高強(qiáng)鋼管道環(huán)焊縫風(fēng)險排查技術(shù)淺析

燕冰川

(中國石油管道分公司 河北 廊坊 065000)

0 引 言

2008～2009年，美國發(fā)生多起X70、X80管道試壓或運(yùn)行過程中的環(huán)焊縫失效。2010年，美國管道和危險材料安全管理局(PHMSA)發(fā)布的78號公告《管道安全：由于不平滑過渡、錯邊、焊接操作不當(dāng)造成的大口徑管道環(huán)焊縫質(zhì)量問題》指出，管道環(huán)焊縫失效多與變壁厚、錯邊、焊接操作不當(dāng)、外部載荷等因素有關(guān)，要求管道運(yùn)營商針對近幾年新建的大口徑天然氣、危險液體管道，重視可能由于焊接質(zhì)量導(dǎo)致的環(huán)焊縫失效。2003～2018年，國內(nèi)也發(fā)生多起高鋼級管道環(huán)焊縫失效事件，以X70鋼和X80鋼管道為主，焊口多為變壁厚、返修口或連頭口，斷口特征多為脆性，原因常與建設(shè)期質(zhì)量管控相關(guān)。 統(tǒng)計分析顯示，環(huán)焊縫缺陷、外部載荷作用、焊縫力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)是導(dǎo)致環(huán)焊縫開裂失效的主要因素。

環(huán)焊縫失效后果嚴(yán)重，已成為威脅管道安全運(yùn)行的一個重要因素。目前，國內(nèi)部分管道企業(yè)開展了安全質(zhì)量風(fēng)險排查，取得了一些進(jìn)展，消除了一些安全隱患，但受限于檢測評價等技術(shù)瓶頸，管道環(huán)焊縫失效風(fēng)險依然存在。本文從與環(huán)焊縫失效相關(guān)的缺陷檢測、力學(xué)性能分析、載荷校核等方面，展開分析綜述，旨在為下一步工作開展提供技術(shù)支持。

1 環(huán)焊縫檢測技術(shù)

目前，環(huán)焊縫風(fēng)險排查的核心工作主要是焊接質(zhì)量排查，主要從環(huán)焊縫缺陷的識別判定入手。 通過原有X射線底片復(fù)評與內(nèi)檢測信號復(fù)核為主要技術(shù)手段，輔以部分特征焊口的抽查來確定開挖點(diǎn)，并通過開挖復(fù)檢(外觀宏觀檢查、X射線檢測、超聲相控陣+TOFD等)來進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1 基于射線底片的焊縫缺陷識別判定

基于射線底片的焊縫缺陷識別判定通過組織無損檢測專業(yè)技術(shù)人員，按照工程建設(shè)期間管道安裝和無損檢測標(biāo)準(zhǔn)，對底片(AUT掃查圖)進(jìn)行復(fù)核，分析質(zhì)量隱患，給出處置建議，同時記錄底片上制管焊縫與環(huán)焊縫交點(diǎn)的位置和間距。底片復(fù)核發(fā)現(xiàn)錯漏評超標(biāo)缺陷的不合格焊口、底片復(fù)核發(fā)現(xiàn)疑似缺陷建議復(fù)拍的焊口，按照100%比例開挖驗(yàn)證，優(yōu)先開挖高后果區(qū)、高風(fēng)險段、地災(zāi)管段的存疑焊口。

該方法具有如下技術(shù)局限性：1)不能100%檢測出焊縫缺陷。2)底片復(fù)評與現(xiàn)場無損檢測結(jié)果存在不一致。3)底片發(fā)黃、缺失、不清楚、銷毀、公片等影響底片復(fù)評效果。4)改線或割口后底片資料未更新等會造成無法開展評定。5)無法識別高應(yīng)力風(fēng)險焊縫和性能不達(dá)標(biāo)焊縫。6)未作內(nèi)檢測且缺失施工記錄的管道，缺少可用于現(xiàn)場環(huán)焊縫定位的參考信息。7)無法識別延遲裂紋或可能在運(yùn)行中擴(kuò)展的缺陷，且受射線底片后期保存質(zhì)量的影響也較大[1]。

