丁昱 侯浩 軒恒

國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司

摘  要：在管道環(huán)焊縫排查治理工作中，盡可能精確地篩選出缺陷焊縫，可以有效降低成本。以中緬天然氣管道（國內(nèi)段）干線為例，對環(huán)焊縫排查方法及開挖驗證結(jié)果進(jìn)行對比分析，探討提升同類山區(qū)管道環(huán)焊縫缺陷排查準(zhǔn)確率的方法。

關(guān)鍵詞：山區(qū)管道；環(huán)焊縫；開挖驗證；底片；內(nèi)檢測；不等壁厚

近年來，高強(qiáng)度鋼管道的環(huán)焊縫質(zhì)量問題日益凸顯[1]。以中緬天然氣管道（國內(nèi)段）干線（以下簡稱中緬天然氣管道）為例，目前已開挖驗證近萬道環(huán)焊縫，平均不合格率約11%。為了盡可能精確篩選出缺陷焊縫，降低環(huán)焊縫排查治理成本，以平均不合格率為基準(zhǔn)，對比各類評價方法在實(shí)際開挖驗證中的缺陷發(fā)生概率，從排查方法及開挖驗證結(jié)果和影響因素兩個方面驗證各類評價效果，探討精確選口的方法。

1  排查方法及開挖驗證結(jié)果

1.1  底片復(fù)評

底片復(fù)評是通過排查管道建設(shè)期的射線無損檢測底片，以發(fā)現(xiàn)焊縫質(zhì)量“存疑點(diǎn)”。依據(jù)管道制管焊縫組對間距不符合（GB 50369―2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》第10.2.2條）、原片不合格但未見返修合格底片、像質(zhì)計絲號識別不符合標(biāo)準(zhǔn)要求等篩查原則，對管道建設(shè)期的所有環(huán)焊縫的射線底片復(fù)核，評定出底片復(fù)核存疑焊口。經(jīng)過開挖驗證，發(fā)現(xiàn)底片存疑焊口的不合格率高達(dá)55.94%，裂紋口占比也達(dá)到7.43%。可見底片存疑焊口實(shí)際出現(xiàn)缺陷的概率極高，建議將底片存疑焊口作為環(huán)焊縫排查的首選目標(biāo)焊口。

1.2  風(fēng)險評價

中緬天然氣管道環(huán)焊縫風(fēng)險評價采用半定量方法（圖 1），將影響管道環(huán)焊縫可靠性的13個指標(biāo)分為環(huán)焊縫缺陷、載荷、材料性能和施工管理四類，并分析各個指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系，對每個指標(biāo)進(jìn)行賦值評分，綜合評價其引起管道泄漏的可能性；對于高后果區(qū)內(nèi)的環(huán)焊縫，以不同的安全系數(shù)來表示泄漏事故后果的嚴(yán)重程度，將上述分值與安全系數(shù)相乘，最終得到管道沿線的風(fēng)險大小。

根據(jù)風(fēng)險評價計算結(jié)果確定環(huán)焊縫的風(fēng)險等級，并參照GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》的風(fēng)險矩陣將中緬天然氣管道環(huán)焊縫風(fēng)險分為低級、中級、較高級、高級四個等級。經(jīng)過對風(fēng)險評價較高級以上環(huán)焊縫開挖驗證，發(fā)現(xiàn)不合格環(huán)焊縫占比18.79%，裂紋口占比1.11%，其中高風(fēng)險不合格焊口占比達(dá)到20.47%，不合格率約為平均值2倍，說明風(fēng)險評價具有一定的科學(xué)性。 

1.3  完整性評價

根據(jù)國內(nèi)外主要評價方法BS 7910:2013《Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures》、GB/T 19624―2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》等，將缺陷劃分為體積型缺陷和平面型缺陷兩大類，分別包括圓形缺欠（點(diǎn)狀氣孔、點(diǎn)狀夾渣）、內(nèi)凹、燒穿等；裂紋、未熔合、未焊透、咬邊、條形缺欠（條形氣孔、條形夾渣）。

