管道安全对焊管制造技术的新挑战

王晓香

（中国石油渤海石油装备制造有限公司研究院， 河北 青县062658）

改革开放以来， 我国油气需求急剧增长， 天然气表观消费量逐年攀升， 2018 年我国天然气表观消费量为2 833.09 亿m3， 同比增长18.34%；2019 年1—8 月累计消费量同比增长10.1%。 根据BP 的最新预测， 预计至2040 年我国天然气消费在一次能源中的占比将从7%增长至14%。

随着油气管道建设的飞速发展， 我国陆续建设了中哈、 漠大一/二线等原油管道和西气东输、川气东送、 陕京线以及中亚A/B/C 和中缅等天然气长输管道。 2006—2015 年， 我国累计新增油气长输管道6.47 万km， 其中， “十一五” 期间新增3.45 万km， “十二五” 期间新增3.02 万km。截至2018 年底， 我国累计建设油气长输管道13.6万km， 其中天然气管道累计达到7.9 万km，加上正在建设的中俄东线、 鄂安沧和新气南段，我国天然气管道里程将接近9 万km[1]。 随着我国油气长输管道网络的初步建成， 油气管道遍布全国， 管道安全问题也日益突出， 近年来发生了几起因管道断裂而引发的爆炸事故， 因此， 管道安全问题对焊管技术提出了新的挑战。

1 国内重大油气管道事故回顾

1.1 2013 年黄岛原油管道爆炸事故

2013 年11 月22 日， 位于黄岛的东黄输油管道原油泄漏现场发生爆炸。 事故发生的直接原因是： 管道腐蚀减薄破裂， 原油泄漏流入排水暗渠， 现场处置时产生撞击火花， 引发暗渠内油气爆炸。 该事故造成62 人遇难、 136 人受伤， 直接经济损失人民币75 172 万元， 15 名被告人被判处三年至五年不等的刑罚[2]。

1.2 2017 年晴隆天然气管道爆炸事故

2017 年7 月2 日， 中缅天然气管道 （X80钢级） 贵州晴隆沙子段由于持续强降雨引发边坡下陷侧滑， 从而挤断输气管道， 发生爆炸， 造成8 人死亡、 35 人受伤， 其中重伤8 人， 危重4 人[3]。

1.3 2018 年晴隆天然气管道第二次爆炸事故

2018 年6 月10 日， 中缅天然气管道 （X80钢级） 贵州晴隆沙子段K0975-100 m 处再次发生泄漏燃爆事故， 造成1 人死亡、 23 人受伤，直接经济损失人民币2 145 万元。 经调查， 直接原因是管道环焊缝脆性断裂导致管内天然气大量泄漏， 与空气混合形成爆炸性混合物， 大量冲出的天然气与管道断裂处强烈摩擦产生静电， 引发燃烧爆炸。 间接原因有： 施工单位违法分包， 对施工过程质量管理失控； 检测单位执行标准不严， 管理混乱； 监理公司未认真履行监理职责，对存在的问题失察等[4]。 该事故相关责任单位受到了严厉的行政处罚和依法处理， 并对35 名相关责任人作出了处理。

1.4 2019 年泰青威天然气管道破裂起火事故

2019 年3 月20 日， 泰青威天然气管道（X70钢级） 在山东省临朐县荒山山沟中破裂起火， 所幸未造成较大损失[5]。

以上油气管道事故除黄岛管道外， 均为高强度天然气管道环焊缝断裂失效引发的恶性事故，造成了严重的人身伤亡和财产损失。

2 国外高钢级管道环焊缝失效案例及研究结果

2.1 美国高钢级管道环焊缝失效案例

高钢级管道环焊缝失效问题在10 年前就引起了美国管道行业的高度重视。 2008―2009 年， 美国在管道建设试压过程中发生了多次高钢级管道环焊缝开裂事件。 随后美国管道和危险物品安全管理署 （PHMSA） 发布了两份公告， 一是要求在钢管制造过程中， 严格控制管材化学成分、 屈服强度和抗拉强度， 缩小材料成分及性能波动范围（ADB-09-01 公告）； 二是要求在管道安装过程中， 优化不等厚接头设计、 减少错边量、 严格进行焊接及检测过程质量控制、 减少组对及焊接残余应力等（ADB-10-03 公告）。