排查發(fā)現(xiàn)的含裂紋焊口中，部分原底片復(fù)評時沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。分析表明裂紋多萌生于未熔合、根部過渡不光滑等容易應(yīng)力集中的位置，需要進(jìn)一步分析裂紋是否隨運(yùn)行時間的延長發(fā)生擴(kuò)展。裂紋是否擴(kuò)展及擴(kuò)展速率直接影響高強(qiáng)鋼管道安全運(yùn)行壽命，以及下一步風(fēng)險管控措施。

1.2 基于內(nèi)檢測的焊縫缺陷識別判定

環(huán)焊縫缺陷類型很多(未焊滿、未焊透、氣孔、夾渣、未熔合、裂紋、咬邊等)，分類及定量非常困難，單一檢測信號無法對缺陷進(jìn)行分類；外觀形貌不規(guī)則(現(xiàn)場焊接特征各異)，檢測適應(yīng)性要求高；檢測窗口短(焊縫寬度10～20 mm，檢測器速度1～3 m/s，無法像外部無損檢測那樣進(jìn)行多次掃查)；載荷變化和材料性能影響因素多，檢測表征特點(diǎn)不突出。

中國石油管道公司系統(tǒng)開展的基于高精度漏磁內(nèi)檢測的環(huán)焊縫識別與判定技術(shù)，提出了基于高精度漏磁內(nèi)檢測的環(huán)焊縫缺陷識別、判定與分類方法，異常信號特征分類示意圖如圖1所示，基本解決了環(huán)焊縫體積型缺陷和具有一定開口寬度未熔合、未焊透缺陷的識別與判定技術(shù)難題?；诃h(huán)焊縫缺陷信號特征的形貌、強(qiáng)度、位置等信息，將環(huán)焊縫缺陷劃分為4種類型的信號：“1”為焊道未焊滿、過度打磨以及嚴(yán)重未熔合、未焊透等；“2”為焊縫未熔合、未焊透等；“3”為焊縫內(nèi)凹、蓋帽金屬損失等；“4”為側(cè)壁過度打磨、較大錯邊或咬邊等。根據(jù)環(huán)焊縫異常分類情況并結(jié)合環(huán)焊縫異常信號幅值和尺寸信息，將環(huán)焊縫異常分為I(輕微)、II(較嚴(yán)重)、III(嚴(yán)重)3級。研究分析與現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐表明，漏磁內(nèi)檢測仍然是工程上識別在役管道環(huán)焊縫異常最有效的技術(shù)手段之一。

圖1 異常信號特征分類示意圖

由于漏磁內(nèi)檢測技術(shù)的局限性，其僅對體積型缺陷(包括存在一定金屬損失的焊縫缺陷)較敏感，還存在難以有效識別較小開口寬度的焊縫裂紋、未熔合與未焊透等缺陷的問題，以及壁厚變化處信號突變引起的誤判等問題。同時國內(nèi)外可提供漏磁內(nèi)檢測技術(shù)服務(wù)廠商較多，各家檢測器檢測精度與置信度存在一定差別，對環(huán)焊縫異常識別的模型和能力存在差異，管道運(yùn)營商出于經(jīng)濟(jì)性考慮，選用的檢測器精度也有所不同，一定程度會影響通過漏磁內(nèi)檢測器識別判定環(huán)焊縫缺陷的作用和效果[2]。

國外Rosen公司提出了使用超高清漏磁、超聲裂紋及電磁超聲裂紋檢測油氣管道環(huán)焊縫裂紋的檢測方案。BHGE PII公司開展了超聲裂紋內(nèi)檢測器用于環(huán)焊縫缺陷檢測的性能研究。目前業(yè)內(nèi)超聲裂紋檢測設(shè)備絕大部分是用于軸向裂紋型缺陷，環(huán)焊縫內(nèi)檢測技術(shù)發(fā)展較為緩慢。國內(nèi)某公司曾與PII合作進(jìn)行了環(huán)焊縫超聲波裂紋內(nèi)檢測適用性研究，并在某管道進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。牽引試驗(yàn)表明，環(huán)向超聲波內(nèi)檢測技術(shù)可以有效探測人工預(yù)制的規(guī)則環(huán)焊縫裂紋。但實(shí)際管道中應(yīng)用受到現(xiàn)場環(huán)焊縫成型不規(guī)則，余高不均、排焊、返修等影響，以及數(shù)據(jù)分析模型缺少大量真實(shí)缺陷樣本支撐，該技術(shù)對于缺陷類型分類、量化以及內(nèi)外部區(qū)分還存在較大誤差。

