美國ERW/HFW鋼管應(yīng)用經(jīng)驗借鑒

李記科，叢 山，楊紅兵

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077；2.中石油管道有限責(zé)任公司物資管理部，北京 100029）

2007年11月1日，一條由迪西管道公司（Dixie Pipeline Company）運營的輸送液體丙烷的Φ304.8 mm（12 in）管道，在靠近密西西比的卡邁開爾發(fā)生破裂，造成2人死亡，7人輕傷。美國國家運輸安全管理局確認該事故是由建造管道的ERW鋼管縱向焊縫長范圍的破裂所致，并簽署了關(guān)于電阻焊鋼管管道安全性的建議書P-09-1，要求美國管道和危險品安全管理局（Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration，簡稱PHMSA）開展綜合研究，并指出管道運營商可以采取的措施，以消除由電阻焊鋼管縱向焊縫導(dǎo)致的災(zāi)難。美國PHMSA發(fā)布了基于管道內(nèi)檢測、水壓試驗及管道運行條件來開展管道完整性管理方法有效性的研究公告。Battelle作為承包商，KAI（Kiefner and Associates）及DNV（Det Norske Veritas）作為分包商就建議書P-09-1關(guān)切問題展開了研究，并于2013年10月23日完成了第一階段工作報告，詳細情況可從美國PHMSA網(wǎng)站［1］獲得。雖然該項研究是針對該國在役管道，為保證管道完整性所開展的工作，但仍對我國管道建設(shè)中使用ERW鋼管及隨后的管道完整性管理有重要的借鑒意義。下面對該工作進行介紹。

1 項目開展的主要工作

（1）任務(wù)1。任務(wù)1是分析收集到的數(shù)據(jù)資料，包含5份中期報告，涉及以下內(nèi)容：①ERW焊縫失效歷史，包括閃光焊鋼管（FW：flash-weld pipe），選擇性焊縫腐蝕（SSWC：selective seam-weld）或者溝腐蝕（grooving corrosion）；②管道內(nèi)檢測，水壓試驗及預(yù)測模型的有效性；③有關(guān)溝腐蝕的文獻調(diào)研（有關(guān)溝腐蝕為第三項工作）。

（2）任務(wù)2。任務(wù)2包含了試驗研究情況，這些研究以期對ERW/FW焊縫失效進行更好說明，并對鋼管承壓時的焊縫抗力進行定量，包含5份中期報告，涉及以下內(nèi)容：①ERW全尺寸試驗，涉及搜集及評價數(shù)據(jù)方面的工作，計劃的水壓試驗結(jié)果；②描述ERW焊縫性能的小尺寸沖擊試驗；③ERW焊縫缺陷預(yù)測模型；④壓力循環(huán)導(dǎo)致疲勞的ERW焊縫缺陷；⑤ERW焊縫失效的斷口形貌及金相組織。

（3）任務(wù)3。任務(wù)3關(guān)于選擇性焊縫腐蝕或者溝腐蝕，有4份中期報告，涉及以下內(nèi)容：①文獻回顧及分析結(jié)果；②開發(fā)現(xiàn)場可用定量敏感性評價方法；③減輕溝腐蝕指南的編制及驗證；④評價的啟示。

（4）任務(wù)4。任務(wù)4是針對建議書P-09-1內(nèi)容，結(jié)合中期報告的結(jié)論和啟示，對以上提到的報告、趨勢和分析的綜合集成。

2 項目的主要結(jié)論

2.1 任務(wù)1

2.1.1 失效數(shù)據(jù)分析

關(guān)于ERW及FW鋼管焊縫失效數(shù)據(jù)，由KAI及DNV編寫的部分，包含了280起失效案例；由Battelle編寫的部分，包含了289起失效案例。分析KAI、DNV、Battelle三家承（分）包商聯(lián)合失效數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，可以獲得以下主要發(fā)現(xiàn)。

