油气输送管道环焊缝失效原因分析及预防

0 前 言

管道运输作为油气输送主要运输方式之一，在我国能源发展中发挥着重要的作用。 我国油气管道在 “十一五” 至 “十三五” 期间发展迅速，建成了西气东输二线、 三线、 中亚管线、 中俄管线、 中缅管线、 陕京四线等油气战略通道。 此外， 油气田集输管网和城市燃气管网的管道长度约几十万千米， 也是油气管道的重要组成部分

。近年来， 随着油气输送管网的建设运行， 管线的失效事故频繁发生。 失效控制是从技术层面上保障油气管道安全运行的重要措施之一， 目前， 我国失效控制意识相对比较淡薄， 将失效控制和完整性管理综合起来， 可以最大限度地杜绝油气管道恶性事故的发生， 全方位保障油气管道的安全运行

。 在油气输送管线中， 环焊缝与管体相比， 所占份额虽然较少， 但环焊缝作为管体对接的接头焊缝， 是连接油气管道的关键组成部分，由于环焊缝各部分力学性能存在差异， 焊接结构的稳定性会受到材料不均匀性的影响， 相比管道整体而言， 是油气管道中的薄弱部分

。 因此，为了保障油气管道安全可靠运行， 需要特别关注环焊缝质量及失效控制。

本研究基于失效控制技术， 收集了近6 年的环焊缝失效分析案例， 主要针对油气管道环焊缝的失效模式及失效机理进行研究， 探讨控制失效的措施， 为防止油气输送管失效， 保证管道安全运行提供参考。

1 失效项目统计分析

对近6 年石油石化企业的失效分析项目共210 项进行统计分析， 按产品分为5 大类， 钻具、 油套管、 接箍、 输送管及其他类， 其他类包括泵头、 球阀、 三通、 法兰、 汇管、 防砂管、 隔热管、 复合管、 压力表、 玻璃钢管及井下工具等， 统计结果见表1。 210 项失效分析项目中，油气输送管道失效为55 项， 占整个失效产品的26.2%。 油气输送管道失效项目中， 环焊缝失效数量占输送管总失效数量的38.2%， 统计结果见表2。

通过对环焊缝失效分析案例进行统计分析，发现油气输送管道环焊缝主要失效原因大体可分为三大类： 环境因素、 现场施工不当、 不可预见性因素， 具体统计结果见表3。 由统计可见， 现场施工不当导致环焊缝失效占比为71.4%， 环境因素占环缝失效的19.0%， 不可预见因素占9.6%。 现场操作不当是导致环焊缝失效的主要原因。

现场施工不当可引起环焊缝组织异常及焊接缺陷、 环焊缝几何尺寸不达标； 服役环境的影响主要为H

S 应力腐蚀开裂、 CO

腐蚀等； 不可预见性因素主要为地质结构变化产生的外力导致环焊缝开裂失效。

其次以移就修辞格写思念。“点透”这一动作本来用于人和“窗棂的纸”间，此时用来写“思念”，既写出窗纸之薄，秀才家贫，又写思念之深，足以戳破窗纸，飞向丈夫身旁。

2 环焊缝失效典型案例

2.1 补焊施工操作不当

油气输送管服役过程中， 环焊缝承受输送内压力、 焊接应力、 环境应力、 环境腐蚀等作用，通过统计分析， 环焊缝失效中， 现场施工不当导致失效的占71.4%， 可见现场操作不当是导致环焊缝失效的主要原因， 其次是环境因素引起的失效。

谷底一片潮湿，浓厚的苔藓，像海绵一样，紧贴在水面上。他走一步，水就从他脚底下溅射出来，他每次一提起脚，就会引起一种吧咂吧咂的声音，因为潮湿的苔藓总是吸住他的脚，不肯放松。他挑着好路，从一块沼地走到另一块沼地，并且顺着比尔的脚印，走过一堆一堆的、像突出在这片苔藓海里的小岛一样的岩石。

