油氣管道環(huán)焊縫失效案例與全尺寸試驗(yàn)分析

楊鋒平 ，程 飛，張鴻博 ，王高峰 ，張 良 ，賈鵬軍

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077;2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司 北京 100101；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第八采油廠 陜西 西安 710016)

0 引 言

2017年、2018年中緬輸氣管道各發(fā)生1起環(huán)焊縫斷裂事件，2019年泰青威輸氣管道發(fā)生1起環(huán)焊縫斷裂事件，這3起事件在行業(yè)和國(guó)家層面引起了高度關(guān)注。2017年9月，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司組織所屬管道施工、運(yùn)行企業(yè)在西安石油管工程技術(shù)研究院(現(xiàn)“工程材料研究院”)召開(kāi)會(huì)議，宣布油氣管道環(huán)焊縫隱患治理工作啟動(dòng)。以該會(huì)議為標(biāo)志，油氣管道運(yùn)維安全的重心轉(zhuǎn)至環(huán)焊縫上。

大量文章研究表明，環(huán)焊縫失效大致可歸結(jié)為環(huán)焊縫自身力學(xué)性能、缺陷、載荷三方面原因[1-4]。部分學(xué)者[5-7]從焊接質(zhì)量控制、鋼管生產(chǎn)控制等角度討論了避免環(huán)焊縫失效、提高環(huán)焊縫質(zhì)量的各種措施，筆者也曾根據(jù)實(shí)際服役管道環(huán)焊縫缺陷情況進(jìn)行了成因分析和對(duì)策建議[8-9]。對(duì)于西二線、三線、中緬管道等已經(jīng)建成運(yùn)行的半自動(dòng)焊管道，在其力學(xué)性能和焊接狀況已經(jīng)確定的情況下，如何理解缺陷與載荷的關(guān)系，從而指導(dǎo)管道隱患治理和安全運(yùn)維工作，值得深入研究。當(dāng)下，由于管道內(nèi)外檢測(cè)對(duì)環(huán)焊縫缺陷定性定量準(zhǔn)確程度依舊不夠，國(guó)家管網(wǎng)仍在投入大量費(fèi)用進(jìn)行環(huán)焊縫開(kāi)挖檢測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)并修復(fù)更多環(huán)焊縫焊接缺陷。但是，自2017年排查至今，超標(biāo)缺陷比例并未明顯下降。大量超標(biāo)缺陷管道如何安全服役，是運(yùn)營(yíng)企業(yè)在保效益和保安全之間必須要考慮的問(wèn)題。本文分析了近10年18起管道環(huán)焊縫失效案例和7次Φ1 016 mm口徑以上的全尺寸試驗(yàn)，給出了環(huán)焊縫缺陷承載情況的部分特征，認(rèn)為從失效后果和災(zāi)難性事件預(yù)防而言，外部載荷控制優(yōu)先程度應(yīng)大于焊接缺陷排查。

1 國(guó)內(nèi)幾起環(huán)焊縫失效案例統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)了近10年18起管道環(huán)焊縫失效事件，具體見(jiàn)表1和圖1～圖4，其中10起泄漏，8起斷裂，泄漏和斷裂的典型失效模式如圖5、圖6所示。按年份統(tǒng)計(jì)，泄漏事件總體呈下降趨勢(shì)，而斷裂事件并沒(méi)有減少趨勢(shì)。10起泄漏事件中，5起發(fā)生在運(yùn)行1年內(nèi)或試壓階段，本文將此階段定義為運(yùn)行初期；5起發(fā)生在運(yùn)行1年后；8起斷裂事件中，1起發(fā)生在運(yùn)行1年內(nèi)，7起均發(fā)生在運(yùn)行1年后。由此可見(jiàn)，泄漏可發(fā)生在任何階段，以試壓階段最為多見(jiàn)。斷裂主要發(fā)生在運(yùn)行后。

10起泄漏事件中，均明確與管道焊接缺陷有關(guān)。其中3起發(fā)生在0點(diǎn)位置附近，3起在6點(diǎn)位置附近，其他位置4起。0點(diǎn)和6點(diǎn)位置泄漏占事件總數(shù)的60%，這也是焊接起弧和收弧之處，屬于焊接難度較高之處。為了避免更多泄漏事件的發(fā)生，在役管道隱患治理的一大關(guān)鍵點(diǎn)為環(huán)焊縫缺陷檢測(cè)評(píng)估與修復(fù)。