（1）ERW及FW鋼管焊縫失效主要原因為冷焊、鉤狀裂紋、選擇性焊縫腐蝕、壓力循環(huán)使焊縫缺陷疲勞擴大。疲勞裂紋擴展的現(xiàn)象僅發(fā)現(xiàn)于液體輸送管道，輸氣管道中并未發(fā)現(xiàn)。

（2）水壓試驗并不能完全防止由于短的冷焊或者針孔而造成服役過程中的泄漏。有證據(jù)顯示水壓試驗有可能加劇這樣的泄漏。

（3）低頻電阻焊及直流電阻焊材料中的冷焊，傾向于以脆性的方式起裂。發(fā)生過失效壓力遠低于之前水壓試驗壓力的情況。

（4）對冷焊缺陷采用塑性斷裂開裂模型進行的失效應(yīng)力水平的預(yù)測結(jié)果不準。這一模型預(yù)測的結(jié)果過高地估計了實際失效應(yīng)力，其原因可能與冷焊往往以脆性方式失效有關(guān)。

（5）水壓試驗不能排除尺寸短、穿壁厚、填充氧化物的冷焊缺陷（這些缺陷在隨后會因為氧化物的惡化而造成泄漏），但可以排除許多冷焊缺陷。

（6）鉤狀裂紋并非是造成服役失效的重要原因，但當(dāng)存在疲勞裂紋的擴展長大，或鉤狀裂紋存在于脆性材料中，或者其失效伴隨著比如二次應(yīng)力這樣的情況下，鉤狀裂紋是一個問題。

（7）數(shù)據(jù)庫中有一起鉤狀裂紋失效，有些專家相信卡邁開爾的失效起源于鉤狀裂紋，該起失效與之非常相似。

（8）水壓試驗排除了許多鉤狀裂紋。

（9）利用母材金屬的性能，采用塑性開裂起裂模型的In-secant公式，對鉤狀裂紋缺陷，預(yù)測的失效應(yīng)力并不滿意。預(yù)測應(yīng)力和實際失效應(yīng)力之間根本沒有關(guān)系。如果采用缺陷部位的韌性和流變應(yīng)力數(shù)據(jù)而非母材的性能數(shù)據(jù)，可能會改善這一情況。該項目的第二階段，將對其他模型進行試驗。

（10）通常適用于預(yù)測腐蝕鋼管剩余強度的模型，或者用于預(yù)測塑性材料裂紋缺陷失效應(yīng)力水平的模型，都不能用于選擇性焊縫腐蝕缺陷失效應(yīng)力的預(yù)測。

（11）常用于塑性開裂起裂的模型并不適用于疲勞裂紋缺陷擴展的評價。

（12）對所有類型的缺陷采用單一假定的韌性值，用塑性開裂起裂模型并不能對冷焊、鉤狀裂紋、選擇性焊縫腐蝕準確預(yù)測出失效應(yīng)力水平，說明對由裂紋檢測器檢測定量的異常點，現(xiàn)在所使用的模型，所預(yù)測的失效應(yīng)力是不可靠的。

1970年以前生產(chǎn)的材料出現(xiàn)了很多焊縫失效。近幾年大家知道了高硬度的熱影響區(qū)開裂，與由美國俄亥俄州揚斯敦管廠于1940年代后期直至1950年代生產(chǎn)的鋼管有關(guān)。本次有關(guān)ERW焊縫失效數(shù)據(jù)庫中，至少包含了一起這樣的失效。使用揚斯敦管廠鋼管建成老管線的運營商應(yīng)采取措施，以減少原子態(tài)氫的產(chǎn)生，原子態(tài)氫可由管道內(nèi)的酸性組份、內(nèi)表面的腐蝕或者管道外表面陰極過保護而產(chǎn)生。

