油氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)與缺陷修復(fù)方法研究

陳 杉，羅艷龍，趙全海，王海濤

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029；2.航天晨光股份有限公司，江蘇南京 211100)

0 引言

油氣管道是國(guó)家重要的能源基礎(chǔ)設(shè)施，國(guó)內(nèi)油氣管道干線總里程已達(dá)到13.6萬(wàn)km，其中高鋼級(jí)管道3.5萬(wàn)km[1-2]。環(huán)焊縫作為油氣管道系統(tǒng)的薄弱部位，易發(fā)生失效且數(shù)量龐大，其質(zhì)量直接影響管道的安全運(yùn)行[3-4]。近年來(lái)，由環(huán)焊縫缺陷引發(fā)的油氣管道失效事故，尤其是高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫斷裂的問(wèn)題，受到了廣泛關(guān)注[5]。

目前，內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)環(huán)焊縫缺陷的識(shí)別和尺寸量化仍存在難度[6]，因此環(huán)焊縫隱患排查工作需要大量的開(kāi)挖檢測(cè)和驗(yàn)證。本文針對(duì)環(huán)焊縫開(kāi)挖檢測(cè)、質(zhì)量評(píng)價(jià)及缺陷修復(fù)方法進(jìn)行了研究，為環(huán)焊縫隱患排查治理工作提供參考，保障油氣管道安全運(yùn)行。

1 環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)

油氣管道環(huán)焊縫常見(jiàn)的缺陷類型主要為體積型缺陷和平面型缺陷，體積型缺陷包括氣孔、夾渣、內(nèi)凹等，平面型缺陷包括裂紋、未熔合、未焊透等[7]。各種無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)不同缺陷的檢出率和有效性不同，受現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境的限制，該差異性與實(shí)驗(yàn)室條件或理論上的情況可能存在較大偏差。本文整理了國(guó)內(nèi)某天然氣管線開(kāi)挖的近萬(wàn)道環(huán)焊縫的無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)，包括建設(shè)期的射線底片復(fù)評(píng)，開(kāi)挖后的射線復(fù)拍、PAUT和TOFD檢測(cè)，其中射線檢測(cè)率為100%，PAUT檢測(cè)率為34.8%，TOFD檢測(cè)率為6.9%。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)不同無(wú)損檢測(cè)方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。

1.1 缺陷檢出率和識(shí)別率對(duì)比

開(kāi)挖檢測(cè)的射線復(fù)拍工藝為雙壁單影法透照，復(fù)評(píng)的建設(shè)期射線底片為中心透照，理論上雙壁單影法透照的難度高于中心透照，且清晰度和準(zhǔn)確度都較低[8]，但統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，對(duì)同一條環(huán)焊縫，復(fù)拍的缺陷檢出數(shù)量與復(fù)評(píng)的相當(dāng)，說(shuō)明基于射線檢測(cè)的環(huán)焊縫隱患排查是可靠的。PAUT和TOFD的缺陷檢出數(shù)量多于射線檢測(cè)，其中，PAUT檢出3個(gè)及以上缺陷的環(huán)焊縫占25.42%，TOFD占32.26%，TOFD對(duì)缺陷的敏感度稍高于PAUT。

按缺陷類型對(duì)不同無(wú)損檢測(cè)方法的缺陷識(shí)別率進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：對(duì)裂紋缺陷，射線檢測(cè)和PAUT的識(shí)別率高，TOFD識(shí)別率低；對(duì)未熔合缺陷，射線檢測(cè)的識(shí)別率最高，PAUT和TOFD的識(shí)別率低(由于PAUT和TOFD對(duì)缺陷定性困難，把未熔合缺陷歸類為埋藏缺陷)；對(duì)條形缺陷，PAUT的識(shí)別率最高，其次是TOFD；對(duì)內(nèi)凹和內(nèi)表面缺陷，PAUT和TOFD的識(shí)別率高(檢測(cè)內(nèi)表面不連續(xù)過(guò)渡的較好選擇)；對(duì)圓形缺陷，射線的識(shí)別率最高，其次是TOFD，PAUT的識(shí)別率低。