2 應(yīng)力檢測與分析技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計，2001～2019年的23起環(huán)焊縫失效事件中，除1起為試壓過程中實(shí)際失效壓力(13.3 MPa)高于設(shè)計壓力(10 MPa)外，22起的實(shí)際失效壓力均低于設(shè)計壓力。 對某管道6道割口環(huán)焊縫進(jìn)行靜水壓爆破實(shí)驗(yàn)，爆破壓力(20.78 MPa至21.45 MPa)均高于設(shè)計壓力(12 MPa)。內(nèi)壓不是引起環(huán)焊縫事故的主要原因，但現(xiàn)有檢測技術(shù)還很難發(fā)現(xiàn)外部載荷與結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致的全部應(yīng)力集中點(diǎn)。

管道應(yīng)力的在線檢測主要分為內(nèi)檢測、非接觸式外檢測兩種方式。內(nèi)檢測技術(shù)方面，目前國內(nèi)外管道內(nèi)檢測技術(shù)都是以檢測腐蝕、裂紋等宏觀缺陷為目的，對應(yīng)力集中的在線內(nèi)檢測開展的研究較少。目前各管道運(yùn)營單位對管道應(yīng)力應(yīng)變內(nèi)檢測普遍采用的方法是在幾何內(nèi)檢測器上搭載慣性測量單元(IMU)的方式測量管道中心線，然后通過數(shù)值算法解算管道彎曲應(yīng)變。但I(xiàn)MU檢測僅能得到管道彎曲應(yīng)變，而管道軸向應(yīng)力特別是軸向拉應(yīng)力才是導(dǎo)致管道環(huán)焊縫失效的主要因素[3]。交變電磁場應(yīng)力檢測技術(shù)可利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)進(jìn)行軸向應(yīng)力檢測，Baker Hughes與Eddyfi公司聯(lián)合研制了一種用于管道軸向應(yīng)力內(nèi)檢測的專用探頭，并已經(jīng)用于前者的實(shí)際檢測項(xiàng)目中，但在國內(nèi)還未開展應(yīng)用，效果有待進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

非接觸式應(yīng)力檢測是指在不開挖的情況下，使用無損檢測設(shè)備沿著管道路由檢測管道應(yīng)力集中管段，也有公司利用此技術(shù)進(jìn)行管道缺陷、打孔盜油閥門及環(huán)焊縫定位的檢測。技術(shù)上多采用基于磁記憶原理的磁力層析技術(shù)，這是一種發(fā)展歷程較短的新興技術(shù)，尚處于起步階段，還存在靈敏度低、對應(yīng)力只能定性檢測等問題。還需要在傳感器靈敏度提高、儀器穩(wěn)定性提高和應(yīng)力量化方法上開展進(jìn)一步研究。

通過有限元模型進(jìn)行載荷分析也是一種思路和方法，結(jié)合典型管段特征，基于管道設(shè)計所考慮的基本載荷范圍，抽象建立管段仿真分析模型?；谕翉椈赡Ｐ吞幚砉芡料嗷プ饔茫紤]不同管道基本情況(走向、約束、錨固等)、不同土體情況(埋深、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、密度)、開展不同內(nèi)壓、溫差作用下的管-土耦合結(jié)構(gòu)有限元分析，研究管道軸向力分布。必要時，考慮土體位移、非均勻沉降等導(dǎo)致的管線附加軸向力的分布特征，確定相關(guān)異常條件下的管線軸向載荷。

管道環(huán)焊縫變壁厚、連頭口、返修口是應(yīng)力集中的關(guān)鍵特征焊口，在失效焊口中占比較高?？苫谝延袡z測結(jié)果和失效案例，建立含錯邊的不等厚直管對焊管段在軸向載荷作用下的應(yīng)力分析模型，在材料均勻性、各向同性假設(shè)條件下，開展不同壁厚、不同錯邊量組合下的三維實(shí)體單元線彈性有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析[4]。同時，基于不等厚對接接頭存在比較嚴(yán)重的內(nèi)表面溝槽(類面型缺陷)，研究環(huán)焊縫焊趾位置局部幾何不連續(xù)導(dǎo)致的應(yīng)力集中，確定對接接頭部位的局部應(yīng)力分布和表征取值方法。

