高强钢管道环焊缝风险排查技术浅析

燕冰川

(中国石油管道分公司 河北 廊坊 065000)

0 引 言

2008～2009年，美国发生多起X70、X80管道试压或运行过程中的环焊缝失效。2010年，美国管道和危险材料安全管理局(PHMSA)发布的78号公告《管道安全：由于不平滑过渡、错边、焊接操作不当造成的大口径管道环焊缝质量问题》指出，管道环焊缝失效多与变壁厚、错边、焊接操作不当、外部载荷等因素有关，要求管道运营商针对近几年新建的大口径天然气、危险液体管道，重视可能由于焊接质量导致的环焊缝失效。2003～2018年，国内也发生多起高钢级管道环焊缝失效事件，以X70钢和X80钢管道为主，焊口多为变壁厚、返修口或连头口，断口特征多为脆性，原因常与建设期质量管控相关。 统计分析显示，环焊缝缺陷、外部载荷作用、焊缝力学性能不达标是导致环焊缝开裂失效的主要因素。

环焊缝失效后果严重，已成为威胁管道安全运行的一个重要因素。目前，国内部分管道企业开展了安全质量风险排查，取得了一些进展，消除了一些安全隐患，但受限于检测评价等技术瓶颈，管道环焊缝失效风险依然存在。本文从与环焊缝失效相关的缺陷检测、力学性能分析、载荷校核等方面，展开分析综述，旨在为下一步工作开展提供技术支持。

1 环焊缝检测技术

目前，环焊缝风险排查的核心工作主要是焊接质量排查，主要从环焊缝缺陷的识别判定入手。 通过原有X射线底片复评与内检测信号复核为主要技术手段，辅以部分特征焊口的抽查来确定开挖点，并通过开挖复检(外观宏观检查、X射线检测、超声相控阵+TOFD等)来进行验证。

1.1 基于射线底片的焊缝缺陷识别判定

基于射线底片的焊缝缺陷识别判定通过组织无损检测专业技术人员，按照工程建设期间管道安装和无损检测标准，对底片(AUT扫查图)进行复核，分析质量隐患，给出处置建议，同时记录底片上制管焊缝与环焊缝交点的位置和间距。底片复核发现错漏评超标缺陷的不合格焊口、底片复核发现疑似缺陷建议复拍的焊口，按照100%比例开挖验证，优先开挖高后果区、高风险段、地灾管段的存疑焊口。

该方法具有如下技术局限性：1)不能100%检测出焊缝缺陷。2)底片复评与现场无损检测结果存在不一致。3)底片发黄、缺失、不清楚、销毁、公片等影响底片复评效果。4)改线或割口后底片资料未更新等会造成无法开展评定。5)无法识别高应力风险焊缝和性能不达标焊缝。6)未作内检测且缺失施工记录的管道，缺少可用于现场环焊缝定位的参考信息。7)无法识别延迟裂纹或可能在运行中扩展的缺陷，且受射线底片后期保存质量的影响也较大[1]。

排查发现的含裂纹焊口中，部分原底片复评时没有发现裂纹。分析表明裂纹多萌生于未熔合、根部过渡不光滑等容易应力集中的位置，需要进一步分析裂纹是否随运行时间的延长发生扩展。裂纹是否扩展及扩展速率直接影响高强钢管道安全运行寿命，以及下一步风险管控措施。

1.2 基于内检测的焊缝缺陷识别判定

环焊缝缺陷类型很多(未焊满、未焊透、气孔、夹渣、未熔合、裂纹、咬边等)，分类及定量非常困难，单一检测信号无法对缺陷进行分类；外观形貌不规则(现场焊接特征各异)，检测适应性要求高；检测窗口短(焊缝宽度10～20 mm，检测器速度1～3 m/s，无法像外部无损检测那样进行多次扫查)；载荷变化和材料性能影响因素多，检测表征特点不突出。