1.2 缺陷定級(jí)對(duì)比

現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)較多，國(guó)內(nèi)油氣管道領(lǐng)域通常采用SY/T 4109和NB/T 47013，對(duì)環(huán)焊縫缺陷判定采用Ⅱ級(jí)合格。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析，NB/T 47013的要求普遍高于SY/T 4109，按照SY/T 4109規(guī)定的工藝和合格級(jí)別，會(huì)造成一定尺寸的條渣、未熔合、裂紋等缺陷的漏檢或誤判；而SY/T 4109—2020增加了PAUT檢測(cè)方法和質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的專項(xiàng)規(guī)定。因此，PAUT結(jié)果采用SY/T 4109進(jìn)行定級(jí)，射線檢測(cè)和TOFD結(jié)果采用NB/T 47013進(jìn)行定級(jí)。同時(shí)采用了射線檢測(cè)、PAUT和TOFD 3種方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的環(huán)焊縫，對(duì)其缺陷定級(jí)比例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 不同無(wú)損檢測(cè)方法的缺陷定級(jí)比例對(duì)比表 %

由表1可見(jiàn)，射線檢測(cè)的定級(jí)比TOFD保守，PAUT的定級(jí)較嚴(yán)格且Ⅳ級(jí)缺陷的定級(jí)比例過(guò)高，應(yīng)對(duì)其質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究。

1.3 缺陷評(píng)價(jià)可靠性對(duì)比

從定性的角度，射線檢測(cè)能確定缺陷類型，而PAUT和TOFD較難確定缺陷類型，將絕大多數(shù)缺陷籠統(tǒng)地歸類為埋藏缺陷，不能有效地判斷缺陷的危害性。從定量的角度，射線檢測(cè)能確定缺陷平面投影的位置和大小，但較難確定缺陷的深度和自身高度；而PAUT和TOFD能確定缺陷的大小和深度，TOFD還能確定缺陷的自身高度。

1.4 綜合對(duì)比分析

通過(guò)上述各項(xiàng)對(duì)比和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況的分析，總結(jié)了針對(duì)環(huán)焊縫內(nèi)部缺陷的部分無(wú)損檢測(cè)方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)(表2)?？紤]到目前PAUT和TOFD現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水平和對(duì)缺陷的識(shí)別判定能力，并不能很好地區(qū)分危害型缺陷，對(duì)未熔合的識(shí)別率很低(多起事故均表明是重要的失效因素)，不能有效地判斷安全風(fēng)險(xiǎn)，因此在目前無(wú)損檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水平下，基于射線檢測(cè)的環(huán)焊縫隱患排查是可靠且相對(duì)保守的，應(yīng)在射線檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)識(shí)別的危害型缺陷或異?，F(xiàn)象，采用PAUT和TOFD組合工藝對(duì)缺陷自身高度和尺寸進(jìn)行精確復(fù)核，為環(huán)焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

2 環(huán)焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)

經(jīng)開(kāi)挖檢測(cè)，對(duì)存在超標(biāo)缺陷的環(huán)焊縫，由于成本、環(huán)境、技術(shù)等方面的限制，不可能全部都進(jìn)行修復(fù)或更換[9]?？赏ㄟ^(guò)開(kāi)展環(huán)焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)(合于使用評(píng)價(jià))，以服役適用性為依據(jù)，評(píng)價(jià)含缺陷環(huán)焊縫在管道規(guī)定的安全極限范圍內(nèi)是否有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度承載運(yùn)行過(guò)程中的載荷。若評(píng)價(jià)結(jié)果表明缺陷可接受，則可按照工藝流程對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行防腐回填；若評(píng)價(jià)結(jié)果表明缺陷不可接受，則應(yīng)計(jì)算管道剩余壽命，給出管道可承受的最大工作壓力，并對(duì)該環(huán)焊縫提出處置建議，是兼顧管道安全性和經(jīng)濟(jì)性的有效做法[10]。

表2 部分無(wú)損檢測(cè)方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表(針對(duì)內(nèi)部缺陷)

2.1 評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容

根據(jù)對(duì)環(huán)焊縫失效原因的統(tǒng)計(jì)分析，焊接缺陷、內(nèi)外部載荷、焊縫強(qiáng)度錯(cuò)配、材料性能不達(dá)標(biāo)等是導(dǎo)致環(huán)焊縫失效的主要原因，也是影響環(huán)焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素[11]。環(huán)焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)一般應(yīng)包括管道服役狀況調(diào)查、缺陷類型判定和尺寸量化、缺陷成因分析、環(huán)焊縫力學(xué)性能分析(基于已有數(shù)據(jù)或抽樣開(kāi)展環(huán)焊縫理化性能試驗(yàn))、載荷參數(shù)選取等，并根據(jù)選用的評(píng)價(jià)方法對(duì)環(huán)焊縫的安全性進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)。如果環(huán)焊縫包含多種缺陷，應(yīng)結(jié)合針對(duì)所有缺陷類型的多種評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)各種失效模式進(jìn)行判斷，才能給出評(píng)價(jià)結(jié)論。