根據(jù)評價結(jié)果，體積型缺陷對結(jié)構(gòu)完整性影響較小，在載荷取1.39安全系數(shù)的情況下，10 MPa工況下評價所有體積型缺陷均可通過。而平面型缺陷對結(jié)構(gòu)完整性影響較大，在各種工況下評價均有部分平面型缺陷被評價為完整性不可接受焊口。通過對完整性評價不可接受環(huán)焊縫開挖驗證，發(fā)現(xiàn)此類環(huán)焊縫不合格率高達(dá)43.06%，裂紋占比也高達(dá)5.670%。根據(jù)完整性評價結(jié)論排查的不合格焊口和裂紋口的準(zhǔn)確性很高，可見對環(huán)焊縫開展完整性評價的重要性和必要性。

1.4  內(nèi)檢測異常

利用管輸介質(zhì)驅(qū)動檢測器在管道內(nèi)運(yùn)行，實(shí)時檢測和記錄管道的變形、腐蝕等損傷情況（圖 2），可事先發(fā)現(xiàn)各種缺陷和損傷。內(nèi)檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)對齊后，即可實(shí)現(xiàn)建管數(shù)據(jù)與內(nèi)檢測數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，找出風(fēng)險環(huán)焊縫在內(nèi)檢測數(shù)據(jù)中相對應(yīng)的具體位置[2]。同時，結(jié)合建設(shè)期資料也可梳理出疑似黑口的“三無”環(huán)焊縫。

結(jié)合中緬天然氣管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊成果，對發(fā)現(xiàn)的較嚴(yán)重及以上異常環(huán)焊縫組織開挖驗證，發(fā)現(xiàn)不合格焊口占比達(dá)到24.61%，裂紋口率為2.36%，不合格率約為平均值的2.5倍，說明內(nèi)檢測數(shù)據(jù)也具有一定的參考價值。

隨著內(nèi)檢測技術(shù)發(fā)展，軸向應(yīng)變檢測功能也逐步普及，檢測器上還可加入IMU模塊定位管道坐標(biāo)。日后的開挖驗證選口可以根據(jù)檢測結(jié)果劃定的軸向應(yīng)變和彎曲應(yīng)變集中區(qū)域（圖 3），組織對應(yīng)力較大的環(huán)焊縫開挖驗證；也可以根據(jù)IMU數(shù)據(jù)與竣工中心線數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析和確定管道位移變化情況，進(jìn)一步驗證軸向應(yīng)變內(nèi)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2  影響因素分析

2.1  空間分布

對開挖驗證發(fā)現(xiàn)的不合格環(huán)焊縫、裂紋焊縫在管道上分閥室區(qū)段、分施工機(jī)組進(jìn)行空間排布，尋找缺陷環(huán)焊縫的分布規(guī)律。

通過對不合格環(huán)焊縫、裂紋焊縫復(fù)拍底片和外部環(huán)境分析，發(fā)現(xiàn)不合格環(huán)焊縫的閥室區(qū)間多位于黃土易塌陷土質(zhì)或多山區(qū)帶，地形復(fù)雜，管道容易受力；或者集中在某施工單位個別機(jī)組。管道強(qiáng)力組對的組對應(yīng)力、土體位移導(dǎo)致管道所受拉應(yīng)力、管道連續(xù)起伏所受拉力、焊口處打磨或補(bǔ)焊造成焊縫薄弱等。 

2.2  不等壁厚焊口、彎頭

不等壁厚（大錯邊量）處的環(huán)焊縫往往存在焊口單面焊雙面成型難度大、幾何形狀突變易引起應(yīng)力集中等，該環(huán)焊縫在焊根處由于壁厚過渡引起截面形狀的突變，在外力作用時很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[3]，引發(fā)環(huán)焊縫開裂或斷裂。而彎頭處的環(huán)焊縫失效往往與不等壁厚焊口及彎頭的母材有關(guān)，特別是連續(xù)彎曲處也易造成應(yīng)力集中，此類環(huán)焊縫發(fā)生脆性斷裂從而引發(fā)延遲裂紋的可能性高于其他類型環(huán)焊縫。中緬天然氣管道通過開挖驗證，熱煨彎頭口的不合格焊口占比13.55%，裂紋口占比1.16%，變壁厚焊口不合格焊口占比12.93%，裂紋口率0.74%。彎頭變壁處環(huán)焊縫出現(xiàn)缺陷的幾率要高于平均不合格率。