平安西江建设过程中，群策群防、联合监管还需进一步得到提高。“平安西江”建设虽已有序开展，但各自为政的情况还在一定程度上普遍存在，各涉水部门间信息互通、资源共享、联动执法局面尚未得到根本改善，没有注重充分发挥多方共建的优势，另外，“平安西江”建设，不仅对广东同样对广西也有着重要的意义，且息息相关，而目前尚未与广西有更多有实际效应的对接。

对非金属物质进行能谱分析， 分析结果如图3 所示。 从图3 可以看出， 其所含主要元素为O、 Ca、 Si、 Ti 和Fe， 表明焊缝内非金属物质为补焊时产生的焊接熔渣。

某采气管线规格为Φ219.1 mm×7.1 mm， 钢级为L360QS， 2015 年9 月完成管线试压， 均无泄漏。 2015 年10 月投产使用时， 发现管线泄漏， 泄漏位置位于直管段环焊缝焊趾处6～3 点钟位置， 裂口沿焊缝环向长度约633 mm， 超过周长的3/4， 最大裂口宽度73 mm， 失效样品及位置如图11 所示。

因现场施工不当导致环焊缝失效的15 起失效案例中， 有8 起失效部位起源于补焊或返修位置， 补焊 （或返修） 焊缝失效占比达到53%，由此可见， 环焊缝补焊、 返修质量的优劣也是造成油气管道环焊缝失效的重要因素之一。

2.2 一次环焊作业操作不当

2015 年3 月31 日， 青海省某管线发生泄漏， 管道为Φ660 mm×7.9 mm 规格L450 螺旋埋弧焊管， 泄漏点位于管道环焊缝处。 宏观观察分析可知， 泄漏裂纹外表面长约140 mm，内表面长约288 mm， 如图4 所示。 微观观察分析可知， 裂纹起源于环焊缝根焊处的未熔合、 未焊透缺陷处， 沿环焊缝熔合线开裂。 环焊缝焊趾附近及熔合区存在未熔合、 未焊透、气孔、 焊瘤及大型夹渣缺陷， 如图5 所示。 这些缺陷的存在， 大大降低了环焊缝金属的有效承载壁厚； 焊瘤的存在， 造成环焊缝根部应力集中， 产生裂纹， 管线服役过程中承受内压力， 裂纹便会扩展， 最终穿透管壁， 导致环焊缝泄漏失效

。

2.3 环境因素

但这种说法增加了人们的恐慌，越来越多的人涌入医院，坚称自己头痛恶心，绝对是吃了胶囊中了毒，搞得医院乱成一团。尽管警方和医院竭力声明被污染的只有泰诺速效胶囊这一种药物，但人们却对所有的泰诺产品敬而远之。一时间，“泰诺”名声扫地，迈克耐尔公司濒于崩溃。

对焊缝截面进行低倍观察， 结果如图2 所示。从图2 （a） 发现， 焊缝与母材之间存在双重热影响区， 裂纹起源于根焊补焊焊缝的熔合区附近，沿补焊焊缝扩展。 靠近裂纹尖端内焊缝焊趾已开裂（图2 （b））， 裂纹内及裂纹附近有深灰、 浅灰色块非金属物质（图2 （c））， 金相组织无异常。 采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观察， 可见断面基本平齐， 断口表面附着较多非金属物质。

(5) 令v是一个3-三角7-点,若v关联两个(3,3,7)-面,一个(3,4-,7)-面,则v的非三角邻点是一个6+-点;

观察发现， 该管线内壁长期接触湿硫化氢介质， 特别是地势较低部位的管线底部 （6 点位置附近） 浸泡在湿硫化氢介质中。 失效管段内壁4～7 点位置存在的黑色附着物与其他部位有明显不同， 断口上腐蚀产物也呈黑色和铁锈色。 断口能谱分析结果如图8 所示， 可以看到腐蚀产物含有S 元素。 内壁腐蚀产物X 射线衍射分析结果如图9 所示， 可以看出内壁黑色附着物主要成分为FeS 和Fe