2.1.2 水壓試驗的有效性

為防止ERW和FW鋼管因焊縫存在缺陷而在服役中失效，最有效的方法是對其進行水壓試驗，水壓是其規(guī)定的最小屈服強度（SMYS）的90%，或者更高。但水壓試驗有一定的局限性。試驗應(yīng)力水平越高，殘留缺陷將越小，焊縫完整性將越強，殘留缺陷隨后可能再發(fā)生失效的時間也將更長。低應(yīng)力水平的試驗也能排除一些缺陷，但鋼管在這些試驗后的比較短的時間里可能發(fā)生服役中的開裂。工廠對每一支鋼管進行水壓試驗（工廠試驗）。工廠試驗其應(yīng)力水平從60%SMYS（B級鋼）到85%SMYS或90%SMYS（X級鋼），保壓時間僅5 s或10 s。本研究顯示管道建成后，進行投用前的水壓試驗時，有大量案例顯示鋼管在很低應(yīng)力水平下發(fā)生了失效（比如有些案例的應(yīng)力水平比管道預(yù)計的操作應(yīng)力水平低）。

遠高于最大運行壓力的水壓試驗，可以證明管道的適用性，但當(dāng)有缺陷在壓力循環(huán)下產(chǎn)生疲勞擴展的情況，或發(fā)生選擇性焊縫腐蝕情況時，隨著服役時間推移，管道的安全性將降低。壓力循環(huán)導(dǎo)致的疲勞有可能使缺陷增大，需要對危險液體管道開展焊縫完整性評價。若存在選擇性焊縫腐蝕威脅，對液體輸送管和天然氣輸送管都需要開展定期的焊縫再評價。

有些例子中，缺陷可能在水壓試驗過程中發(fā)生擴展，產(chǎn)生所謂的“壓力反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。經(jīng)驗和分析結(jié)果表明，只要試驗壓力/運行壓力的比值等于或者超過1.25，壓力反轉(zhuǎn)導(dǎo)致失效的可能性就非常低。將試驗壓力提升到規(guī)范要求的最大運行壓力的1.25倍以上并保持幾分鐘的尖峰試驗（“Spike”testing），可以增加保證不產(chǎn)生壓力反轉(zhuǎn)的信心，并且延長有些缺陷由于服役中的疲勞長大而導(dǎo)致失效的時間。

水壓試驗并不總能防止隨后服役中的失效。服役中失效，可能是由于超壓，試驗壓力/運行壓力比值不夠大而產(chǎn)生了壓力反轉(zhuǎn)，或者是殘存的缺陷疲勞長大而這期間又沒有進行再檢測。當(dāng)然本研究的例子表明，按照適當(dāng)?shù)臅r間間隔，以足夠高的應(yīng)力水平重復(fù)進行水壓試驗，這樣就不容易產(chǎn)生服役中的失效。通過這樣的試驗，消除了有害缺陷。盡管每次試驗的壓力保持恒定，但經(jīng)過多次試驗，發(fā)現(xiàn)隨后即使失效，失效的平均壓力變得更高。

水壓試驗消除不了一些短而深的缺陷，例如短的冷焊、氧化夾雜（penetrator）、針孔。水壓試驗后，這些缺陷有可能產(chǎn)生泄漏，并且水壓試驗可能促進這些缺陷泄漏（可能防止泄漏的氧化物通過水壓試驗而被惡化）。

對現(xiàn)有管道進行水壓試驗，另外一個不足是試驗中的失效有可能延緩管道投入使用，而且對試驗用水的處理也是一個問題，試驗后也無法知道管道還存在什么類型和尺寸的缺陷。將水壓試驗應(yīng)力水平提升至100%SMYS以上有可能在試驗過程中產(chǎn)生大量的失效，從而延緩管道投入使用，因而管道運營商往往不愿采取這樣的水壓試驗。因為管道運營商將不知道殘留缺陷的狀態(tài)，只好假設(shè)存在失效壓力不高于試驗壓力的缺陷，并且這些缺陷就存在于最高應(yīng)力幅值循環(huán)的位置。水壓試驗的這些不足也說明內(nèi)檢測對焊縫完整性評價的重要性。使用可靠的內(nèi)檢測工具開展管道評價，可以讓運營商按照計劃找出并消除有害的缺陷，而不需停用管道。另外，可靠的內(nèi)檢測工具能識別更多的缺陷，特別是非常小的缺陷，而這些缺陷在即使是水壓到110%SMYS的情況下也可能不會失效而被發(fā)現(xiàn)。

