管道斜接環(huán)焊縫適用性評(píng)價(jià)

楊輝 王富祥 鐘婷 雷錚強(qiáng) 玄文博 武剛

1國家管網(wǎng)北方管道公司管道科技研究中心

2中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院

斜接管道為一種不連續(xù)結(jié)構(gòu)，相較于直管，在內(nèi)壓下斜接環(huán)焊縫處會(huì)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致斜接環(huán)焊縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使管道承壓能力下降，并增加應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，降低管道服役壽命[1-3]?？梢?，斜接環(huán)焊縫是一種更加危險(xiǎn)的環(huán)焊縫。管道斜接環(huán)焊縫為現(xiàn)場焊接施工過程中產(chǎn)生，油氣長輸管道相關(guān)設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定管道組對(duì)時(shí)的斜接角度≤3°，但由于不規(guī)范施工，部分在役管道內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)存在超標(biāo)斜接[4-5]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)某管道公司完成內(nèi)檢測的管道共報(bào)告1 000 多處斜接環(huán)焊縫，其中斜接角度差≥3°逾百處，最大斜接角度達(dá)14°。對(duì)于超標(biāo)斜接，目前除換管外還沒有特別有效的修復(fù)方法，而換管易產(chǎn)生新的焊接問題且造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。因此，需要明確斜接環(huán)焊縫適用性，有針對(duì)性地制定維修維護(hù)策略，控制管道運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。為此擴(kuò)展了斜接角度計(jì)算公式，對(duì)比推薦了無缺陷斜接環(huán)焊縫和含缺陷斜接環(huán)焊縫的適用性評(píng)價(jià)方法，采用有限元分析及全尺寸壓力爆破試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估了方法適用性及保守性，以期為在役管道斜接環(huán)焊縫安全評(píng)價(jià)提供參考。

1 斜接環(huán)焊縫評(píng)價(jià)

1.1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

工程中常采用GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)》、GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》等設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)對(duì)斜接彎管斜接角度≤3°來對(duì)斜接進(jìn)行簡單地篩查評(píng)價(jià)，但由于數(shù)量眾多，顯然無法有效解決在役管道超標(biāo)準(zhǔn)斜接的問題。

國內(nèi)外明確斜接環(huán)焊縫評(píng)價(jià)方法的管道運(yùn)營期標(biāo)準(zhǔn)主要包括API 579—2016《適用性評(píng)價(jià)》（以下簡稱API 579—2016）、SY/T 6477—2017《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》（以下簡稱SY/T 6477—2017）和GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》（以下簡稱GB/T 35013—2018），而SY/T 6477—2017 和GB/T 35013—2018均是參照API579—2016 標(biāo)準(zhǔn)編制。蔣慶梅[8]，武剛[9]等針對(duì)長輸管道內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)準(zhǔn)斜接環(huán)焊縫分別采用API 579—2016 和SY/T 6477—2017 開展了評(píng)價(jià)，但均為無缺陷斜接，且未做差異性分析及保守性對(duì)比。

1.2 無缺陷斜接環(huán)焊縫評(píng)價(jià)

API 579—2016 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)斜接采用三級(jí)評(píng)價(jià)，僅適用于膜應(yīng)力載荷（如內(nèi)壓）作用下斜接角度≤10°的斜接。一級(jí)評(píng)價(jià)是基于施工標(biāo)準(zhǔn)的篩查，如果滿足要求，則不需要開展二級(jí)和三級(jí)評(píng)價(jià)。二級(jí)評(píng)價(jià)是一種結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估方法，綜合考慮載荷及復(fù)雜幾何形狀的影響，計(jì)算斜接環(huán)焊縫的剩余強(qiáng)度因子。三級(jí)評(píng)價(jià)是更為精細(xì)的應(yīng)力分析，包括斷裂、疲勞和數(shù)值模擬等，需要詳細(xì)的參數(shù)輸入，適用于專項(xiàng)評(píng)價(jià)[9]。相較于API 579—2007 版，新版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)斜接導(dǎo)致薄膜應(yīng)力引起彎曲應(yīng)力的比例因子進(jìn)行了更新。SY/T 6477—2017 參考API 579—2007 版編制，在斜接評(píng)價(jià)中雖未分級(jí)，但整體評(píng)價(jià)流程與API 579—2007 版保持一致，主要區(qū)別在于內(nèi)壓引起軸向薄膜應(yīng)力不同，其計(jì)算公式如式（1）所示。GB/T 35013—2018 中棱角（斜接）分兩級(jí)評(píng)價(jià)，1級(jí)評(píng)價(jià)與SY/T 6477—2017 一致（C1第1 系數(shù)正負(fù)號(hào)相反），2 級(jí)評(píng)價(jià)為應(yīng)力分類或極限載荷分析方法。

