基于正交试验的管道环焊缝风险排查方案研究

李新战 邹亚飞 王荡 陈杭 王晓黎

1国家管网集团西气东输公司甘陕输气分公司

2中国石油长庆油田分公司第十采油厂

3大庆油田设计院有限公司

截至2022 年底，我国已建成油气长输管道15.5×104km，其中天然气管道约9.3×104km，原油管道约3.2×104km，成品油管道约3.0×104km[1]。随着油气管道建设的飞速发展，对油气管道的安全可靠性提出了更高的要求。油气长输管道是由大量钢管或管件焊接组成，因此环焊缝是油气长输管道系统的重要组成部分，由于管道建设时期现场焊接施工环境、质量及技术水平限制等因素，导致管道环焊缝有可能存在几何结构变形、材料不连续及焊接缺陷等问题。因此，环焊缝通常是管道结构中最薄弱的环节[2-3]。

国内外大量油气管道安全事故统计分析结果显示，油气管道环焊缝缺陷是引起管道失效的主要原因，尤其是在结构比较复杂的油气管道系统中，环焊缝失效的可能性更高。根据美国管道运输安全办公室的统计结果，1985—1996 年期间，环焊缝失效导致的管道事故占油气管道事故总数的20%[4]。根据PHMSA 报告，2010—2018 年，美国X70 及以上钢级管道共计发生了10 起环焊缝失效事故[5]。近年来，在油气管道试压阶段及投产运行初期先后累计发生了约30 起管道环焊缝开裂和泄漏事故，其中70%以上的事故是由环焊缝质量缺陷引起的[6]。此外，油气输送站场管道环焊缝失效事故也时有发生[7]。

为了保障油气管道的安全运行，必须定期对管道环焊缝进行缺陷检测，通过对缺陷定量、定性分析，开展安全评价工作，既可以有效避免重特大油气管道失效事故的发生，又可以充分发挥油气管道的承载运输能力，由于管道环焊缝数量巨大，排查任务艰巨，通过对已有的环焊缝排查数据进行分析，确定油气管道环焊缝缺陷的主要影响因素，为今后油气管道环焊缝缺陷排查提供参考，以解决环焊缝排查精准度不高的问题。

1 管道环焊缝失效原因

大量研究表明，管道环焊缝的失效受多种因素而非单一因素影响[8]。管道建设时期发生的环焊缝失效，主要原因为变壁厚、错变量超标、强力组对等引起的应力集中、施工中的吊装和下沟、连头和返修施工不符合要求、焊接缺陷和焊缝韧性低、无损检测结果偏差、不遵守焊接工艺要求等。油气管道运行期发生的环焊缝失效，主要原因为承受外部地面位移荷载作用、不等壁厚连接引起的应力集中和焊缝韧性低等[9-10]。

环焊缝失效通常是由2 个或2 个以上失效因素叠加造成的结果，环焊缝失效的原因总体上可以归纳为以下几个方面[11-13]：①外部附加载荷：地质灾害（滑坡等）、强力组对、管道曲率与管沟形状不相符；②变壁厚环焊缝处产生集中：现场不等壁厚内坡口处理困难；③焊接接头韧性达不到标准要求：现场焊接工艺执行不严格；④焊接缺欠超标及私自返修：缺陷漏检、错判及私自返修等。

2 管道环焊缝风险排查

油气管道环焊缝质量风险排查主要通过梳理油气管道环焊缝基础数据信息，主要包括环焊缝相关竣工资料、建设期X底片、内检测管节列表以及漏磁内检测信号数据，通过对管道基础资料排查、焊口对齐排查、底片复评、漏磁内检测信号复评，将存在可疑点的环焊缝作为开挖目标焊口，主要包括存疑焊口，黑口、底片存疑焊口及内检测异常焊口，通过对目标焊口开挖复拍，并依据复评结果确定焊口总体质量状况。排查流程如图1所示。

图1 管道环焊缝缺陷排查流程Fig.1 Pipeline girth weld defects inspection flow

3 管道环焊缝排查难点

（1）管道环焊缝数量庞大，基础资料核查难度大。平原地带敷设的管道，平均每千米约有90 个，在人口稠密地区及地形复杂的区域，环焊缝数量还会有所增加，导致管道环焊缝基础资料复评工作量大。

（2）环焊缝失效通常是多种因素叠加的结果，大量研究表明，管道发生环焊缝失效的原因包括焊接缺陷、环焊缝性能不合格、变壁厚或错边、焊接接头低强匹配及各种因素导致的附加载荷，环焊缝排查需要作为系统工程从多个纬度进行排查，由表及里，找出隐藏缺陷。

（3）在大量的开挖检测数据中筛选出具有裂纹缺陷的焊口信息，并对焊口特征进行分析，确定裂纹焊口产生的内外在因素，总结裂纹焊口产生规律，并据此精准制定开挖原则和计划，提高开挖的准确率，节约开挖成本。

4 管道环焊缝排查方案优化

由于影响环焊缝失效的因素较多，通过对2017—2022 年已开挖西气东输二线甘肃、陕西段2 569 道环焊缝数据进行分析，明确影响环焊缝失效的主要影响因素，为避免全面试验，同时又不失一般性，采用正交试验的方法研究各因素对环焊缝质量的影响[14-15]，确定各影响因素的主次顺序，为以后环焊缝的精准开挖检测提供理论参考。

