近距离爆破开挖管沟对已建并行管道环焊缝缺欠的影响研究

赵 岩，周亚薇，赵 珍

1.中国石油天然气管道通信电力工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊 065000

3.廊坊市图书馆，河北廊坊 065000

对于石方地段不同时期建设的并行管道，后建管道如果采用爆破方式开挖管沟，则可能会影响已建管道的安全。根据有关标准规定，当后建管道爆破施工时通常应控制并行间距在20 m以上，且控制爆破产生的质点峰值振动速度在14 cm/s以内，以消除安全隐患。但在实际管道建设中，由于受地形、地物或规划等因素限制，管道并行间距常常无法满足20 m并行净距；且由于受沿线地质条件及环境因素等影响，往往需要采用爆破方式开挖管沟。此外，在已建管道现场环焊缝的焊接过程中不可避免地会保留焊接缺欠；而在运行阶段，环焊缝缺欠可能会受到由内压、地面移动、悬空和热应力等载荷带来的轴向应力和弯曲应力作用，随着应力的波动或载荷的变化，建设期存在的缺欠可能进一步增长。因此，当采用爆破方式开挖近距离并行管沟时，应在控制振动速度的基础上，采取定量计算，科学合理地评价近距离并行管道爆破施工对已建管道环焊缝缺欠的影响，从而为已建管道环焊缝缺欠的维修提出指导意见，并为并行管道爆破施工提供安全保障[1-2]。

1 概述

为避免沿线林区过度砍伐，中俄原油管道二线工程（漠大二线） 与已建中俄原油管道漠河—大庆段（漠大线，管道基本情况见表1） 并行敷设间距确定为10 m。根据漠大二线的初勘资料，全线约1/2路由途经地区为石方或冻土地段，岩石多为全风化～强风化的砂岩和花岗岩，主要石方分布范围内依次设置漠河站、塔河站、加格达奇站和讷河站。为了缩短工期，并降低施工难度，漠大二线将采用爆破方式进行石方段或冻土段管沟开挖。并行净距小于20 m的管沟爆破开挖在国内管道建设中尚属首次。

表1 漠大线管道基本情况

本文结合漠大线的设计参数和实际运行情况，在管道组合应力分析的基础上，采用双重环焊缝缺欠评估法，即通过直接评估和工程临界评估两个步骤，确定在执行漠大二线的石方爆破施工方案情况下，漠大线全线环焊缝缺欠的安全可靠程度，并提出缺陷的维修意见，指导管沟爆破施工。

2 管道应力分析

正常运行情况下，埋地管道所受的荷载主要为管道内压力、土壤约束力和温差导致的热膨胀作用力，以及应变等引起的弯曲应力等。对于与漠大二线爆破施工段并行的漠大线，除上述应力外，还将受到岩土爆破产生的爆破应力的作用。

2.1 爆破应力

假设爆破采用毫秒级延时爆破，则将其视为点源爆破。PRCI（国际管道研究协会） 于1975年资助SWRI（美国西南研究院）针对埋地爆破对管道的影响开展了较为系统的研究，特别是小于30 m的情况。SWRI通过收集已有爆破试验数据，并补充完成了103组模拟和全尺寸试验，分别按点源、线源和网格源分类提出了计算爆破导致的质点峰值振速和位移，以及环向和轴向应力的经验公式[3-4]，其中点源爆破的质点峰值振速按式（1）计算：

式中：U为质点峰值振速，cm/s；c为冲击波在介质中的传播速度，cm/s；P0为大气压强，MPa；ρ为土体或岩石的密度，g/cm3；We为爆破药量，kg；R为爆破距离，m；h为管道壁厚，mm。

为简化计算，认为爆破引起的环向和轴向应力同时达到最大，采用式（2） 计算：

式中：σ为环向或轴向应力，MPa；E为钢管的弹性模量，MPa；n为炸药的当量值，常数；W为爆破药量的能量值，J。

根据漠大二线的石方爆破方案，爆破距离为10 m，允许的爆破振动速度为10 cm/s。针对漠大线的壁厚规格11.0、12.5、14.2、16.0、17.5 mm，先采用式（1） 根据允许的质点峰值振动速度确定单次爆破药量，再采用式（2） 计算爆破引起的附加轴向荷载，结果见表2。