中国石油管道公司系统开展的基于高精度漏磁内检测的环焊缝识别与判定技术，提出了基于高精度漏磁内检测的环焊缝缺陷识别、判定与分类方法，异常信号特征分类示意图如图1所示，基本解决了环焊缝体积型缺陷和具有一定开口宽度未熔合、未焊透缺陷的识别与判定技术难题。基于环焊缝缺陷信号特征的形貌、强度、位置等信息，将环焊缝缺陷划分为4种类型的信号：“1”为焊道未焊满、过度打磨以及严重未熔合、未焊透等；“2”为焊缝未熔合、未焊透等；“3”为焊缝内凹、盖帽金属损失等；“4”为侧壁过度打磨、较大错边或咬边等。根据环焊缝异常分类情况并结合环焊缝异常信号幅值和尺寸信息，将环焊缝异常分为I(轻微)、II(较严重)、III(严重)3级。研究分析与现场应用实践表明，漏磁内检测仍然是工程上识别在役管道环焊缝异常最有效的技术手段之一。

图1 异常信号特征分类示意图

由于漏磁内检测技术的局限性，其仅对体积型缺陷(包括存在一定金属损失的焊缝缺陷)较敏感，还存在难以有效识别较小开口宽度的焊缝裂纹、未熔合与未焊透等缺陷的问题，以及壁厚变化处信号突变引起的误判等问题。同时国内外可提供漏磁内检测技术服务厂商较多，各家检测器检测精度与置信度存在一定差别，对环焊缝异常识别的模型和能力存在差异，管道运营商出于经济性考虑，选用的检测器精度也有所不同，一定程度会影响通过漏磁内检测器识别判定环焊缝缺陷的作用和效果[2]。

国外Rosen公司提出了使用超高清漏磁、超声裂纹及电磁超声裂纹检测油气管道环焊缝裂纹的检测方案。BHGE PII公司开展了超声裂纹内检测器用于环焊缝缺陷检测的性能研究。目前业内超声裂纹检测设备绝大部分是用于轴向裂纹型缺陷，环焊缝内检测技术发展较为缓慢。国内某公司曾与PII合作进行了环焊缝超声波裂纹内检测适用性研究，并在某管道进行了现场试验。牵引试验表明，环向超声波内检测技术可以有效探测人工预制的规则环焊缝裂纹。但实际管道中应用受到现场环焊缝成型不规则，余高不均、排焊、返修等影响，以及数据分析模型缺少大量真实缺陷样本支撑，该技术对于缺陷类型分类、量化以及内外部区分还存在较大误差。

2 应力检测与分析技术

据统计，2001～2019年的23起环焊缝失效事件中，除1起为试压过程中实际失效压力(13.3 MPa)高于设计压力(10 MPa)外，22起的实际失效压力均低于设计压力。 对某管道6道割口环焊缝进行静水压爆破实验，爆破压力(20.78 MPa至21.45 MPa)均高于设计压力(12 MPa)。内压不是引起环焊缝事故的主要原因，但现有检测技术还很难发现外部载荷与结构设计不合理导致的全部应力集中点。

管道应力的在线检测主要分为内检测、非接触式外检测两种方式。内检测技术方面，目前国内外管道内检测技术都是以检测腐蚀、裂纹等宏观缺陷为目的，对应力集中的在线内检测开展的研究较少。目前各管道运营单位对管道应力应变内检测普遍采用的方法是在几何内检测器上搭载惯性测量单元(IMU)的方式测量管道中心线，然后通过数值算法解算管道弯曲应变。但IMU检测仅能得到管道弯曲应变，而管道轴向应力特别是轴向拉应力才是导致管道环焊缝失效的主要因素[3]。交变电磁场应力检测技术可利用铁磁材料的磁致伸缩效应进行轴向应力检测，Baker Hughes与Eddyfi公司联合研制了一种用于管道轴向应力内检测的专用探头，并已经用于前者的实际检测项目中，但在国内还未开展应用，效果有待进一步分析验证。

非接触式应力检测是指在不开挖的情况下，使用无损检测设备沿着管道路由检测管道应力集中管段，也有公司利用此技术进行管道缺陷、打孔盗油阀门及环焊缝定位的检测。技术上多采用基于磁记忆原理的磁力层析技术，这是一种发展历程较短的新兴技术，尚处于起步阶段，还存在灵敏度低、对应力只能定性检测等问题。还需要在传感器灵敏度提高、仪器稳定性提高和应力量化方法上开展进一步研究。

