油氣輸送管道環(huán)焊縫失效原因分析及預(yù)防

0 前 言

管道運(yùn)輸作為油氣輸送主要運(yùn)輸方式之一，在我國(guó)能源發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。 我國(guó)油氣管道在 “十一五” 至 “十三五” 期間發(fā)展迅速，建成了西氣東輸二線、 三線、 中亞管線、 中俄管線、 中緬管線、 陜京四線等油氣戰(zhàn)略通道。 此外， 油氣田集輸管網(wǎng)和城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的管道長(zhǎng)度約幾十萬(wàn)千米， 也是油氣管道的重要組成部分

。近年來(lái)， 隨著油氣輸送管網(wǎng)的建設(shè)運(yùn)行， 管線的失效事故頻繁發(fā)生。 失效控制是從技術(shù)層面上保障油氣管道安全運(yùn)行的重要措施之一， 目前， 我國(guó)失效控制意識(shí)相對(duì)比較淡薄， 將失效控制和完整性管理綜合起來(lái)， 可以最大限度地杜絕油氣管道惡性事故的發(fā)生， 全方位保障油氣管道的安全運(yùn)行

。 在油氣輸送管線中， 環(huán)焊縫與管體相比， 所占份額雖然較少， 但環(huán)焊縫作為管體對(duì)接的接頭焊縫， 是連接油氣管道的關(guān)鍵組成部分，由于環(huán)焊縫各部分力學(xué)性能存在差異， 焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)受到材料不均勻性的影響， 相比管道整體而言， 是油氣管道中的薄弱部分

。 因此，為了保障油氣管道安全可靠運(yùn)行， 需要特別關(guān)注環(huán)焊縫質(zhì)量及失效控制。

本研究基于失效控制技術(shù)， 收集了近6 年的環(huán)焊縫失效分析案例， 主要針對(duì)油氣管道環(huán)焊縫的失效模式及失效機(jī)理進(jìn)行研究， 探討控制失效的措施， 為防止油氣輸送管失效， 保證管道安全運(yùn)行提供參考。

1 失效項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)近6 年石油石化企業(yè)的失效分析項(xiàng)目共210 項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 按產(chǎn)品分為5 大類， 鉆具、 油套管、 接箍、 輸送管及其他類， 其他類包括泵頭、 球閥、 三通、 法蘭、 匯管、 防砂管、 隔熱管、 復(fù)合管、 壓力表、 玻璃鋼管及井下工具等， 統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。 210 項(xiàng)失效分析項(xiàng)目中，油氣輸送管道失效為55 項(xiàng)， 占整個(gè)失效產(chǎn)品的26.2%。 油氣輸送管道失效項(xiàng)目中， 環(huán)焊縫失效數(shù)量占輸送管總失效數(shù)量的38.2%， 統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)對(duì)環(huán)焊縫失效分析案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)油氣輸送管道環(huán)焊縫主要失效原因大體可分為三大類： 環(huán)境因素、 現(xiàn)場(chǎng)施工不當(dāng)、 不可預(yù)見(jiàn)性因素， 具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。 由統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)， 現(xiàn)場(chǎng)施工不當(dāng)導(dǎo)致環(huán)焊縫失效占比為71.4%， 環(huán)境因素占環(huán)縫失效的19.0%， 不可預(yù)見(jiàn)因素占9.6%。 現(xiàn)場(chǎng)操作不當(dāng)是導(dǎo)致環(huán)焊縫失效的主要原因。

現(xiàn)場(chǎng)施工不當(dāng)可引起環(huán)焊縫組織異常及焊接缺陷、 環(huán)焊縫幾何尺寸不達(dá)標(biāo)； 服役環(huán)境的影響主要為H

S 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、 CO

腐蝕等； 不可預(yù)見(jiàn)性因素主要為地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的外力導(dǎo)致環(huán)焊縫開(kāi)裂失效。

其次以移就修辭格寫(xiě)思念?！包c(diǎn)透”這一動(dòng)作本來(lái)用于人和“窗欞的紙”間，此時(shí)用來(lái)寫(xiě)“思念”，既寫(xiě)出窗紙之薄，秀才家貧，又寫(xiě)思念之深，足以戳破窗紙，飛向丈夫身旁。

2 環(huán)焊縫失效典型案例

2.1 補(bǔ)焊施工操作不當(dāng)