8起斷裂事件中，均明確與管道外部載荷相關(guān)，沒(méi)有1起明確起裂與超標(biāo)焊接缺陷有關(guān)。失效分析發(fā)現(xiàn)，地層移動(dòng)、融凍、附加載荷、山體滑坡等外部載荷是引起管道環(huán)焊縫斷裂的主要原因，考慮到斷裂危害大于泄漏，環(huán)焊縫隱患治理重點(diǎn)為外部載荷治理。

表1 國(guó)內(nèi)18起環(huán)焊縫失效事件

續(xù)表

圖1 事件數(shù)量與發(fā)生年份關(guān)系

圖2 泄漏事件數(shù)量與發(fā)生年份關(guān)系

圖3 斷裂事件數(shù)量與發(fā)生年份關(guān)系

圖4 事件類(lèi)型與事件數(shù)量的關(guān)系

圖5 典型的泄漏失效(環(huán)焊縫內(nèi)表面)

圖6 典型的斷裂失效

2 環(huán)焊縫失效全尺寸模擬試驗(yàn)及分析

2.1 內(nèi)壓爆破試驗(yàn)

從在役國(guó)內(nèi)重要天然氣管道上截取部分含缺陷環(huán)焊縫進(jìn)行室內(nèi)水壓爆破試驗(yàn)，以此檢驗(yàn)含缺陷環(huán)焊縫的承壓能力，并觀察爆破形貌，同時(shí)也為今后類(lèi)似缺陷的修復(fù)處置方式提供參考。試驗(yàn)情況見(jiàn)表2，自然缺陷和人工預(yù)制缺陷典型失效情況分別如圖7、圖8所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：

1)存在于在役天然氣管道上的自然缺陷，盡管部分缺陷類(lèi)型為裂紋，且缺陷長(zhǎng)度和自身高度較為嚴(yán)重，但其實(shí)際承載能力較強(qiáng)，說(shuō)明在役管道在投產(chǎn)前經(jīng)過(guò)嚴(yán)格水壓試驗(yàn)后未泄漏的缺陷，在實(shí)際服役過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)展的可能性較小。該結(jié)論并未考慮內(nèi)壓波動(dòng)的影響，對(duì)于內(nèi)壓頻繁波動(dòng)的管道，應(yīng)考慮疲勞對(duì)缺陷長(zhǎng)周期服役是否存在影響。

2)預(yù)制人工缺陷的環(huán)焊縫水壓試驗(yàn)表明，在內(nèi)壓作用下，環(huán)焊縫失效類(lèi)型為泄漏。管道服役狀態(tài)下，管道軸向應(yīng)力(裂紋環(huán)向擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力)遠(yuǎn)小于環(huán)向應(yīng)力(裂紋軸向擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力)，因此類(lèi)似于軸向缺陷長(zhǎng)程擴(kuò)展的情形不會(huì)發(fā)生在環(huán)焊縫缺陷上，環(huán)焊縫不具備環(huán)向失穩(wěn)擴(kuò)展的基本條件。由參考文獻(xiàn)[8]可知，環(huán)焊縫韌性分布不均勻，部分區(qū)域存在極低值的可能，即便如此，沒(méi)有驅(qū)動(dòng)力，裂紋脆性失穩(wěn)擴(kuò)展的可能極低。

3)當(dāng)管道結(jié)構(gòu)主要承受內(nèi)壓載荷時(shí)，其失效為軸向開(kāi)裂，環(huán)向應(yīng)力為第一主應(yīng)力，本文前4項(xiàng)試驗(yàn)顯示，爆破起裂點(diǎn)均為母材，從頻次上看，高鋼級(jí)大口徑天然氣管道環(huán)焊縫承受內(nèi)壓能力強(qiáng)于母材，但此時(shí)考慮承壓強(qiáng)弱的意義并不大，因?yàn)楸茐毫h(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)壓力。因此，討論環(huán)焊縫與母材的強(qiáng)弱匹配，只有在外部載荷為主要載荷時(shí)才有意義。即在地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較大地區(qū)，應(yīng)考慮母材與環(huán)焊縫軸向屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度的匹配問(wèn)題，對(duì)于大部分地質(zhì)穩(wěn)定區(qū)，不用關(guān)注環(huán)焊縫與母材的匹配問(wèn)題，只要其基本力學(xué)性能指標(biāo)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，即可正常服役。

表2 全尺寸內(nèi)壓爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖7 典型的母材張開(kāi)失效形貌