表2 漠大二线爆破对漠大线产生的爆破应力

2.2 组合应力

统计分析漠大线的历史运行压力，通过相同月份的出站最高压力来确定管道内压，同时结合实际监测的管道沿线压力曲线，避免高程对压力的影响，分别确定不同设计工况下环焊缝所承受的由内压而引起的轴向应力；统计分析漠大线的历史运行温度，通过相同月份的最低出站温度确定运行温度，出于保守考虑，采用安装最高温度和运行最低温度计算不同设计工况下环焊缝所承受的由温差而引起的轴向应力；按照GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》 中规定的内压应力和温差应力的计算方法进行计算，得到漠大线环焊缝所承受的由内压和温差而引起的轴向应力结果，见表3。

对于应变引起的弯曲应力，根据惯性测量单元IMU监测的结果，管道环焊缝处的水平应变和垂直应变在不同时间段内的相应值变化不大，应变值均能控制在0.1%范围内，管道整体保持稳定水平。出于保守考虑，将管道应变统一按照0.1%考虑，则焊口处的弯曲应力Pb=0.1%×2.06×105=206（MPa）。

将内压引起的轴向应力、温差引起的轴向应力、弯曲应力和爆破应力统筹考虑为一次薄膜应力，参与环焊缝的工程临界评估计算，得到各个管段不同设计工况的组合应力计算结果，见表3。

表3 漠大二线管道轴向应力水平

3 环焊缝缺欠特征

管道环焊缝缺欠可以分为体积型和平面型两类。体积型主要包括夹渣、气孔、表面凹坑等，平面型主要包括裂纹、未熔合、未焊透以及存在尖锐夹角的咬边等。两类缺欠相比，裂纹、未熔合等平面型缺欠更容易造成环缝断裂失效[5-8]。本次无损检测检出的环焊缝异常多为咬边，且无相邻缺欠。因此，假定管道环焊缝缺欠均按内表面平面型缺欠考虑，如图1所示。

采用高精度漏磁内检测器对漠大线全线进行环焊缝无损检测，结果显示漠河站—塔河站环焊缝缺欠128处、塔河站—加格达奇站环焊缝缺欠132处、加格达奇站—讷河站环焊缝缺欠693处。经过数据分析，管道环焊缝大部分检出缺欠尺寸均分布在30%壁厚的高度和400 mm的长度范围内，全部环焊缝缺欠高度均未超过50%壁厚，见图2。

图1 圆周方向的内表面缺欠

图2 环焊缝异常尺寸分布

4 环焊缝缺欠评估

对于管道环焊缝的缺欠评估，管道缺欠评价手册（PipelineDefectAssessmentManual，简称PDAM）推荐首先采用由欧洲管道研究协会（European Pipeline Research Group，简称EPRG） 研究得到的EPRG指南。EPRG指南分为3个等级的评估，包含了基于施工标准规范制定的验收准则和基于适应性分析原理制定的缺欠可接受极限。其中，等级1根据焊接验收标准规定缺欠的可接受尺寸；等级2和等级3基于适用性原理制定缺欠的尺寸极限，等级2和等级3规定的可接受尺寸要大于标准规范的要求。对于不满足标准规范或者EPRG指南中规定的缺欠验收准则的环焊缝缺欠，采用BS 7910规定的流程进行工程临界评估（Engineering Critical Assessment，简称ECA）[9-12]。为了确定并行管道近距离爆破施工对在役漠大线环焊缝的安全影响，特结合PDAM的评估流程制定了包含直接评估和工程临界评估的双重环焊缝缺欠评估法。

4.1 直接评估

根据PDAM规定的缺欠可接受准则（见表4），将检测到的环焊缝缺欠按照缺欠高度分为4类。以此为原则进行环焊缝缺欠的直接评估。以塔河站—加格达奇站的管段为例，评估不合格的缺欠总数共计778个。