在采取上述措施后， 美国新建高钢级管道环焊缝失效事件仍不断发生。 比如， 2014―2015 年，美国发生典型管道环焊缝失效事故6 起， 其中4 起发生在服役初期， 2 起发生在水压试验期间。 从焊接方式来看， 2 起为高频电阻焊钢管， 4 起为螺旋缝埋弧焊钢管； 从钢管材质来看， 1 起材质为X52， 4 起为X70， 1 起为X70―X80 过渡焊。X70 管道的4 起失效焊口全部采用手工电弧焊焊接， X70―X80 过渡失效焊口为药芯焊丝填充和盖面焊接[6]。

2.2 失效事故的共同特征及原因分析

上述6 起失效事故具有以下共同特征： ①其中5 起不存在焊接缺陷； ②钢管化学成分、 强度符合要求； ③组对、 焊接及检测符合API 1104—2013 要求； ④由于地面沉降等因素， 导致管道普遍存在弯曲载荷； ⑤焊缝拉伸强度和韧性符合要求， 失效为塑性断裂而非脆性断裂。

目前分析认为， 这6 起事故失效的原因主要与焊缝低强匹配、 热影响区软化和局部附加载荷有关。 主要理由有： ①在ADB-09-01 公告后，钢管制造企业严格控制管材屈服强度值的波动范围， 实际管材屈服强度更接近标准规定上限， 导致真实管材屈服强度远高于最小屈服强度， 造成实际环焊缝为低强匹配； ②钢管制造采用低合金化， 主要依靠控轧控冷技术来保证管材强度， 这导致焊缝热影响区氢致开裂敏感性降低、 热影响区软化敏感性增加； ③在管道实际建造和运行过程中， 普遍存在轴向应力[6]。

2.3 高钢级管道环焊缝研究进展及初步结论

美国管道行业19 家单位启动工业联合研究项目 （JIP）， 旨在解决高钢级管道焊接问题， 完善规范标准， 为高钢级管道工程应用提供支持。 国际管道联合会也加大研究力度， 针对高钢级管道拟重新制定拉伸强度测试标准、重新制定屈服强度取值定义、 完善焊接缺陷的评价方法等， 希望从技术上降低环焊缝失效的风险[6]。

初步研究表明[6]： 现行钢管制造标准 （API 5L） 和现场焊接标准 （API 1104） 不能保证真实环焊缝具有良好的塑性； 管材实际强度过高， 导致真实焊接接头为低强匹配， 环焊缝成为最薄弱环节； 要系统考虑管材炼钢、 钢管制造、 焊接方法及工艺评定以及管道设计、 安装及服役条件一致性等诸多因素对管道最终真实性能和安全性的影响。

3 我国应对高钢级管道环焊缝问题的措施

我国管道行业已经认识到国内高钢级管道环焊缝焊接及检测方面存在的不足以及解决问题的紧迫性， 国务院批示， 要求市场监管总局牵头开展高钢级天然气输送管道焊接及检测标准研究。目前市场监管总局委托中国特检院牵头， 联合高校、 研究院所和中石油、 中石化、 中海油等相关单位， 组建联合研究项目组， 编制专项研究方案， 启动了相关研究工作[6]。

3.1 总体要求

（1） 开展联合攻关， 加快高钢级管道强度匹配、 焊接及检测、 基于应变的断裂评价等方面的研究工作， 揭示失效机理及主要影响因素， 优化焊接及检测工艺， 完善焊接、 缺陷评定、 质量管控相关标准规范。

（2） 针对在役高钢级管道， 进行规模空前的风险辨识和风险评估， 按照风险评估结果， 有序开展环焊缝隐患排查。

（3） 对高风险部位加强地质灾害管理、 应力分析和应力监测， 同时结合高后果区管理等要求， 提升风险管控和应急处置能力， 防范重特大事故发生[6]。

（4） 对新建高钢级管道工程， 要按照全生命周期完整性管理的思路， 从规划设计、 管材制造、 焊接工艺、 焊接过程控制、 无损检测、 施工与设计一致性等方面进行优化和控制， 切实提升管道本质安全水平。