式中：p為內(nèi)壓，MPa；D為管徑，mm；t為管道壁厚，mm；R為管道內(nèi)半徑，mm；E為焊縫系數(shù)，如果未知取0.7；tsl為附加載荷厚度，mm。

采用各標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算所得內(nèi)壓引起的軸向薄膜應(yīng)力及斜接導(dǎo)致彎曲應(yīng)力比例因子的對(duì)比情況如圖1 所示?？梢钥闯觯琒Y/T 6477—2017 應(yīng)力比略大于API 579—2016 和GB/T 35013—2018，在同等應(yīng)力水平下評(píng)價(jià)結(jié)果略為保守。另外，對(duì)于內(nèi)壓引起的軸向薄膜應(yīng)力計(jì)算，API 579 標(biāo)準(zhǔn)中在不考慮焊接因素（焊縫系數(shù)E=1.0）時(shí)已與架空（或裸露）管道相當(dāng)，而考慮焊接因素時(shí)的軸向薄膜應(yīng)力計(jì)算值更大。綜上所述，可采用SY/T 6477—2017 評(píng)價(jià)超標(biāo)的無缺陷斜接環(huán)焊縫，修訂后的斜接角度計(jì)算公式如式（2）所示，將應(yīng)用范圍擴(kuò)展至非對(duì)稱斜接，非對(duì)稱斜接示意圖如圖2 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.1 Comparison of standard calculation results

圖2 非對(duì)稱斜接示意圖Fig.2 Schematic diagram of an asymmetric miter

式中：θ為斜接角度，rad；δ為最大偏心距，mm；L1、L2、L分別為斜接左跨距、右跨距和總跨距，mm。

1.3 含缺陷斜接環(huán)焊縫評(píng)價(jià)

斜接環(huán)焊縫是一種特殊的環(huán)焊縫，與直管環(huán)焊縫的區(qū)別在于內(nèi)壓下斜接環(huán)焊縫處會(huì)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，該應(yīng)力與內(nèi)壓產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力相疊加，導(dǎo)致應(yīng)力集中。因此，含缺陷斜接環(huán)焊縫的評(píng)價(jià)可參照現(xiàn)行環(huán)焊縫缺陷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法，但需將斜接導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力作為附加載荷考慮進(jìn)去，彎曲應(yīng)力的計(jì)算可參照SY/T 6477—2017 或API 579—2016。

由于失效模式的不同，評(píng)價(jià)應(yīng)先將環(huán)焊縫缺陷分為體積型缺陷和平面型缺陷。對(duì)于體積型缺陷，主要考慮塑性失效模式，推薦采用修正的Miller 方法[10]評(píng)價(jià)；對(duì)于平面型缺陷，評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮塑性失效和斷裂失效模式，推薦采用BS 7910：2019《金屬結(jié)構(gòu)裂紋驗(yàn)收評(píng)定方法指南》（以下簡稱BS 7910：2019）中失效評(píng)估圖法，并根據(jù)可用材料參數(shù)及保守程度選用通用FAC 或特定FAC 進(jìn)行評(píng)價(jià)[11-13]。

2 斜接管道壓力爆破試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與裝置

設(shè)計(jì)完成了5 組含斜接環(huán)焊縫管道全尺寸壓力爆破試驗(yàn)[14-15]，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表1 所示。試驗(yàn)內(nèi)容包含力學(xué)性能測試、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集及爆破口分析，對(duì)比變量包括斜接角度和缺陷。其中3 種角度分別取自內(nèi)檢測報(bào)告閾值、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍上限及某管道公司檢測發(fā)現(xiàn)斜接的最大角度，而缺陷位于斜接內(nèi)夾角內(nèi)表面（應(yīng)力集中區(qū)）。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.1 Test design and results