2.1.3 ERW焊縫內(nèi)檢測完整性評價記錄追溯

審查了13起針對ERW或者FW鋼管焊縫所做的裂紋型內(nèi)檢測評價。審查時將內(nèi)檢測工具檢驗評價結(jié)果和各種不同方法驗證的結(jié)果進行了比較，包括現(xiàn)場無損檢測、隨后的金相檢驗、對內(nèi)檢測工具檢查有異常點鋼管的水壓爆破試驗及隨后對管道的水壓試驗。

顯然通過裂紋內(nèi)檢測工具發(fā)現(xiàn)了一些ERW鋼管焊縫缺陷。當(dāng)然現(xiàn)在的技術(shù)還不能對缺陷進行分類（例如冷焊、鉤狀裂紋、選擇性焊縫腐蝕）。另外，工具檢驗的深度和長度誤差也很重要。有3起內(nèi)檢測工具沒能檢出焊縫中的異常，但在隨后使用了一年或兩年發(fā)生了服役失效的事故。

對內(nèi)檢測評價程序需要強調(diào)的另外一方面是現(xiàn)場無損檢測驗證。就所研究的案例，內(nèi)檢測工具給出異常點的深度和現(xiàn)場無損檢測確定的深度之間符合度并不理想。有些情況下內(nèi)檢測工具給出的深度比現(xiàn)場無損檢測確定的小，有些情況下則大。內(nèi)檢測工具給出異常點的長度和現(xiàn)場無損檢測確定的長度之間的符合度比深度要好一點。在現(xiàn)場除了只有無損檢測方法進行驗證，沒有其他方法的情況下，就沒法判定到底是哪種方法給出的結(jié)果更可靠。

對內(nèi)檢測工具探測缺陷及缺陷尺寸定量能力最好的評價就是金相檢驗，以及對包含異常點部分的鋼管進行的爆破試驗。將管樣剖開暴露出異常點就可以直觀評價內(nèi)檢測工具對缺陷尺寸進行定量的能力。但是爆破試驗花費更大、時間更長。可見，內(nèi)檢測工具對缺陷尺寸的定量能力還需改善。

有幾起案例表明，裂紋型內(nèi)檢測工具在對管道檢測完后進行的水壓試驗，證實裂紋型內(nèi)檢測工具漏掉了幾處應(yīng)該能檢到的異常點。

總之在這13起案例中，研究團隊認為還沒有哪一起案例中的檢測能對所評價部分的鋼管焊縫完整性給出完全的信心。裂紋型內(nèi)檢測工具發(fā)現(xiàn)了一些缺陷令人鼓舞，內(nèi)檢測工具的更廣泛應(yīng)用將促進對其檢測能力的認識。

管道運營商繼續(xù)采用裂紋型管道內(nèi)檢測工具來檢測管道，并且采取一些措施，以增強對內(nèi)檢測工具的信心，包括從管道上截取足夠數(shù)量的樣管來進行金相檢驗，并且/或者進行水壓爆破試驗來校準內(nèi)檢測及現(xiàn)場無損檢測的準確性。只有對內(nèi)檢測工具的檢測結(jié)果有了足夠的信心，那么才有可能使管道運營商在對管道進行了內(nèi)檢測工具的檢測后，再進行水壓試驗，將保證不會漏掉一些危險的異常點。如果這不現(xiàn)實，那么對內(nèi)檢測工具獲得信心的另外一個辦法可能就是在后續(xù)焊縫完整性評價中交替選用水壓試驗方法和裂紋型內(nèi)檢測工具檢測方法。