O

。

断口扫描电镜微观分析结果如图10 所示，可见断面上有多个交叉分布的二次裂纹特征，失效环焊缝切割后裂口应力释放， 裂纹尖端金相组织变形明显， 内焊趾处焊瘤应力集中严重且产生裂纹， 表明该管件焊缝开裂属H

S 应力腐蚀开裂。

2.4 不可预见因素

分析认为， 失效管道焊缝处于山丘地形以及天然气输送管道转弯处， 焊缝除焊接残余应力、内压引起的应力外， 还同时承载焊缝两边壁厚差、 山丘地形引起的附加应力。 补焊处焊缝熔合区焊接熔渣缺陷密集， 破环了焊缝金属的连续性， 降低了焊缝材料的有效承载能力， 焊趾处应力集中严重， 裂纹一旦产生， 便会沿焊缝金属的薄弱区 （含缺陷区） 迅速扩展， 最终穿透壁厚，造成天然气泄漏。

焊口上游是规格Φ219.1 mm×7.1 mm 的L360QS 无缝钢管， 下游为Φ219.1 mm×8 mm 规格L360QS 无缝热煨弯头， 弯头角度为10°。 委托方资料显示， 距离环焊缝开裂位置7～8 m 处为正在施工建设的西区集输复线， 并且管线泄漏位置距离当日施工现场最近的挖掘机17 m。 此外， 现场切割后管线发生水平方向回弹， 回弹量约70 mm。

焊缝断口宏观及微观分析可见， 环焊缝开裂为塑性断裂， 断口表面未见明显缺陷， 开裂起源于内表面根焊熔合线处， 断口形貌如图12 所示。 有限元载荷模拟结果如图13 所示， 可见环焊缝开裂处有外加载荷作用于管道上， 表明环焊缝开裂为过载断裂。 当环焊缝承受现场施工地层震动、 塌陷或土体移动等外部载荷时， 环焊缝根焊熔合线处产生裂纹并扩展， 导致环焊缝开裂失效。

3 环焊缝失效的主要影响因素及预防

2016 年2 月发现某水田出现冒泡现象， 开挖后发现埋地输气管线环焊缝泄漏。 泄漏焊口为热煨弯管与螺旋埋弧焊管连接焊口， 热煨弯管规格为Φ1 016 mm×18.4 mm， 螺旋埋弧焊管规格为Φ1 016 mm×15.3 mm。 对泄漏管段观察后发现， 管段11 点位内部约有100 mm 长度的补焊痕迹。 对环焊缝内、 外表面进行磁粉检测及低倍分析， 发现环焊缝内表面裂纹位于补焊焊缝与母材交界的焊趾部位， 长度约100 mm。 环焊缝外表面裂纹位于焊缝中， 裂纹长度约10 mm， 环焊缝及裂纹形貌如图1 所示。

2016 年4 月21 日， 某公司生产的Φ508 mm×9.5/11 mm 规格L360MS 螺旋埋弧焊管发生因环焊缝裂纹导致的泄漏， 管线采用3PE 外防腐， 输送介质为天然气， 失效样品宏观形貌如图6 所示。 对失效管件进行宏观观察和测量， 裂纹沿管体周向长430 mm， 开口最大处宽4 mm， 焊缝处有焊瘤存在。 管件内壁开口位于4～7 点位置， 为管线底部，内焊缝附近及断口附着有疏松的黑色物质， 裂纹起源于根焊焊缝， 裂纹源区断口形貌如图7 所示。

3.1 现场施工质量控制

在施工质量控制方面， 主要在于现场的质量管理。 焊缝焊接管理控制可以从工艺、 环境、 材料及人员设备四方面入手。 但一般施工前制定的焊接工艺都较成熟， 所以焊缝质量的主要控制要素为环境、 材料及人员设备。

语言复杂度的理论与测量 ………………………………………………………………… 刘黎岗 缪海涛（1.52）

（1） 环境控制。 长输管线铺设都是野外作业， 受自然环境影响较大。 焊接作业指导文件对环境温度、 湿度都有明确规定， 例如一般规定现场作业温度不低于-5 ℃， 湿度小于90%， 所以现场施工时必须采用适当保护措施， 如防雨、 防风棚， 保温遮盖材料等， 特殊地段必须选择特殊的环境保护措施， 确保焊接质量。