油氣輸送管服役過(guò)程中， 環(huán)焊縫承受輸送內(nèi)壓力、 焊接應(yīng)力、 環(huán)境應(yīng)力、 環(huán)境腐蝕等作用，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析， 環(huán)焊縫失效中， 現(xiàn)場(chǎng)施工不當(dāng)導(dǎo)致失效的占71.4%， 可見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作不當(dāng)是導(dǎo)致環(huán)焊縫失效的主要原因， 其次是環(huán)境因素引起的失效。

谷底一片潮濕，濃厚的苔蘚，像海綿一樣，緊貼在水面上。他走一步，水就從他腳底下濺射出來(lái)，他每次一提起腳，就會(huì)引起一種吧咂吧咂的聲音，因?yàn)槌睗竦奶μ\總是吸住他的腳，不肯放松。他挑著好路，從一塊沼地走到另一塊沼地，并且順著比爾的腳印，走過(guò)一堆一堆的、像突出在這片苔蘚海里的小島一樣的巖石。

平安西江建設(shè)過(guò)程中，群策群防、聯(lián)合監(jiān)管還需進(jìn)一步得到提高?！捌桨参鹘苯ㄔO(shè)雖已有序開(kāi)展，但各自為政的情況還在一定程度上普遍存在，各涉水部門(mén)間信息互通、資源共享、聯(lián)動(dòng)執(zhí)法局面尚未得到根本改善，沒(méi)有注重充分發(fā)揮多方共建的優(yōu)勢(shì)，另外，“平安西江”建設(shè)，不僅對(duì)廣東同樣對(duì)廣西也有著重要的意義，且息息相關(guān)，而目前尚未與廣西有更多有實(shí)際效應(yīng)的對(duì)接。

對(duì)非金屬物質(zhì)進(jìn)行能譜分析， 分析結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 可以看出， 其所含主要元素為O、 Ca、 Si、 Ti 和Fe， 表明焊縫內(nèi)非金屬物質(zhì)為補(bǔ)焊時(shí)產(chǎn)生的焊接熔渣。

某采氣管線規(guī)格為Φ219.1 mm×7.1 mm， 鋼級(jí)為L(zhǎng)360QS， 2015 年9 月完成管線試壓， 均無(wú)泄漏。 2015 年10 月投產(chǎn)使用時(shí)， 發(fā)現(xiàn)管線泄漏， 泄漏位置位于直管段環(huán)焊縫焊趾處6～3 點(diǎn)鐘位置， 裂口沿焊縫環(huán)向長(zhǎng)度約633 mm， 超過(guò)周長(zhǎng)的3/4， 最大裂口寬度73 mm， 失效樣品及位置如圖11 所示。

因現(xiàn)場(chǎng)施工不當(dāng)導(dǎo)致環(huán)焊縫失效的15 起失效案例中， 有8 起失效部位起源于補(bǔ)焊或返修位置， 補(bǔ)焊 （或返修） 焊縫失效占比達(dá)到53%，由此可見(jiàn)， 環(huán)焊縫補(bǔ)焊、 返修質(zhì)量的優(yōu)劣也是造成油氣管道環(huán)焊縫失效的重要因素之一。

2.2 一次環(huán)焊作業(yè)操作不當(dāng)

2015 年3 月31 日， 青海省某管線發(fā)生泄漏， 管道為Φ660 mm×7.9 mm 規(guī)格L450 螺旋埋弧焊管， 泄漏點(diǎn)位于管道環(huán)焊縫處。 宏觀觀察分析可知， 泄漏裂紋外表面長(zhǎng)約140 mm，內(nèi)表面長(zhǎng)約288 mm， 如圖4 所示。 微觀觀察分析可知， 裂紋起源于環(huán)焊縫根焊處的未熔合、 未焊透缺陷處， 沿環(huán)焊縫熔合線開(kāi)裂。 環(huán)焊縫焊趾附近及熔合區(qū)存在未熔合、 未焊透、氣孔、 焊瘤及大型夾渣缺陷， 如圖5 所示。 這些缺陷的存在， 大大降低了環(huán)焊縫金屬的有效承載壁厚； 焊瘤的存在， 造成環(huán)焊縫根部應(yīng)力集中， 產(chǎn)生裂紋， 管線服役過(guò)程中承受內(nèi)壓力， 裂紋便會(huì)擴(kuò)展， 最終穿透管壁， 導(dǎo)致環(huán)焊縫泄漏失效