（5） 对于高钢级管材等新材料、 新工艺的使用， 要求按照 《特种设备安全法》 要求， 由监管部门组织， 经技术评审合格后， 方可投入生产和使用。

以上是国家特种设备安全主管部门提出的总体应对策略， 大范围的排查和数据分析评价也需要一定的时间。 但有关管道公司的技术主管单位已经针对环焊缝安全这一主要问题开始了行动，对现有在建管道工程的技术规范进行了修改， 对管材标准的一些指标提出了更严格的要求， 因此， 焊管制造企业将面临着新的挑战。

3.2 针对中俄东线天然气管道采取的应对措施

（1） 对中俄东线北段裸露的站场管及管件、弯管提出了-45 ℃低温冲击韧性的要求， 线路管DWTT 试验温度改为-5 ℃。

（2） 考虑到存在LNG 接入导致的低温要求，南段高后果地区Φ1 422 mm 线路管设计壁厚达到32.1 mm， 且要求DWTT 试验温度为-5 ℃，弯管壁厚为35.2 mm， 母管壁厚已接近JCOE 机组能力的极限。

（3） 管材标准对管线钢实行严格的窄范围化学成分控制， 增加了钢管纵向拉伸要求， 并有进一步严格控制的趋势。

（4） 全线绝大多数地段采用全自动环缝焊接工艺、 全自动超声波探伤， 对钢管管端尺寸 （管径、 圆度） 提出了更高的要求， 也有进一步严格控制的趋势。

国家管网公司成立后， 这些措施将进一步强化， 并推广到其他干线天然气管道项目， 成为普遍要求， 焊管企业必须提前做好技术准备。

3.3 管道公司针对在役高钢级管道采取的措施

（1） 针对在役高钢级管道， 进行风险辨识和风险评估， 按照风险评估结果， 有序开展环焊缝隐患排查。

（2） 对高风险部位加强地质灾害管理、 应力分析和应力监测， 同时结合高后果区管理等要求， 提升风险管控和应急处置能力， 防范重特大事故发生。

（3） 在采用高分辨率弱磁内检测器对在役管道进行大范围排查时， 发现了大量缺欠和隐患，特别是钢管的内表面缺陷和内部分层显示， 有些已经到了急需处置的程度。 例如在某西气东输管道的内检测中， 发现了延伸到螺旋焊管内表面的大面积分层。

4 我国管道制造技术面临的新挑战

4.1 超大壁厚管道对机组能力的挑战

随着中俄东线天然气管道向南延伸， 逐渐进入人口密度大的三、 四级地区， 管道设计系数降低， 导致钢管、 弯管等的设计壁厚增大。 如南段高后果地区Φ1 422 mm 线路管的设计壁厚达到32.1 mm， 但考虑与LNG 接收站的调峰调度要求，DWTT 试验温度仍然要求为-5 ℃， 相应的感应加热弯管的壁厚需达到35.2 mm， 其母管壁厚已接近直缝焊管机组成型能力的极限； 而西部地区拟通过长距离无人区的天然气管道， 由于中间不设压气站， 为了保证末端压力， 就必须提高首个压气站的出口压力， 有些类似北溪管道的工况[7]， 可能导致X80 钢级Φ1 422 mm 线路管的设计壁厚达到38.5 mm， 如果有弯管， 则其壁厚更大。 这些要求对于钢厂和制管企业的机组能力都是严峻的考验。

对于钢厂， 生产厚度接近40 mm 的X80宽幅钢板， 除了保证板型和强度范围外， 还要保证DWTT 性能， 特别是当钢管DWTT 试验温度为-5 ℃时， 钢板的试验温度可能要求低至-15 ℃，甚至-20 ℃， 生产难度很大。

对于制管企业， 我国的JCOE 机组生产X80钢级钢管的最大设计能力是板厚40 mm， 预弯、成型和扩径机的能力都面临极限挑战， 而UOE机组的成型能力也到了极限。 同时， 厚壁钢管的焊接难度显著增大， 不仅要保证无未焊透、 咬边等缺陷， 还要在大线能量焊接条件下保证焊缝和热影响区韧性， 防止热影响区软化， 这对于钢厂和制管企业都形成了巨大的挑战。