試驗(yàn)用鋼管規(guī)格為Φ720 mm×7.9 mm，鋼級(jí)為X60。全尺寸水壓爆破試驗(yàn)采用海德利森氣動(dòng)液泵增壓系統(tǒng)，應(yīng)變測量采用日本UCAM-60A 萬能數(shù)字測量系統(tǒng)，掃描速度為0.1 s/點(diǎn)；采用單向應(yīng)變片，其電阻為120.4 Ω±0.3 Ω，靈敏系數(shù)為2.23±1%，規(guī)格為1 mm×2 mm，有效量程為2%。試驗(yàn)參照GB 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》和SY/T 5992—2012《輸送鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中斜接爆破口如圖3 所示，含斜接環(huán)焊縫試驗(yàn)管道的失效位置均位于內(nèi)夾角應(yīng)力集中區(qū)域范圍內(nèi)，且斜接角度越大越靠近內(nèi)夾角中心位置，說明應(yīng)力集中是引起斜接環(huán)焊縫失效的重要因素。進(jìn)一步提取的斜接環(huán)焊縫內(nèi)夾角處內(nèi)壓-應(yīng)變曲線如圖4 所示。對(duì)比分析可以看出，隨著斜接角度增大，斜接環(huán)焊縫內(nèi)夾角處應(yīng)力集中程度明顯加??；同時(shí)，10°斜接環(huán)焊縫達(dá)到屈服時(shí)（5 000 微應(yīng)變）的壓力與理論屈服壓力基本吻合，而14°斜接環(huán)焊縫早已屈服，進(jìn)一步驗(yàn)證了API 579 和SY/T 6477 標(biāo)準(zhǔn)中斜接評(píng)價(jià)方法適用范圍（不超過10°）的合理性。

圖3 斜接鋼管爆破口Fig.3 Mitred pipes blasting holes

圖4 斜接內(nèi)夾角環(huán)焊縫處內(nèi)壓-應(yīng)變曲線Fig.4 Pressure-strain curve inside of the mitred girth weld

提取試驗(yàn)過程中進(jìn)水量-內(nèi)壓曲線（圖5）可以看出，各組試驗(yàn)管承壓能力基本一致，均能滿足運(yùn)行要求。對(duì)比5°、10°和14°無缺陷斜接可以看出，隨著斜接角度的增大，鋼管進(jìn)水量減小，打壓時(shí)間明顯縮短；對(duì)比5°無缺陷斜接和5°含缺陷斜接可以看出，5°含缺陷斜接的進(jìn)水量和打壓時(shí)間明顯小于5°無缺陷斜接。對(duì)比結(jié)果表明，斜接和缺陷作用表現(xiàn)在鋼管抵抗均勻變形能力（進(jìn)水量）下降。

圖5 進(jìn)水量-內(nèi)壓曲線Fig.5 Water inflow-internal pressure curve

3 斜接管道有限元分析

3.1 有限元模型

3.1.1 有限元建模

根據(jù)壓力爆破試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案分別建立了帶球形封頭的無缺陷斜接及含內(nèi)裂紋斜接管道（1/4）的有限元模型[16-20]，如圖6 所示，包括3 種無缺陷模型（斜接角度5°、10°和14°）、2 種含缺陷模型（斜接角度0°和5°）。鋼管規(guī)格為Φ 720 mm×7.9 mm，不考慮焊縫余高，缺陷位于斜接內(nèi)夾角內(nèi)表面，長度180 mm，開口寬度0.3 mm，深度為67%管道壁厚。單元采用Solid186，為高階3 維20 節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，支持任意空間各向異性，具有塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力鋼化、大變形及大應(yīng)變特性。在管道內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷，對(duì)無缺陷斜接鋼管模型，約束軸向?qū)ΨQ截面端點(diǎn)位移自由度，防止鋼管產(chǎn)生整體剛性位移；對(duì)含缺陷斜接鋼管模型，在軸向截面及除裂紋表面的橫截面均設(shè)置對(duì)稱邊界。

圖6 有限元模型Fig.6 Finite element model

3.1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

由于焊縫采用強(qiáng)匹配焊接，母材和焊縫均采用Ramberg-Osgood 模型描述應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，該模型為業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可的材料非線性本構(gòu)模型之一，被眾多標(biāo)準(zhǔn)引用，適用于管線鋼。

式中：ε為應(yīng)變；σ為應(yīng)力，MPa；E為彈性模量，取210 GPa；σY為屈服強(qiáng)度，MPa；σT為抗拉強(qiáng)度，MPa；n為硬化指數(shù)；α為屈服偏移量。

3.2 有限元分析結(jié)果

模擬得出在內(nèi)壓載荷下的無缺陷斜接管道和含內(nèi)裂紋斜接管道的等效應(yīng)力分布如圖7 所示，提取5 組斜接內(nèi)夾角內(nèi)表面等效應(yīng)力沿周向分布如圖8所示。如同壓力爆破試驗(yàn)所揭示的規(guī)律，斜接內(nèi)夾角（12∶00）區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，且隨著斜接角度增大，斜接環(huán)焊縫內(nèi)夾角處應(yīng)力集中程度增大；該區(qū)域疊加裂紋缺陷后應(yīng)力集中程度進(jìn)一步加劇，將進(jìn)一步削弱管道的承載能力。

圖7 等效應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress cloud map

圖8 斜接內(nèi)夾角等效應(yīng)力沿周向分布圖Fig.8 Equivalent stress circumferential distribution diagram of the mitred girth weld internal angel