2.2 任務(wù)2

2.2.1 全尺寸試驗

搜集到的780.288 m（2 560 ft），70支鋼管中有32支鋼管探測到焊縫異常。管道內(nèi)檢測工具及開挖檢驗工具探測到有1處大的工廠異常點的鋼管，水壓試驗到94%SMYS時爆裂。有最大異常點的2支鋼管，爆破試驗時在常規(guī)的水壓試驗中并未失效，未探測到鉤狀裂紋或者暴露出鉤狀裂紋?；谶@些試驗，除了探測到錯邊，所有其他的異常點都歸為小缺欠。除非按最嚴厲條款進行水壓試驗，否則這些異常點很可能會保留，在正常運行條件下也不會失效。盡管所有檢測的顯示都很小，對很多鋼管由管道內(nèi)檢測工具探測到鋼管中顯示的數(shù)量，對應(yīng)于由開挖檢驗方法檢查到鋼管中顯示的數(shù)量。所以這兩種檢測方法對小的異常點相互一致。

起先期望試驗中有些鋼管在運行壓力下爆裂，暴露出異常點以確認異常點類型并量化其幾何尺寸，來評價管道失效預(yù)測模型的有效性，建立及評價管道內(nèi)檢測工具及開挖檢驗工具的操作性能。然而只探測到1處異常點，在略低于SMYS下失效，可見這一方法并不像原先提出時那么奏效。由于異常點的幾何尺寸并不明顯或者具有代表性，管道內(nèi)檢測或開挖檢驗并不能用作對比基礎(chǔ)，從搜集到的案例中并不能得出評判檢驗技術(shù)可操作性的結(jié)果。

缺乏包含焊縫異常點的ERW鋼管樣品，是人們在試圖建立足夠的技術(shù)來確保完整性所面臨的困難。工廠檢驗、工廠水壓試驗、管道投用前水壓試驗、管道內(nèi)檢測試驗及事故后的水壓試驗都使所能得到的焊縫異常點的案例數(shù)量減少。但失效事故確實發(fā)生，所以仍需要有代表性的樣品。

值得注意的是，一期工作搜集到780.288 m（2 560 ft）鋼管，70支鋼管中僅有32支鋼管探測到焊縫異常，所有異常點都為小缺欠。在正常的水壓試驗中，這些缺欠不會失效。

2.2.2 小尺寸試驗

小尺寸試驗的目的是確認ERW鋼管焊縫韌性。

基于文獻調(diào)查，推薦用CVN試驗評價ERW鋼管焊縫韌性。未用J積分法評價斷裂韌性。

文獻調(diào)查結(jié)果支持原則上將夏比沖擊試驗用于評價管線鋼的韌性，尤其是ERW焊縫。研究發(fā)現(xiàn)，夏比沖擊試驗結(jié)果和其他昂貴與復(fù)雜形式的斷裂力學(xué)試驗結(jié)果具有良好的相關(guān)性；并且，采用夏比沖擊試驗進行的完整性預(yù)測結(jié)果與全尺寸爆破試驗結(jié)果一致。相比其他的斷裂力學(xué)試驗，夏比沖擊試驗的成本低，允許重復(fù)試驗，可更好地描述韌性試驗數(shù)據(jù)的分散性，以對材料韌性提供更好的預(yù)測。

從兩節(jié)鋼管上進行CVN試驗，試驗時沿周向改變V型缺口距焊縫熔合線的位置。典型小角度鉤狀裂紋終點距焊縫熔合線1 mm，大角度鉤狀裂紋終點距焊縫熔合線2 mm。2 mm，一般已位于熱影響區(qū)粗晶區(qū)之外的細晶區(qū)。金相分析表明，兩節(jié)鋼管分別包含未進行焊后熱處理的低頻電阻焊焊縫和進行了焊后熱處理的高頻電阻焊焊縫。未進行焊后熱處理的低頻電阻焊焊縫的夏比沖擊試驗結(jié)果表明，越靠近熔合線，夏比沖擊吸收能降低越快。剪切面積百分數(shù)和側(cè)向膨脹，基本上與夏比能量數(shù)據(jù)一致，表現(xiàn)出隨著距熔合線位置的強烈變化。