。

2.3 環(huán)境因素

但這種說(shuō)法增加了人們的恐慌，越來(lái)越多的人涌入醫(yī)院，堅(jiān)稱自己頭痛惡心，絕對(duì)是吃了膠囊中了毒，搞得醫(yī)院亂成一團(tuán)。盡管警方和醫(yī)院竭力聲明被污染的只有泰諾速效膠囊這一種藥物，但人們卻對(duì)所有的泰諾產(chǎn)品敬而遠(yuǎn)之。一時(shí)間，“泰諾”名聲掃地，邁克耐爾公司瀕于崩潰。

對(duì)焊縫截面進(jìn)行低倍觀察， 結(jié)果如圖2 所示。從圖2 （a） 發(fā)現(xiàn)， 焊縫與母材之間存在雙重?zé)嵊绊憛^(qū)， 裂紋起源于根焊補(bǔ)焊焊縫的熔合區(qū)附近，沿補(bǔ)焊焊縫擴(kuò)展。 靠近裂紋尖端內(nèi)焊縫焊趾已開(kāi)裂（圖2 （b））， 裂紋內(nèi)及裂紋附近有深灰、 淺灰色塊非金屬物質(zhì)（圖2 （c））， 金相組織無(wú)異常。 采用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察， 可見(jiàn)斷面基本平齊， 斷口表面附著較多非金屬物質(zhì)。

(5) 令v是一個(gè)3-三角7-點(diǎn),若v關(guān)聯(lián)兩個(gè)(3,3,7)-面,一個(gè)(3,4-,7)-面,則v的非三角鄰點(diǎn)是一個(gè)6+-點(diǎn);

觀察發(fā)現(xiàn)， 該管線內(nèi)壁長(zhǎng)期接觸濕硫化氫介質(zhì)， 特別是地勢(shì)較低部位的管線底部 （6 點(diǎn)位置附近） 浸泡在濕硫化氫介質(zhì)中。 失效管段內(nèi)壁4～7 點(diǎn)位置存在的黑色附著物與其他部位有明顯不同， 斷口上腐蝕產(chǎn)物也呈黑色和鐵銹色。 斷口能譜分析結(jié)果如圖8 所示， 可以看到腐蝕產(chǎn)物含有S 元素。 內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物X 射線衍射分析結(jié)果如圖9 所示， 可以看出內(nèi)壁黑色附著物主要成分為FeS 和Fe

O

。

斷口掃描電鏡微觀分析結(jié)果如圖10 所示，可見(jiàn)斷面上有多個(gè)交叉分布的二次裂紋特征，失效環(huán)焊縫切割后裂口應(yīng)力釋放， 裂紋尖端金相組織變形明顯， 內(nèi)焊趾處焊瘤應(yīng)力集中嚴(yán)重且產(chǎn)生裂紋， 表明該管件焊縫開(kāi)裂屬H

S 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2.4 不可預(yù)見(jiàn)因素

分析認(rèn)為， 失效管道焊縫處于山丘地形以及天然氣輸送管道轉(zhuǎn)彎處， 焊縫除焊接殘余應(yīng)力、內(nèi)壓引起的應(yīng)力外， 還同時(shí)承載焊縫兩邊壁厚差、 山丘地形引起的附加應(yīng)力。 補(bǔ)焊處焊縫熔合區(qū)焊接熔渣缺陷密集， 破環(huán)了焊縫金屬的連續(xù)性， 降低了焊縫材料的有效承載能力， 焊趾處應(yīng)力集中嚴(yán)重， 裂紋一旦產(chǎn)生， 便會(huì)沿焊縫金屬的薄弱區(qū) （含缺陷區(qū)） 迅速擴(kuò)展， 最終穿透壁厚，造成天然氣泄漏。

焊口上游是規(guī)格Φ219.1 mm×7.1 mm 的L360QS 無(wú)縫鋼管， 下游為Φ219.1 mm×8 mm 規(guī)格L360QS 無(wú)縫熱煨彎頭， 彎頭角度為10°。 委托方資料顯示， 距離環(huán)焊縫開(kāi)裂位置7～8 m 處為正在施工建設(shè)的西區(qū)集輸復(fù)線， 并且管線泄漏位置距離當(dāng)日施工現(xiàn)場(chǎng)最近的挖掘機(jī)17 m。 此外， 現(xiàn)場(chǎng)切割后管線發(fā)生水平方向回彈， 回彈量約70 mm。