2.2 體積型缺陷的評(píng)價(jià)方法

體積型缺陷一般為塑性失效模式，危害性較低。常用基于塑性極限載荷理論的評(píng)價(jià)方法，主要是對(duì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塑性破壞的極限應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。代表性的評(píng)價(jià)方法有Miller方法、Kastner方法和ASME NSC方法等[7]。對(duì)于體積較大的缺陷或者不能判定缺陷類型時(shí)，由于環(huán)焊縫區(qū)域存在焊接殘余應(yīng)力、焊縫韌性比鋼管管體差等原因，通常按照平面型缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果較保守。

2.3 平面型缺陷的評(píng)價(jià)方法

平面型缺陷的危害性比體積型缺陷大，評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮塑性失效和斷裂失效模式，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用基于雙判據(jù)失效評(píng)估圖(圖1)的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，Kr為韌性比，表示與脆性斷裂的接近程度，Lr為載荷比，表示與塑性失穩(wěn)(或極限載荷)的接近程度，若評(píng)價(jià)點(diǎn)在失效評(píng)估曲線以內(nèi)，則認(rèn)為缺陷可接受[12]。BS 7910—2015、API 579-1/ASME FFS-1—2016、API 1104—2013和GB/T 19624—2019、SY/T 6477—2017等標(biāo)準(zhǔn)均引用了該方法，但不同標(biāo)準(zhǔn)在失效評(píng)估曲線、Kr和Lr的計(jì)算及殘余應(yīng)力選取等方面存在差異，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的保守程度不同，可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 失效評(píng)估圖

目前，基于失效評(píng)估圖的常規(guī)評(píng)價(jià)方法已較成熟，各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都制訂了通用的失效評(píng)估曲線，但常規(guī)評(píng)價(jià)方法未考慮材料特性的影響[13]。對(duì)于高鋼級(jí)管道，由于焊接材料或工藝等原因，在環(huán)焊縫焊接時(shí)易出現(xiàn)強(qiáng)度錯(cuò)配的情況，相比于常規(guī)評(píng)價(jià)，基于材料特性的失效評(píng)估曲線更能反映材料性能差異，得到更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果，尤其是環(huán)焊縫低強(qiáng)匹配的情況，建議采用環(huán)焊縫的實(shí)測(cè)力學(xué)性能進(jìn)行分析，以便獲得更高的評(píng)價(jià)精度[14-15]。

3 環(huán)焊縫缺陷修復(fù)方法

當(dāng)環(huán)焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果不滿足服役要求時(shí)，需要選擇合適的方法對(duì)缺陷進(jìn)行修復(fù)[16]。隨著材料和工藝技術(shù)的發(fā)展，目前缺陷修復(fù)的方法有很多，結(jié)合缺陷評(píng)估結(jié)果，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件、施工成本、修復(fù)能力等因素，選擇合適的缺陷修復(fù)方法是保障油氣管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵。為此，國(guó)內(nèi)先后發(fā)布實(shí)施了針對(duì)油氣管道缺陷修復(fù)的專項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36701—2018和SY/T 6649—2018，以規(guī)范管道企業(yè)開(kāi)展油氣管道缺陷修復(fù)，降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、消除安全隱患，降低修復(fù)成本。

3.1 缺陷修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

基于環(huán)焊縫的結(jié)構(gòu)和載荷特性，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)焊縫缺陷修復(fù)方法的選擇普遍比較保守，而且有差異(表3)。以GB/T 36701—2018為例，僅推薦換管、B型套筒、螺栓緊固夾具3種永久修復(fù)方法，其中螺栓緊固夾具還要求能夠傳遞軸向載荷且保持結(jié)構(gòu)完整性，即需要像B型套筒一樣焊接在管道上，而打磨和堆焊修復(fù)僅適用于環(huán)焊縫外表面且深度較淺的缺陷。換管修復(fù)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高且可能影響管道正常輸送，通常在其他修復(fù)方法都不適用時(shí)采用；B型套筒能承受內(nèi)壓和提高管道的軸向承壓能力，但需要在管道上動(dòng)火施焊，具有一定的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，為避免動(dòng)火作業(yè)，也有采用鋼質(zhì)環(huán)氧套筒和復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)對(duì)環(huán)焊縫缺陷進(jìn)行修復(fù)的案例。

表3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)環(huán)焊縫缺陷修復(fù)方法的適用性對(duì)比