表4 单个平面缺欠的可接受极限尺寸

4.2 工程临界评估 （ECA）

针对直接评估不合格的缺欠，开展基于BS 7910的ECA评估，以确定其在特定运行工况和载荷作用下环焊缝的安全可靠性。工程临界评估方法以断裂力学原理为基础，是一种以失效评估图（Failure Assessment Diagram，简称FAD） 为依据展开的适用性评价方法。失效评估图通过应力分析和材料分析，将断裂韧性比和载荷比作为失效评估图的两个重要决定性因素。FAD图上有两条分界线，一条是失效评定曲线，为弹塑性断裂评定准则；另一条是以Lr=Lr（max）为边界的截止线，是塑性破坏评定准则。对于含缺欠结构的给定状态，通过计算相应的韧性比Kr和载荷比Lr，得到FAD中的评价点A（Lr，Kr）。如果评价点A落在边界线之内，则该结构状态是安全的；否则，结构不安全 （ 见图3）[13-16]。

针对不同管段的设计工况，结合焊口处确定的组合应力水平分析结果，针对每一个待评估缺欠分别计算其参考应力、断裂韧性、韧性比、载荷比以及Lr截止线 （Lr，max）， 通过绘制FAD图进行基于断裂力学的工程临界评估。对塔河站—加格达奇站的管段评估结果显示，直接评估不合格的778个环焊缝缺欠中，仍有211个环焊缝评价点位于FAD的边界线之外，即不安全区域（见图4、表5），这些点被认为ECA评估不合格。

图3 含缺欠金属结构失效评价原理示意

图4 环焊缝缺欠的工程临界评估

表5 ECA评估不合格的环焊缝缺欠数量

4.3 缺欠再评估

由于上述ECA评估过程中，选用的组合应力在确定过程中均为保守取值，尤其是弯曲应力计算时将管道应变统一按照0.1%取值，可能导致最终的轴向组合应力过于保守，从而使得未通过上述ECA评估的缺欠样本量较大。因此，针对未能通过上述ECA评估的211个环焊缝评价点，分别查找对应的实际IMU应变监测值，调整弯曲应力及组合应力后，对环焊缝评价点进行缺欠再评价。

采用与上述ECA评估相同的流程，在漠河站—塔河站、塔河站—加格达奇站和加格达奇站—讷河站管段分别使用焊口实际应变值进行环焊缝缺欠的再评估时，各焊口处的弯曲应力显著降低。通过绘制FAD图，初次未通过ECA评估的211个环焊缝缺欠中，3个管段分别有4个、7个和5个点位于FAD的不安全区域内（见图5），图例中点号即为对应的焊口编号。

图5 漠大线环焊缝缺欠再评估FAD图

由此，结合漠大二线管沟爆破条件下作用于漠大线环焊缝的组合应力分析，通过漠大线环焊缝的直接评估和工程临界评估，包括采用真实应变监测值开展的ECA再评估等缺欠评估，结果认为，当漠大二线管沟爆破施工时，位于再评估FAD不安全区域内的16道漠大线焊口的安全性不符合基于断裂力学的工程临界评判标准，需要采取措施，以防止施工过程中管道失效事故的发生。

5 结论及建议

通过对内压、温差引起的轴向应力，应变引起的弯曲应力和允许的爆破振动速度条件下爆破应力等载荷水平分析，根据PDAM制定基于断裂力学的包括直接评估和适用性评估的双重环焊缝缺欠评估法。在一系列科学的计算分析基础之上，认为漠大二线石方段爆破施工将对漠大线漠河站—讷河站管段16处环焊缝产生安全威胁。由此，明确了漠大二线近距离管沟爆破施工对漠大线环焊缝缺欠的安全影响，为漠大线环焊缝缺欠的维修提出了指导性意见，也为国内首条近距离爆破施工的漠大二线管道提供了技术保障。对于存在安全隐患的16道焊口，建议开挖核实焊口缺欠，采用RT或UT等无损检测方法进一步查清缺陷的类型和尺寸，进一步评估其安全可靠性；或在施工中加强关注，进一步限定爆破振动速度或采用非爆破作业开挖管沟方式施工。