圖8 環(huán)焊縫人工預(yù)制缺陷泄漏失效形貌

2.2 內(nèi)壓加彎曲試驗(yàn)

使用2根Φ1 016 mm、X70鋼管，采用與陜京三線線路施工一致的焊接工藝進(jìn)行組對(duì)焊接，形成長(zhǎng)14 m、中間含有1條環(huán)焊縫的試驗(yàn)管段，如圖9所示，進(jìn)行內(nèi)壓加四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)前，相同焊接人員采用同樣工藝同時(shí)焊接了另1道同規(guī)格環(huán)焊縫，在無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量合格前提下，對(duì)其進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，檢驗(yàn)其理化性能是否滿(mǎn)足要求。在確認(rèn)滿(mǎn)足要求前提下進(jìn)行試驗(yàn)，并預(yù)制表3中所述尺寸缺陷。試驗(yàn)時(shí)，首先進(jìn)行水壓加載，使管段含有10 MPa內(nèi)壓，之后進(jìn)行彎矩加載，以此模擬含缺陷環(huán)焊縫在設(shè)計(jì)壓力情況下，可以承受的彎曲載荷極限值，并觀察焊縫的失效模式。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在10 MPa內(nèi)壓加6 400 kN·m彎矩作用下，環(huán)焊縫發(fā)生瞬時(shí)失效，失效模式為整個(gè)環(huán)焊縫脆性斷裂，斷口如圖10所示，未觀察到缺陷穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展、泄漏階段，而是直接斷裂，與中緬管道晴隆事件類(lèi)似。由此說(shuō)明：盡管環(huán)焊縫焊接質(zhì)量合格，且小試樣拉伸、沖擊均顯示環(huán)焊縫為韌性斷裂，但全尺寸結(jié)構(gòu)情況下，在內(nèi)壓加彎曲的載荷模式下，環(huán)焊縫顯示為脆性斷裂，并沒(méi)有出現(xiàn)壓力容器“先漏后破”的現(xiàn)象。由此可知，實(shí)際大口徑高鋼級(jí)管道在承受類(lèi)似載荷時(shí)，管道運(yùn)行企業(yè)沒(méi)有時(shí)間窗口發(fā)現(xiàn)管道泄漏，從而無(wú)法采取措施減少損失。管段更有可能達(dá)到載荷臨界值時(shí)而突然斷裂，造成災(zāi)難性后果。

圖9 內(nèi)壓加彎曲四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

表3 內(nèi)壓+彎曲試驗(yàn)情況表

圖10 內(nèi)壓加彎曲試驗(yàn)斷后照片

3 結(jié) 論

1)18起失效分析表明，當(dāng)油氣管道發(fā)生泄漏失效時(shí)，其主要原因?yàn)楹附尤毕?；?dāng)油氣管道發(fā)生斷裂失效時(shí)，其主要原因?yàn)榇嬖诟郊虞d荷。為了減少泄漏發(fā)生，應(yīng)重視環(huán)焊縫缺陷排查；為避免斷裂事件發(fā)生，應(yīng)更加重視外部載荷治理。

2)6起Φ1 016 mm、X70鋼級(jí)及Φ1 219 mm、X80鋼級(jí)全尺寸含缺陷的環(huán)焊縫管道內(nèi)壓試驗(yàn)表明，僅內(nèi)壓作用下，大量含超標(biāo)缺陷環(huán)焊縫管道在設(shè)計(jì)壓力下均可正常服役，爆破壓力約為設(shè)計(jì)壓力的2倍，且缺陷不大情況下爆破位置均位于母材。2起嚴(yán)重人工預(yù)制缺陷發(fā)生環(huán)焊縫失效，但失效仍為泄漏，而不發(fā)生斷裂，因此低壓運(yùn)行管道升壓運(yùn)行并不會(huì)增加環(huán)焊縫斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

3)1起Φ1 016 mm、X70鋼級(jí)全尺寸含缺陷環(huán)焊縫內(nèi)壓加彎曲試驗(yàn)表明，含缺陷環(huán)焊縫發(fā)生瞬時(shí)斷裂現(xiàn)象，未觀察到宏觀裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程，并不出現(xiàn)“先漏后破”這一韌性金屬材料失效現(xiàn)象。管道運(yùn)行企業(yè)應(yīng)盡可能保證管道在設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作，即在以?xún)?nèi)壓為主的狀態(tài)下工作，而不應(yīng)使管道承受較大的橫向載荷。