焊縫斷口宏觀及微觀分析可見(jiàn)， 環(huán)焊縫開(kāi)裂為塑性斷裂， 斷口表面未見(jiàn)明顯缺陷， 開(kāi)裂起源于內(nèi)表面根焊熔合線處， 斷口形貌如圖12 所示。 有限元載荷模擬結(jié)果如圖13 所示， 可見(jiàn)環(huán)焊縫開(kāi)裂處有外加載荷作用于管道上， 表明環(huán)焊縫開(kāi)裂為過(guò)載斷裂。 當(dāng)環(huán)焊縫承受現(xiàn)場(chǎng)施工地層震動(dòng)、 塌陷或土體移動(dòng)等外部載荷時(shí)， 環(huán)焊縫根焊熔合線處產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展， 導(dǎo)致環(huán)焊縫開(kāi)裂失效。

3 環(huán)焊縫失效的主要影響因素及預(yù)防

2016 年2 月發(fā)現(xiàn)某水田出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象， 開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)埋地輸氣管線環(huán)焊縫泄漏。 泄漏焊口為熱煨彎管與螺旋埋弧焊管連接焊口， 熱煨彎管規(guī)格為Φ1 016 mm×18.4 mm， 螺旋埋弧焊管規(guī)格為Φ1 016 mm×15.3 mm。 對(duì)泄漏管段觀察后發(fā)現(xiàn)， 管段11 點(diǎn)位內(nèi)部約有100 mm 長(zhǎng)度的補(bǔ)焊痕跡。 對(duì)環(huán)焊縫內(nèi)、 外表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)及低倍分析， 發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫內(nèi)表面裂紋位于補(bǔ)焊焊縫與母材交界的焊趾部位， 長(zhǎng)度約100 mm。 環(huán)焊縫外表面裂紋位于焊縫中， 裂紋長(zhǎng)度約10 mm， 環(huán)焊縫及裂紋形貌如圖1 所示。

2016 年4 月21 日， 某公司生產(chǎn)的Φ508 mm×9.5/11 mm 規(guī)格L360MS 螺旋埋弧焊管發(fā)生因環(huán)焊縫裂紋導(dǎo)致的泄漏， 管線采用3PE 外防腐， 輸送介質(zhì)為天然氣， 失效樣品宏觀形貌如圖6 所示。 對(duì)失效管件進(jìn)行宏觀觀察和測(cè)量， 裂紋沿管體周向長(zhǎng)430 mm， 開(kāi)口最大處寬4 mm， 焊縫處有焊瘤存在。 管件內(nèi)壁開(kāi)口位于4～7 點(diǎn)位置， 為管線底部，內(nèi)焊縫附近及斷口附著有疏松的黑色物質(zhì)， 裂紋起源于根焊焊縫， 裂紋源區(qū)斷口形貌如圖7 所示。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制

在施工質(zhì)量控制方面， 主要在于現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量管理。 焊縫焊接管理控制可以從工藝、 環(huán)境、 材料及人員設(shè)備四方面入手。 但一般施工前制定的焊接工藝都較成熟， 所以焊縫質(zhì)量的主要控制要素為環(huán)境、 材料及人員設(shè)備。

語(yǔ)言復(fù)雜度的理論與測(cè)量 ………………………………………………………………… 劉黎崗 繆海濤（1.52）

（1） 環(huán)境控制。 長(zhǎng)輸管線鋪設(shè)都是野外作業(yè)， 受自然環(huán)境影響較大。 焊接作業(yè)指導(dǎo)文件對(duì)環(huán)境溫度、 濕度都有明確規(guī)定， 例如一般規(guī)定現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)溫度不低于-5 ℃， 濕度小于90%， 所以現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)必須采用適當(dāng)保護(hù)措施， 如防雨、 防風(fēng)棚， 保溫遮蓋材料等， 特殊地段必須選擇特殊的環(huán)境保護(hù)措施， 確保焊接質(zhì)量。

（2） 材料控制。 這里材料是指焊材， 焊材的合格與否直接關(guān)系著焊縫的質(zhì)量， 采購(gòu)焊材時(shí)必須選擇合格的焊接材料。 焊材的運(yùn)輸、 存放保管過(guò)程中應(yīng)確保焊材干燥， 使用前必須烘干焊材。

（3） 人員設(shè)備。 焊接人員在施工中占主導(dǎo)地位， 人員素質(zhì)及技術(shù)水平直接影響焊接質(zhì)量。 必須選擇有國(guó)家專業(yè)機(jī)構(gòu)考核確認(rèn)的專業(yè)焊接人員， 大型施工甚至要進(jìn)行業(yè)務(wù)水平測(cè)試評(píng)價(jià)， 合格后方能上崗。 焊接相關(guān)設(shè)備必須經(jīng)過(guò)專業(yè)機(jī)構(gòu)或人員鑒定或校準(zhǔn)， 設(shè)備使用前做好設(shè)備核查，確保焊接設(shè)備滿足工藝要求。