（2） 材料控制。 这里材料是指焊材， 焊材的合格与否直接关系着焊缝的质量， 采购焊材时必须选择合格的焊接材料。 焊材的运输、 存放保管过程中应确保焊材干燥， 使用前必须烘干焊材。

（3） 人员设备。 焊接人员在施工中占主导地位， 人员素质及技术水平直接影响焊接质量。 必须选择有国家专业机构考核确认的专业焊接人员， 大型施工甚至要进行业务水平测试评价， 合格后方能上岗。 焊接相关设备必须经过专业机构或人员鉴定或校准， 设备使用前做好设备核查，确保焊接设备满足工艺要求。

3.2 环境因素

环境因素影响主要指环焊缝接触的介质的影响。 统计分析表明， 环境因素引起的开裂主要为H

S 应力腐蚀开裂。

语文课堂不仅仅只局限于在教室里，只要是能学习到语文知识的地方都是语文学习的课堂，课上课后、教室家里都可以成为语文学习的课堂，所以老师也可以把课后的作业当成是整体课堂教学中的一部分，老师可以改变一下课后作业的形式。传统的课后作业就是让小学生不停重复抄写的工作，这对提升小学生的语文素质根本毫无帮助，并且会降低学生的语文学习兴趣，老师不如布置一些阅读的作业，这样学生既不会觉得枯燥乏味又可以真正有效的保证学生每天有足够的阅读时间，从而真正的提高学生的语文素养。

环焊缝焊趾属焊缝的薄弱环节

， 失效统计分析可知， 大部分应力腐蚀裂纹产生在根焊焊趾附近。 由于焊缝现场焊接施工操作不当， 根焊处易产生焊瘤、 未焊透、 咬边等焊接缺陷， 管线服役过程中， 环焊缝（根焊） 易存在应力集中。 若管道的输送介质中存在H

S 和水， H

S 会在水中发生电离反应， 产生氢原子， 一部分形成氢气溢出， 另一部分扩散到金属内部， 在材料组织缺陷部位或裂纹尖端周围聚集， 使材料发生脆化， 降低材料的裂纹扩展抗力， 进而导致管道运行过程中环焊缝发生断裂失效； 管端焊前预热可减缓焊后焊缝的冷却速度， 降低焊接应变速率， 从而有效降低焊接应力

。 焊后热处理可使环焊缝焊区金相组织得到改善， 提高焊接接头的塑性及韧性， 从而改善焊接接头的综合力学性能， 降低应力腐蚀开裂的风险。 环焊缝焊接作业施工过程中， 严格控制焊接作业可有效防止焊接缺陷产生， 提高焊接质量， 避免根焊焊缝附近成为应力腐蚀的薄弱区域， 防止焊缝应力腐蚀开裂。 另外， 当管线输送介质中含有一定量的H

S 和水时， 焊接材料应尽可能考虑选择含有抗H

S 应力腐蚀的材料。

4 结论与建议

（1） 管道对接环焊缝失效的主要原因包括现场焊接工艺不当、 腐蚀环境和不可预见因素三类，其中焊接工艺不当是环焊缝失效的主要原因。

（2） 在现场焊接质量控制方面， 主要在于现场质量管理， 应对工艺、 环境、 材料及人员设备四方面严格把关， 严格按照标准、 规范、 工艺进行现场施工作业， 杜绝管理漏洞。

（3） 若输送介质存在腐蚀性， 应在焊接施工阶段就考虑避免在环焊缝处发生选择性腐蚀的问题， 焊接施工时， 相较输送弱/无腐蚀介质的管道， 应更为严格的控制环焊缝焊接缺陷的产生，特别是内表面缺陷的产生。 同时， 应严格执行焊前的管端预热和焊材除湿， 如有条件， 建议进行焊后热处理， 降低焊接应力。

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