4.2 钢管力学性能与管端尺寸的挑战

为了保证高强度钢管环焊缝实现理想的强度匹配， 需要严格控制钢管的强度和偏差范围， 有些国外油气公司的企业标准要求强度偏差范围为120 MPa， 甚至100 MPa 或更严。 对于螺旋焊管， 卷板的各向异性造成钢管纵向强度往往高于横向， 而直缝焊管的形变强化和应变时效往往导致钢管强度升高， 控制难度加大。

厚板焊接熔合线的冲击韧性可能较低。 在中俄东线管材数据单中增加了“首批检验和首批出证试验时， 应在管体焊缝熔合线位置增加一组取样， 即热影响区夏比冲击试样V 形缺口通过熔合线（如图1 所示）， 试验温度-30 ℃” 的要求。 虽然目前试验结果不作为钢管验收指标， 但要求提交试验报告， 将来或纳入钢管标准的强制性要求。

图1 中俄东线管材数据单增加的焊缝熔合线取样位置

目前中俄东线全线采用了环焊缝全自动焊和全自动超声波探伤， 尽管技术条件对管端尺寸的要求已经很高， 与国际先进标准相比毫不逊色，甚至某些指标还有所提高， 但施工单位仍强烈要求进一步严格控制， 特别是对于管端的直径和圆度、 近焊缝区的撅嘴等的改进。

4.3 无损检测方面的挑战

螺旋埋弧焊管用的热轧卷板在钢厂无法探伤，而制管企业的管体探伤设备扫查面积达不到100%， 一旦有超标分层缺陷漏检， 只有在现场内检测时才可能被发现， 从而造成被迫换管。 直缝埋弧焊管用的宽厚板虽然可以在钢厂实现100%的分层探伤， 但在制管企业制管后的管体缺陷缺乏有效的检测手段。 例如， 在某企业制管时曾在内涂层抛丸后发现大批量的内表面分层、 重皮等缺陷（如图2 所示）， 问题管比例超过20%， 由于对此缺陷尚无有效检测手段， 因此被迫全部封存。

图2 制管过程中发现的母材表面缺陷

服役管道被迫换管时不仅要停输， 而且要放空两端阀室之间数十千米管道中的天然气， 再用氮气置换， 直接损失达上千万元。 同时， 管道公司强烈要求实现100%管体检测， 否则可能影响螺旋埋弧焊管的应用。 另外， 厚壁钢管焊接缺陷的漏检风险加大， 特别是需要加强对横向裂纹的检测。

5 结 论

（1） 随着我国油气长输管网的飞速发展， 管道安全问题也日益突出， 近年来几起管道断裂引发爆炸事故的发生， 对焊管技术提出了新的挑战。

（2） 我国管道行业已经认识到国内高钢级管道安全方面存在的不足和解决问题的紧迫性， 目前高钢级天然气输送管道安全问题的联合研究工作已全面开展， 既有管道的风险排查力度空前。

（3） 对于焊管企业来说， 面对越来越高的技术要求， 首先要绝对保证钢管本身的结构完整性，无论是母材、 焊缝和热影响区都不允许出现超标缺陷， 对于不超标的缺陷也要尽量减少， 这就要求焊管企业制定严格的内控保证， 在出现尚未超标的缺欠前发出预警， 提前消除隐患。 特别是焊管企业的无损探伤设备还存在短板， 如螺旋焊管母材的探伤覆盖面积还达不到100%， 亟待提高。

（4） 面临极限规格的生产， 要对关键设备进行改进、 补强、 加固等措施， 通过有限元分析，优化工艺参数， 保证工序能力。

（5） 对于厚壁钢管的焊接工艺还要进一步研究， 特别是对横向裂纹缺陷的发生机理和检测手段的研究， 优化焊接工艺和检测工艺， 可以学习和借鉴现场施工使用的相控阵探伤原理， 提高管端焊缝的无损检测水平。

（6） 焊管企业要积极配合环焊缝焊接的改进工作， 对于环焊缝工艺改进提出的要求， 如强度范围、 尺寸配合等尽量予以配合。