從進行了焊后熱處理鋼管上取樣，進行CVN試驗，試樣缺口在圓周方向隨距熔合線距離變化，其性能變化不大。金相分析表明，焊縫曾已被加熱到比較高的溫度而使晶粒細化，在焊縫熔合線及其附近位置形成了更加均勻的金相組織。經(jīng)過焊后熱處理比未經(jīng)焊后熱處理的焊縫韌性要高，其原因在于金相組織的均勻性。

在焊縫熔合線、無損檢測特征點及距無損檢測特征點一定位置取樣，并進行CVN試驗。11處無損檢測特征點的金相檢驗結(jié)果表明，有2處顯示出表面開裂的未熔合缺陷（LOF：lack-of-fusion），3處顯示出非表面的未熔合缺陷。未熔合缺陷是在檢驗的4支鋼管中的1支中發(fā)現(xiàn)的。

臨近確認的未熔合缺陷所做夏比吸收功（上平臺）高于遠離該缺陷部位的夏比吸收功讓人驚異。低溫下（下平臺）夏比吸收功相似。其余無損檢測特征點的評價并未發(fā)現(xiàn)夏比吸收功隨無損檢測特征點距離變化的趨勢。對熔合線缺陷進行大量的取樣試驗，將有助于確認夏比吸收功如何隨距未熔合缺陷或其他類型焊縫缺陷距離的變化規(guī)律。

CVN的經(jīng)驗表明，在鋼管尺寸、拉伸性能、缺陷幾何尺寸都已知的情況下，采用CorLASTM失效壓力計算法，預(yù)測造成失效時所需夏比吸收功非常低。因為這一研究中的數(shù)據(jù)非常有限，這些數(shù)據(jù)也不支持焊縫的CVN試驗可用于對焊縫缺陷的完整性評價。進一步的試驗有助于確定CVN試驗在這方面是否有用。對含有熔合線缺陷管段所進行的水壓試驗，可用于建立熔合線夏比吸收功的范圍，步驟如下：①進行一系列水壓試驗；②測量鋼管幾何尺寸及起始缺陷的長度和深度；③測量鋼管拉伸性能；④用CorLASTM或者其他斷裂力學(xué)模型來反算造成失效的夏比吸收功。

DNV也建議進行母材及焊縫部位的CVN試驗，以建立/增加管道數(shù)據(jù)。一旦發(fā)生管道失效，再進行計算或其他工作，若需要力學(xué)性能，這些數(shù)據(jù)將非常有用。

2.2.3 預(yù)測模型

對管道內(nèi)檢測器探測到的缺陷，采用塑性和脆性兩種模型評價其失效應(yīng)力。由于不知每一支鋼管強度及韌性，對塑性材料假定相當(dāng)保守的強度和韌性水平，對脆性材料假定相當(dāng)保守的韌性水平。采用KAI、DNV數(shù)據(jù)庫中所觀察到的缺陷失效的應(yīng)力水平，來校驗適當(dāng)保守的韌性水平。塑性材料相關(guān)的強度水平是指其流變應(yīng)力，經(jīng)驗表明SMYS+68.947 57 MPa（10 000 psi）為適當(dāng)保守的水平。

以脆性方式失效的冷焊、鉤狀裂紋缺陷，采用斷裂韌性水平22.4 kpsi·inch1/2（對應(yīng)于夏比吸收功4 ft·lb，5.4 J），用脆性斷裂模型（Raju/Newman 公式）計算得到失效應(yīng)力水平的下邊界。采用斷裂韌性水平5.2 kpsi·inch1/2（對應(yīng)于夏比吸收功0.4 ft·lb，0.54 J），用上述模型可以計算得到選擇性焊縫腐蝕缺陷失效應(yīng)力水平的下邊界。