3.2 焊接修復(fù)方法

B型套筒是國(guó)內(nèi)外各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均推薦采用的環(huán)焊縫缺陷修復(fù)方法，具有一致性高、修復(fù)效果好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。在役焊接是B型套筒修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵步驟，由于在役管道內(nèi)部處于高壓狀態(tài)，焊接作業(yè)可能導(dǎo)致未熔管壁承壓能力不足，造成燒穿；管道內(nèi)介質(zhì)的高速流動(dòng)會(huì)快速帶走接頭熱量，可能誘發(fā)氫致裂紋[17]。尤其對(duì)于高強(qiáng)鋼管道，按照強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，現(xiàn)有B 型套筒(一般為Q345材質(zhì))的壁厚需要很厚，焊接質(zhì)量控制難度更大，目前已發(fā)現(xiàn)部分角焊縫存在冷裂紋。同時(shí)，受限于結(jié)構(gòu)的影響，角焊縫的無(wú)損檢測(cè)還沒(méi)有比較成熟的方法。為此，國(guó)內(nèi)外均對(duì)高鋼級(jí)薄壁B型套筒以及角焊縫全自動(dòng)焊接技術(shù)展開(kāi)了技術(shù)攻關(guān)，相關(guān)預(yù)熱保溫、焊后熱處理、無(wú)損檢測(cè)等配套技術(shù)也在同步研究。目前，B型套筒全自動(dòng)焊接技術(shù)已在西氣東輸?shù)裙芫€上應(yīng)用。

3.3 非焊接修復(fù)方法

目前，國(guó)內(nèi)外常用的非焊接修復(fù)方法主要有鋼質(zhì)環(huán)氧套筒和復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)。由于鋼質(zhì)環(huán)氧套筒兩端并未與管道本體焊接在一起，其承受軸向應(yīng)力及彎曲載荷的能力尚需要進(jìn)一步驗(yàn)證，因此，目前國(guó)內(nèi)外大部分標(biāo)準(zhǔn)都不推薦使用鋼質(zhì)環(huán)氧套筒修復(fù)環(huán)焊縫缺陷。近期，有研究報(bào)道，鋼質(zhì)環(huán)氧套筒能有效承擔(dān)內(nèi)壓載荷并分擔(dān)76%～84%的彎矩，改善缺陷處的應(yīng)力集中，可使環(huán)焊縫未熔合缺陷的環(huán)向及軸向應(yīng)力明顯下降[18-21]，具備修復(fù)環(huán)焊縫缺陷的理論可行性。復(fù)合材料因其彈性模量較低，軸向抗載荷能力更弱，但復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)具有施工方便、無(wú)需焊接、適用性強(qiáng)和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可用于環(huán)焊縫質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為可接受的體積型缺陷的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

油氣管道環(huán)焊縫失效問(wèn)題，已成為影響管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。結(jié)合近年來(lái)環(huán)焊縫失效事故案例和國(guó)內(nèi)管道運(yùn)行實(shí)際情況，對(duì)環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)、質(zhì)量評(píng)價(jià)和缺陷修復(fù)方法進(jìn)行分析，形成以下結(jié)論與建議：

(1)各種無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)環(huán)焊縫內(nèi)部缺陷的檢出率和有效性存在較大差異，基于PAUT和TOFD目前的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水平和對(duì)缺陷的識(shí)別判定能力，其檢測(cè)結(jié)果僅作為缺陷定級(jí)的參考和環(huán)焊縫質(zhì)量評(píng)估的依據(jù)，以免造成過(guò)度返修。

(2)環(huán)焊縫的載荷條件、缺陷特征和強(qiáng)度匹配特性等均較復(fù)雜，質(zhì)量評(píng)價(jià)所需的基本參數(shù)較多，應(yīng)盡可能選擇合適的評(píng)價(jià)方法，提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，在保障安全的前提下避免不必要的修復(fù)。

(3)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)焊縫缺陷修復(fù)方法的選擇普遍比較保守，B型套筒作為優(yōu)選的修復(fù)方法，在修復(fù)高鋼級(jí)管道時(shí)存在焊接質(zhì)量控制難度大等問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)B型套筒材質(zhì)、焊接技術(shù)、無(wú)損檢測(cè)等方面的技術(shù)攻關(guān)，系統(tǒng)驗(yàn)證非焊接修復(fù)方法承受軸向應(yīng)力及彎曲載荷的能力，研發(fā)新型修復(fù)方法，為環(huán)焊縫缺陷修復(fù)提供技術(shù)支撐。