4 數(shù)據(jù)綜合對(duì)比分析

5 組斜接管道模型的理論計(jì)算、壓力試驗(yàn)及有限元模擬得到的失效壓力見表2。分別針對(duì)無缺陷斜接和含缺陷斜接的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖9 和圖10 所示，其中管體抗拉強(qiáng)度為實(shí)測值。

圖10 含缺陷斜接評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Fig.10 Comparison of assessment results of mitred pipe with defects

表2 5 組斜接管道模型的極限壓力Tab.2 Ultimate pressure of 5 groups of mitred pipe models

圖9 無缺陷斜接評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of assessment results of mitred pipe without defects

對(duì)比5°、10°和14°無缺陷斜接，采用標(biāo)準(zhǔn)按一次應(yīng)力評(píng)價(jià)結(jié)果最保守，而按二次應(yīng)力評(píng)價(jià)對(duì)于小角度斜接，計(jì)算得到的失效壓力會(huì)略高于試驗(yàn)爆破壓力和強(qiáng)度校核壓力，結(jié)果趨于冒進(jìn)；有限元模擬結(jié)果處于居中水平，極限壓力隨著斜接角度增大而減小。另外，試驗(yàn)爆破壓力與強(qiáng)度校核壓力相近且變化趨勢一致，再結(jié)合爆破口位置與形貌，可以看出：含斜接試驗(yàn)鋼管的失效還是由內(nèi)壓導(dǎo)致的環(huán)向應(yīng)力主導(dǎo)，但隨著斜接角度的增加，應(yīng)力集中效應(yīng)逐漸突顯。

對(duì)比0°含缺陷和5°含缺陷斜接，進(jìn)一步突出了斜接導(dǎo)致應(yīng)力集中的影響。采用標(biāo)準(zhǔn)分別按一次應(yīng)力和二次應(yīng)力評(píng)價(jià)，5°含缺陷斜接極限壓力均遠(yuǎn)小于試驗(yàn)爆破壓力，說明標(biāo)準(zhǔn)裂紋型缺陷評(píng)價(jià)方法具有較大的保守性。有限元分析由于采用的是單一失效判據(jù)，而缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力集中相較于斜接更加突出，為失效主要因素。因此，2 個(gè)模型計(jì)算結(jié)果相差不大，與試驗(yàn)爆破壓力趨勢一致。

對(duì)比5°無缺陷和5°含缺陷斜接，缺陷的存在使得試驗(yàn)鋼管失效位置從管體轉(zhuǎn)移至缺陷處，且有限元分析及標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估極限壓力均大幅減小，進(jìn)一步驗(yàn)證了在小角度斜接與一定尺寸的缺陷（尤其平面型缺陷）共同存在的情況下，缺陷可能會(huì)成為環(huán)焊縫失效的主要致因，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié)論

（1）無缺陷斜接在純內(nèi)壓作用下的失效由內(nèi)壓導(dǎo)致的環(huán)向應(yīng)力主導(dǎo)，但隨著斜接角度的增大，斜接環(huán)焊縫內(nèi)夾角處應(yīng)力集中程度明顯加劇，應(yīng)力集中效應(yīng)逐漸突顯。

（2）試驗(yàn)內(nèi)壓-應(yīng)變曲線顯示，10°斜接環(huán)焊縫達(dá)到屈服時(shí)（5 000 微應(yīng)變）的壓力與理論屈服壓力基本吻合，驗(yàn)證了API 579 和SY/T 6477 標(biāo)準(zhǔn)中斜接評(píng)價(jià)方法適用范圍（斜接角度不超過10°）的合理性。

（3）對(duì)于無缺陷斜接，推薦采用SY/T 6477—2017 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，并將斜接角度計(jì)算公式擴(kuò)展至非對(duì)稱斜接。斜接導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力作為一次應(yīng)力評(píng)價(jià)時(shí)結(jié)果偏保守，作為二次應(yīng)力評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)于小角度斜接結(jié)果偏于冒進(jìn)。

（4）斜接和缺陷的存在導(dǎo)致鋼管抵抗均勻變形能力及承壓能力下降。對(duì)于含缺陷（尤其平面型缺陷）斜接，當(dāng)斜接角度較小時(shí)，缺陷會(huì)成為環(huán)焊縫失效的主要致因。推薦采用BS 7910—2019 標(biāo)準(zhǔn)按裂紋評(píng)價(jià)，斜接導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力作為附加載荷考慮，無論作為一次應(yīng)力還是二次應(yīng)力，評(píng)價(jià)結(jié)果均偏于保守。