脆性斷裂，而匹配的前提是焊縫材料韌性符合標準要求，初步認為環(huán)焊縫材料的韌性不符合標準要求是管道環(huán)焊縫呈脆性斷裂失效的主要原因。文獻[10]中試驗測試結(jié)果表明，如果是因為弱匹配導致的管道環(huán)焊縫失效，那么失效的環(huán)焊縫斷口應該有屈服形成的明顯的韌窩特征。目前，結(jié)合失效和裂紋缺陷的統(tǒng)計分析，很多焊縫材料韌性不符合標準要求，消除結(jié)構(gòu)性應力集中是保障管道環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)完整性的有效方法，特別是針對變壁厚、錯邊等易導致缺口效應的位置進行排查，采用幾何內(nèi)檢測、中心線內(nèi)檢測和漏磁內(nèi)檢測持續(xù)監(jiān)控管道的狀態(tài)。在這種情況下，對于運營管理者來說，要深入認識當前的威脅、當前的能力、當前真正能做的和能做到的，持續(xù)不斷地“以統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)、以基礎研究為支撐、以管理提升為契機”分階段、有步驟地解決問題。

3 在役高強度鋼管道焊接結(jié)構(gòu)完整性保障技術

當X80管道系統(tǒng)管道結(jié)構(gòu)及性能符合要求時，才能保障管道可靠、安全輸送地高壓天然氣。通過近期的失效事件分析和相關鋼管材料性能測試發(fā)現(xiàn)焊縫存在缺欠或缺陷、沖擊韌性值不符合要求、焊接層數(shù)不足等現(xiàn)象，因此進行了焊縫建設期施工底片排查、數(shù)據(jù)對齊、內(nèi)檢測數(shù)據(jù)挖掘等工作，解決了X80管道部分威脅管道安全運行的問題，但仍有很多問題亟待解決：

1)控制管材性能分散性。當前國內(nèi)的管材性能分散性較大，從而導致焊縫強度不能匹配，國內(nèi)X80鋼抗拉強度波動范圍為200 MPa、屈服強度波動范圍為150 MPa，相比文獻[19]中提到的“API 5L和 EN 10208-2(ISO 3183-2)規(guī)定，X80鋼屈服強度的允許波動范圍應為120 MPa”，文獻[20]中提到了“德國X80鋼管道Megal II的管材屈服強度和抗拉強度波動范圍控制為100 MPa”，分散性越小焊縫金屬就能夠更好地與管材匹配。

2)開展X80鋼缺陷敏感性分析，提高焊接缺陷驗收標準。X80鋼對于缺陷的敏感性，即容限缺陷的承載能力應進行進一步的研究，當前不能僅按照SY/T 4109—2013《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》進行驗收，由于焊縫金屬強度的提高，其對于缺陷更加敏感，更容易在應力集中位置導致缺欠擴展失穩(wěn)，對于含咬邊、未熔合等平面性缺欠的II射線底片應判定為不合格。

3)改進焊接工藝規(guī)程，改善現(xiàn)場焊接適用性。由于焊接工藝評定在實驗室完成，評定通過的焊接工藝要求的焊接環(huán)境條件比較高，如預熱溫度、風速、溫度等，導致了現(xiàn)場焊接窗口比較狹窄，出現(xiàn)焊接缺陷的概率大幅增加。

4)根據(jù)管材性能確定焊接工藝。焊接工藝評定是根據(jù)規(guī)定的管材最小屈服強度和抗拉強度下的匹配，而未能根據(jù)實際訂購管材的性能進行焊接結(jié)構(gòu)性能的匹配，從而降低了整體結(jié)構(gòu)的抗位移應變的能力。

5)進一步進行針對環(huán)焊縫缺陷的內(nèi)檢測技術。當前管道內(nèi)檢測技術對于環(huán)焊縫缺陷、裂紋及開口較小的類裂紋的檢測與識別還存在一定的局限性，需要進行研究，提高環(huán)焊縫缺陷檢出率、識別率和尺寸量化的能力，以便更好地保障管道的安全運行。

6)分析研究高強度管道焊縫與鋼管管體的低強匹配問題。低強匹配焊縫易成為應力集中部位，出現(xiàn)應變累積。WANG等人[21-22]針對某低匹配X70管道的試驗測試結(jié)果顯示，當鋼管管體的應變量只有0.4%～0.5%時，焊縫應變量就達到約7%，即使不存在缺陷也極有可能發(fā)生失效，因此應周期性進行IMU檢測，識別高應變的位置。

為了保障高強度鋼管道的焊接結(jié)構(gòu)完整性，應分析各個階段存在的問題，確保各個階段之間達到無縫銜接，從而保障系統(tǒng)的功能和安全達到最優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 高強度鋼焊接結(jié)構(gòu)完整性關鍵問題控制流程魚骨圖

4 總結(jié)與展望

綜上所述，當前高強度鋼管道焊接結(jié)構(gòu)失效面臨的關鍵問題可歸結(jié)為對高強度鋼管道焊接結(jié)構(gòu)完整性和系統(tǒng)可靠性方面的認知還存在一定的局限性，有待進一步進行相關研究工作。基于當前的認知，通過系統(tǒng)的試驗來驗證發(fā)生失效的原因，加強環(huán)焊縫排查和試驗測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，系統(tǒng)收集和整理缺陷或異常所對應的外部環(huán)境特征，建立識別危害性焊接缺陷和結(jié)構(gòu)的方法，并通過持續(xù)的開挖驗證及其數(shù)據(jù)信息的采集來完善危害性焊口的識別方法，提高其識別準確性和精度是保障在役高強度鋼管道長期安全和平穩(wěn)運行的有效手段。

同時，提高管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性，保障管道安全運行，在以后的管道建設規(guī)劃和決策中，應首先排查人力資源是否滿足要求、配套資源是否充足、應用技術是否成熟等多方面的因素，評估科研、設計、施工、投產(chǎn)和運行的系統(tǒng)銜接性。同時建議從以下幾個方面進行改進：

1)設計與監(jiān)理一體化，進行設計的技術人員應進行監(jiān)理工作，并且監(jiān)理項目要根據(jù)具體情況進行量化，如在什么樣的外部環(huán)境條件(如溫度、濕度等)焊接一道焊口所需的時間，提高現(xiàn)場監(jiān)理工作的可操作性。

2)焊接工藝評定應由施工單位結(jié)合所施工標段管道所處的環(huán)境制定，增加制定焊接工藝評定的專業(yè)人員與現(xiàn)場實施焊接作業(yè)人員的技術水平程序，同時，業(yè)主可委托專業(yè)焊接專業(yè)隊伍對施工單位出具的焊接工藝評定進行監(jiān)督和審核。