4.1 正交试验设计

正交试验法又称正交试验设计，是一种利用数理统计的方法研究多因素、多水平的试验方法[16-17]，将其应用于管道环焊缝失效影响因素分析的步骤如下：

（1）拟定环焊缝开挖优选方案的考核指标，以反映环焊缝开挖点位选择的精准性。

（2）分析影响环焊缝的主要特征指标，确定影响因素和水平，并设计正交试验表。通过对已开挖复评数据进行分析，计算出各方案的缺陷焊口比率。

（3）对正交数据进行直观分析和指标平均计算分析，由极差判断出不同影响因素对试验指标影响的主次关系，得出环焊缝开挖复评的最优方案。

环焊缝失效的因素较多，主要分析施工标段、焊口类型、管道壁厚变化量、焊缝底片复评等级、内检测异常程度5 个主要因素对管道环焊缝的影响，其中4个因素设计4个水平，1个因素设计2个水平，得到正交试验设计的5因素水平表（表1），进而设计了L20（21×44）型混合正交表，共20套试验方案。

表1 影响因素与水平Tab.1 Influencing factors and levels

本试验含有5 个因素，如果进行全面试验，可产生2×44个试验条件，试验条件较多，无法顺利完成，而通过正交试验，根据正交试验表“均匀分散、整齐可比”的设计原则，可选择L20（21×44）型混合正交表，共需对20 组试验数据进行统计分析。设计的正交试验及数据分析结果如表2所示。

表2 正交试验结果Tab.2 Orthogonal test results

4.2 正交试验结果分析

为研究管道环焊缝各影响因素对开挖不合格焊口比率的影响程度，对试验结果进行极差分析。定义变量Kij、kij、Rj，Kij表示第j因素i水平的所有试验结果的总和，kij是Kij的平均值。依据Kij的大小表征j因素i水平的不合格焊口比率总和，Kij最大时，所对应的j因素i水平组合是最优解。通过此方法，可以找出所有因素的最优水平，即可得到提高缺陷焊口开挖比率的最优组合[18]。Rj表示第j因素的极差，即第j因素各水平值的最大差值：

在本次正交试验中，Rj表示第j因素的水平变动时，不合格焊口比率的波动值。Rj值越大，表示j因素变化时不合格焊口发现比率越大。因此依据Rj的大小就可以判断各因素对于不合格焊口比率的敏感顺序。根据表2 中的正交试验结果，以不合格焊口比率作为评价指标，分析得到表3。

表3 正交试验结果分析数据Tab.3 Orthogonal test results analysis data

由表3 可知，不同因素的不合格焊口比率极差之间存在比较明显的差别，通过对试验结果进行极差分析可确定各影响因素对管道环焊缝不合格焊口比率影响的大小，极差越大，表明该因素在不同水平下，相应的不合格焊口比率之间差异大，该因素对不合格焊口比率的影响也越大，是主要因素。反之，极差越小，该因素对不合格焊口比率的影响也越小，是次要因素。

内检测异常程度对应的不合格焊口比率极差最大，变壁厚对应的不合格焊口比率极差最小，说明内检测异常程度对不合格焊口比率影响最大，变壁厚对不合格焊口比率影响最小。根据Rj的值可以看出，内检测异常程度的变化对不合格焊口比率的变化影响最大，其次是施工标段、底片复评等级、焊口类型、变壁厚。

5 管道环焊缝质量开挖验证

结合正交试验分析得出的管道环焊缝开挖验证最优试验组合，对现已开挖的环焊缝缺陷进行反向验证，选取最优组合下的环焊缝进行验证，已开挖完成西二线甘陕段2 569 道环焊缝中符合最优组合条件下的开挖点共3处，基本信息如表4所示。

表4 现场开挖验证结果分析Tab.4 Analysis of field excavation verification results

对符合要求的3 处环焊缝开挖点位进行验证，经射线及超声检测，显示其中2 道焊口为不合格焊口，不合格焊口比率66.67%，与平均不合格焊口率相比，不合格焊口发现率显著提升。经服役适用性评价，2 道不合格焊口缺陷均可接受，说明大多数环焊缝缺陷尚未发展至严重情况。通过对管道环焊缝开挖特征及结果进行统计分析，确定影响环焊缝质量的主要影响因素，构建环焊缝质量分析模型，可有效提升不合格焊口发现比率，提升环焊缝风险排查效率，及时发现隐患并通过恰当的修复方法消除隐患。

6 结论

（1）通过对已开挖复评的2 569 道环焊缝数据为基础，研究了不合格焊口在综合因素影响下的发现比率，以不合格焊口率为评价指标，综合考虑5 个方面影响因素：施工标段、焊口类型、变壁厚、底片复评等级、内检测异常程度，进行了4 因素4 水平及1 因素2 水平混合正交优化试验，得到各影响因素对不合格焊口比率的影响程度。

（2）对不合格焊口比率影响因素敏感度由大至小为：内检测异常程度＞底片复评等级＞施工标段＞焊口类型＞变壁厚，不合格焊口比率最优组合为17 施工标段、返修口、内检测较严重、底片复评4级。

（3）油气管道环焊缝基数大，每千米管道约80～100 个环焊缝，且环焊缝质量受多种复杂因素影响，在开展管道环焊缝质量分析时，需从管道建设期开始，收集完善各项基础资料，建立完善的数据库，按照各施工标段对收集到的各类数据进行统计分析，确定影响环焊缝质量的主要因素及特征指标，应用过程中可结合现场实际，合理调整各影响因素及特征指标。

（4）油气管道环焊缝的焊接工艺较为复杂，焊接质量易受到其他因素的影响，如焊接环境、材料质量以及焊接工艺细节等因素都会影响管道焊接质量，环焊缝的焊接质量直接影响管道安全运行的效率与质量，由于同一施工标段的施工区域环境及人员管理具有相近性，可按照各施工标段对环焊缝质量数据进行统计分析，在分析影响环焊缝质量的几个重要因素后，建立环焊缝质量分析模型，为以后采取针对性的措施提升环焊缝开挖不合格焊口发现比率，提升环焊缝开挖工作效率有着重要意义。