3.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素影響主要指環(huán)焊縫接觸的介質(zhì)的影響。 統(tǒng)計(jì)分析表明， 環(huán)境因素引起的開(kāi)裂主要為H

S 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

語(yǔ)文課堂不僅僅只局限于在教室里，只要是能學(xué)習(xí)到語(yǔ)文知識(shí)的地方都是語(yǔ)文學(xué)習(xí)的課堂，課上課后、教室家里都可以成為語(yǔ)文學(xué)習(xí)的課堂，所以老師也可以把課后的作業(yè)當(dāng)成是整體課堂教學(xué)中的一部分，老師可以改變一下課后作業(yè)的形式。傳統(tǒng)的課后作業(yè)就是讓小學(xué)生不停重復(fù)抄寫(xiě)的工作，這對(duì)提升小學(xué)生的語(yǔ)文素質(zhì)根本毫無(wú)幫助，并且會(huì)降低學(xué)生的語(yǔ)文學(xué)習(xí)興趣，老師不如布置一些閱讀的作業(yè)，這樣學(xué)生既不會(huì)覺(jué)得枯燥乏味又可以真正有效的保證學(xué)生每天有足夠的閱讀時(shí)間，從而真正的提高學(xué)生的語(yǔ)文素養(yǎng)。

環(huán)焊縫焊趾屬焊縫的薄弱環(huán)節(jié)

， 失效統(tǒng)計(jì)分析可知， 大部分應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生在根焊焊趾附近。 由于焊縫現(xiàn)場(chǎng)焊接施工操作不當(dāng)， 根焊處易產(chǎn)生焊瘤、 未焊透、 咬邊等焊接缺陷， 管線服役過(guò)程中， 環(huán)焊縫（根焊） 易存在應(yīng)力集中。 若管道的輸送介質(zhì)中存在H

S 和水， H

S 會(huì)在水中發(fā)生電離反應(yīng)， 產(chǎn)生氫原子， 一部分形成氫氣溢出， 另一部分?jǐn)U散到金屬內(nèi)部， 在材料組織缺陷部位或裂紋尖端周圍聚集， 使材料發(fā)生脆化， 降低材料的裂紋擴(kuò)展抗力， 進(jìn)而導(dǎo)致管道運(yùn)行過(guò)程中環(huán)焊縫發(fā)生斷裂失效； 管端焊前預(yù)熱可減緩焊后焊縫的冷卻速度， 降低焊接應(yīng)變速率， 從而有效降低焊接應(yīng)力

。 焊后熱處理可使環(huán)焊縫焊區(qū)金相組織得到改善， 提高焊接接頭的塑性及韌性， 從而改善焊接接頭的綜合力學(xué)性能， 降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。 環(huán)焊縫焊接作業(yè)施工過(guò)程中， 嚴(yán)格控制焊接作業(yè)可有效防止焊接缺陷產(chǎn)生， 提高焊接質(zhì)量， 避免根焊焊縫附近成為應(yīng)力腐蝕的薄弱區(qū)域， 防止焊縫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 另外， 當(dāng)管線輸送介質(zhì)中含有一定量的H

S 和水時(shí)， 焊接材料應(yīng)盡可能考慮選擇含有抗H

S 應(yīng)力腐蝕的材料。

4 結(jié)論與建議

（1） 管道對(duì)接環(huán)焊縫失效的主要原因包括現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝不當(dāng)、 腐蝕環(huán)境和不可預(yù)見(jiàn)因素三類，其中焊接工藝不當(dāng)是環(huán)焊縫失效的主要原因。

（2） 在現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量控制方面， 主要在于現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理， 應(yīng)對(duì)工藝、 環(huán)境、 材料及人員設(shè)備四方面嚴(yán)格把關(guān)， 嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)、 規(guī)范、 工藝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)， 杜絕管理漏洞。

（3） 若輸送介質(zhì)存在腐蝕性， 應(yīng)在焊接施工階段就考慮避免在環(huán)焊縫處發(fā)生選擇性腐蝕的問(wèn)題， 焊接施工時(shí)， 相較輸送弱/無(wú)腐蝕介質(zhì)的管道， 應(yīng)更為嚴(yán)格的控制環(huán)焊縫焊接缺陷的產(chǎn)生，特別是內(nèi)表面缺陷的產(chǎn)生。 同時(shí)， 應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊前的管端預(yù)熱和焊材除濕， 如有條件， 建議進(jìn)行焊后熱處理， 降低焊接應(yīng)力。

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