通过有限元模型进行载荷分析也是一种思路和方法，结合典型管段特征，基于管道设计所考虑的基本载荷范围，抽象建立管段仿真分析模型。基于土弹簧模型处理管土相互作用，考虑不同管道基本情况(走向、约束、锚固等)、不同土体情况(埋深、内聚力、内摩擦角、密度)、开展不同内压、温差作用下的管-土耦合结构有限元分析，研究管道轴向力分布。必要时，考虑土体位移、非均匀沉降等导致的管线附加轴向力的分布特征，确定相关异常条件下的管线轴向载荷。

管道环焊缝变壁厚、连头口、返修口是应力集中的关键特征焊口，在失效焊口中占比较高。可基于已有检测结果和失效案例，建立含错边的不等厚直管对焊管段在轴向载荷作用下的应力分析模型，在材料均匀性、各向同性假设条件下，开展不同壁厚、不同错边量组合下的三维实体单元线弹性有限元结构应力分析[4]。同时，基于不等厚对接接头存在比较严重的内表面沟槽(类面型缺陷)，研究环焊缝焊趾位置局部几何不连续导致的应力集中，确定对接接头部位的局部应力分布和表征取值方法。

3 环焊缝力学性能分析

焊接工艺重现性不好和现场执行焊接工艺不严格，环焊缝存在冲击功分布离散且部分点位不达标的问题，投运后很难进行在线检测。加拿大学者采用熔化极气体保护焊工艺，实验室研究了过强匹配、等强匹配、低强匹配等3种环焊缝试样的拉伸变形行为。过强匹配和等强匹配条件下，断裂发生在母材。低强匹配条件下，断裂发生在环焊缝。部分管道环焊缝相对于管体低强匹配及热影响区软化，容易导致环焊缝应变集中而失效。

高压输气管道最重要的材料性能为强度和韧性特别是断裂韧性和止裂性能，药芯半自动焊接(FCAW)接头的冲击韧性离散性极大，其主要原因可能是：1)高Al的石墨化作用，导致MA数量显著增加； 2)高的N含量，且以间隙固溶方式存在，导致韧性波动。管材及焊材成分对于焊缝以及相邻热影响区性能波动影响极大[5]。鉴于焊缝性能无法在线检测，建议对于已建高强钢管道，根据焊材及母材成分，结合焊接工艺，预测韧性等力学性能，对母材、焊材成分、焊接工艺不同的管道，基于焊缝力学性能进行风险排序，更好地指导环焊缝风险排查工作，弥补目前风险排查主要基于缺陷排查的技术局限性[6]。对于焊缝力学性能风险高的管道，开展进一步的性能测试评估，评价管道服役的安全可靠性。

4 结论及建议

环焊缝失效是缺陷、载荷、材料性能多因素耦合共同作用的结果，环焊缝射线底片识别复核+漏磁内检测信号复核仍是目前工程上排查环焊缝缺陷最可行的技术手段。环焊缝韧性分布离散且部分点位不达标，低强匹配及热影响区软化容易导致环焊缝应变集中而失效。内压不是引起环焊缝事故的主要原因，外部载荷与结构设计不合理是导致焊缝失效的重要原因。在总结目前环焊缝风险排查治理工作及前期大量技术调研的基础上，提出三方面建议：

1)加大力量，开展变壁厚、连头口、返修口等特征口对管道环焊缝失效影响的研究，解决目前对于特征口失效概率高但失效机理不明的难题，减少焊缝失效的发生概率。

2)加快推进环焊缝检测技术攻关及应用，集中行业力量解决管道环焊缝裂纹型缺陷和轴向应力检测难题。

3)建立基于环焊缝缺陷和IMU检测弯曲应变的综合评价方法，开展高附加应力管段环焊缝风险评估排序。通过IMU中心线检测，筛选管道存在较大弯曲应变区域，对区域内环焊缝缺陷点制定管控措施。研究建立焊缝力学性能波动大、强度低匹配情况下管道环焊缝的完整性评价方法。