2.3  焊接工藝、焊口類型

從焊接類型上分析，手工焊的不合格焊口比率最高，為25%；焊條電弧焊次之，為15.28%。從焊口類型上看，彎管+返修口焊口類型的不合格比率最高，為45%，其次返修口、彎管+死口、彎管變壁厚口+返修口，這4種焊口類型的不合格比率均在20%～25%之間，剩余焊口類型不合格比率皆在20%以下。

3  規(guī)律總結(jié)

結(jié)合往年對中緬天然氣管道環(huán)焊縫開挖驗證實(shí)際情況（圖 4），從篩查和評價方面可印證出底片存疑口（不合格率51.39%，裂紋率0.375%）、內(nèi)檢測異常焊口（不合格率24.61%，裂紋率0.236%）出現(xiàn)缺陷焊口或者裂紋焊口的幾率較高。環(huán)焊縫風(fēng)險評價（不合格率18.79%，裂紋率0.111%）以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的完整性評價（不合格率43%，裂紋率0.567%）均具有一定科學(xué)性，對查找不合格焊口和裂紋口較為準(zhǔn)確。客觀上論證了底片復(fù)核、風(fēng)險評價、完整性評價、管道內(nèi)檢測結(jié)論可以作為環(huán)焊縫開挖驗證選口的重要依據(jù)。

從焊口類型上分析環(huán)焊縫冷彎、熱煨、不等壁厚的特殊焊口出現(xiàn)缺陷的幾率要高于其他類型焊口。由于焊接成型難度大、射線檢測評判困難、幾何形狀突變易引起應(yīng)力集中等原因，發(fā)生脆性斷裂從而出現(xiàn)延遲裂紋的可能性高于其他。因此，彎頭變壁返修口特性環(huán)焊縫、閥室區(qū)段、施工機(jī)組分布等因素也具有參考性，可作為環(huán)焊縫開挖驗證選口的又一綜合考量依據(jù)。

4  小結(jié)

隨著管道大數(shù)據(jù)的逐步形成，管道安全評估理念呈現(xiàn)出由數(shù)據(jù)評估代替風(fēng)險專家評估、由工程適用性評估代替風(fēng)險評估的趨勢[4]。我國管道早期建設(shè)過程中遺留的問題多，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大都存在不同程度的缺失，后續(xù)需要科學(xué)、有取舍地開展開挖驗證，探索更有效的管道數(shù)據(jù)分析方法。隨著環(huán)焊縫大數(shù)據(jù)挖掘不斷深入，關(guān)聯(lián)因素持續(xù)梳理，環(huán)焊縫排查數(shù)據(jù)也逐步呈現(xiàn)出一定規(guī)律，各類型環(huán)焊縫之間的數(shù)據(jù)差異也愈加明顯，使用環(huán)焊縫缺陷排查數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)精確選口排查將成為一種趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅金恒，楊峰平，王珂，等. 油氣管道失效頻率及失效案例分析[J].金屬熱處理，2015，40(10)：470-474.

[2] 周軍峰. 在役管道環(huán)焊縫風(fēng)險排查中環(huán)焊縫精確定位方法[J].經(jīng)驗交流，2018(04)：20-21.

[3] 李立峰，秦小建，王沙廳，等. 某管道環(huán)焊縫開裂失效分析[J]. 熱加工工藝，2019，48(3)：259-262

[4] 馮慶善. 基于大數(shù)據(jù)條件下的管道風(fēng)險評估方法思考[J]. 油氣儲運(yùn), 2014，33(5)：457-461.

作者簡介：丁昱，1983年生，工程師，2006年畢業(yè)于四川大學(xué)電氣信息學(xué)院自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道完整性管理環(huán)焊縫排查工作。聯(lián)系電話：15368668321，155325044@qq.com。