3 環(huán)焊縫力學(xué)性能分析

焊接工藝重現(xiàn)性不好和現(xiàn)場執(zhí)行焊接工藝不嚴(yán)格，環(huán)焊縫存在沖擊功分布離散且部分點(diǎn)位不達(dá)標(biāo)的問題，投運(yùn)后很難進(jìn)行在線檢測。加拿大學(xué)者采用熔化極氣體保護(hù)焊工藝，實(shí)驗(yàn)室研究了過強(qiáng)匹配、等強(qiáng)匹配、低強(qiáng)匹配等3種環(huán)焊縫試樣的拉伸變形行為。過強(qiáng)匹配和等強(qiáng)匹配條件下，斷裂發(fā)生在母材。低強(qiáng)匹配條件下，斷裂發(fā)生在環(huán)焊縫。部分管道環(huán)焊縫相對于管體低強(qiáng)匹配及熱影響區(qū)軟化，容易導(dǎo)致環(huán)焊縫應(yīng)變集中而失效。

高壓輸氣管道最重要的材料性能為強(qiáng)度和韌性特別是斷裂韌性和止裂性能，藥芯半自動焊接(FCAW)接頭的沖擊韌性離散性極大，其主要原因可能是：1)高Al的石墨化作用，導(dǎo)致MA數(shù)量顯著增加； 2)高的N含量，且以間隙固溶方式存在，導(dǎo)致韌性波動。管材及焊材成分對于焊縫以及相鄰熱影響區(qū)性能波動影響極大[5]。鑒于焊縫性能無法在線檢測，建議對于已建高強(qiáng)鋼管道，根據(jù)焊材及母材成分，結(jié)合焊接工藝，預(yù)測韌性等力學(xué)性能，對母材、焊材成分、焊接工藝不同的管道，基于焊縫力學(xué)性能進(jìn)行風(fēng)險排序，更好地指導(dǎo)環(huán)焊縫風(fēng)險排查工作，彌補(bǔ)目前風(fēng)險排查主要基于缺陷排查的技術(shù)局限性[6]。對于焊縫力學(xué)性能風(fēng)險高的管道，開展進(jìn)一步的性能測試評估，評價管道服役的安全可靠性。

4 結(jié)論及建議

環(huán)焊縫失效是缺陷、載荷、材料性能多因素耦合共同作用的結(jié)果，環(huán)焊縫射線底片識別復(fù)核+漏磁內(nèi)檢測信號復(fù)核仍是目前工程上排查環(huán)焊縫缺陷最可行的技術(shù)手段。環(huán)焊縫韌性分布離散且部分點(diǎn)位不達(dá)標(biāo)，低強(qiáng)匹配及熱影響區(qū)軟化容易導(dǎo)致環(huán)焊縫應(yīng)變集中而失效。內(nèi)壓不是引起環(huán)焊縫事故的主要原因，外部載荷與結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是導(dǎo)致焊縫失效的重要原因。在總結(jié)目前環(huán)焊縫風(fēng)險排查治理工作及前期大量技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出三方面建議：

1)加大力量，開展變壁厚、連頭口、返修口等特征口對管道環(huán)焊縫失效影響的研究，解決目前對于特征口失效概率高但失效機(jī)理不明的難題，減少焊縫失效的發(fā)生概率。

2)加快推進(jìn)環(huán)焊縫檢測技術(shù)攻關(guān)及應(yīng)用，集中行業(yè)力量解決管道環(huán)焊縫裂紋型缺陷和軸向應(yīng)力檢測難題。

3)建立基于環(huán)焊縫缺陷和IMU檢測彎曲應(yīng)變的綜合評價方法，開展高附加應(yīng)力管段環(huán)焊縫風(fēng)險評估排序。通過IMU中心線檢測，篩選管道存在較大彎曲應(yīng)變區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)環(huán)焊縫缺陷點(diǎn)制定管控措施。研究建立焊縫力學(xué)性能波動大、強(qiáng)度低匹配情況下管道環(huán)焊縫的完整性評價方法。