對傾向于塑性方式破壞的鉤狀裂紋及其他缺陷，采用母材夏比吸收功，修正的Ln-Sec公式，可以給出合理（經(jīng)常過于保守）的失效應(yīng)力水平。與此有相似預(yù)測水平的模型有PAFFC，CorLASTM，或API 579 Level II分析。針對32個疲勞擴展缺陷中的31個，采用15 ft·lb（20.3 J）夏比吸收功，修正的LnSec公式可以計算出合理（經(jīng)常過于保守）的失效應(yīng)力水平。

因為2種類型的斷裂（塑性和脆性）與ERW或FW焊縫附近金相組織的不同區(qū)域相關(guān)，進行合理的下邊界預(yù)測，需要知道缺陷的類型，及其距熔合線的位置。同一支鋼管中，ERW焊縫的韌性因位置不同而差距非常大?，F(xiàn)有裂紋型內(nèi)檢測工具并不能區(qū)分缺陷到底是冷焊還是鉤狀裂紋等。對內(nèi)檢測工具檢測出異常點準備開挖及檢驗排序，進行失效應(yīng)力下邊界預(yù)測時，妥協(xié)的方法是采用ERW失效數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)的韌性水平最低值5.2 kpsi·inch1/2（0.54 J）。與發(fā)現(xiàn)有危害及需要維修的異常點相比，采用預(yù)測失效應(yīng)力的下邊界評價會導(dǎo)致對許多危害不大的輕微異常點的開挖及檢驗。對僅經(jīng)過水壓試驗而保留下來的缺陷，預(yù)測焊縫缺陷失效應(yīng)力的下邊界評價不適用于計算其剩余壽命。

巴特爾用于評價ERW焊縫缺陷失效應(yīng)力水平預(yù)測模型的經(jīng)驗暗示，當(dāng)材料局部強度及韌性已知，缺陷可以描述為一個簡化理想的形狀時，通過塑性失穩(wěn)或斷裂模型可以獲得失效應(yīng)力的合理預(yù)測。當(dāng)缺陷難以描述其尺寸及形狀，或材料局部性能未知時，這些模型并不能給出可靠的預(yù)測。

表1歸納了對各種不同的焊縫缺陷，哪種預(yù)測模型適用于評價其失效應(yīng)力。為理解模型所完成試驗的程度及對材料性能所做的假設(shè)，需要咨詢報告及子任務(wù)2.4預(yù)測模型中的支持性文字［1］。

表1 評價鋼管焊縫缺陷失效應(yīng)力建議預(yù)測模型

2.2.4 疲勞長大的ERW焊縫缺陷

子任務(wù)2.5報告表明，通過Paris法則疲勞分析（Paris-law fatigue analysis）可以保守并可靠地對疲勞長大缺陷進行剩余壽命的評價。對僅經(jīng)過給定水壓試驗應(yīng)力水平而保留的一類缺陷，通過假定材料具有與其鋼管鋼級相一致的高強度及高韌性，可以進行失效最短時間的保守預(yù)測。這一方法中，假設(shè)將保留缺陷的尺寸最大化，這樣預(yù)測的失效時間將最短。

采用內(nèi)檢測方式，確定特定缺陷情況下，通過假定材料具有與其鋼管鋼級相一致的最低強度及最低塑性斷裂韌性值（通常易于通過壓力循環(huán)導(dǎo)致疲勞的缺陷都處于塑性方式開裂的材料區(qū)域內(nèi)），可以進行失效最短時間的保守預(yù)測。

值得注意的是，無需知道管道中每一支鋼管的具體性能，在水壓試驗后或內(nèi)檢測評價后都可以保守地進行剩余壽命預(yù)測。當(dāng)然謹慎的做法是，對計算得到的剩余壽命使用一個安全系數(shù)，這樣可以及時地重新試驗、檢驗以及對缺陷采取措施，而不至于使缺陷長大到在管道最大運行壓力下發(fā)生失效。

2.2.5 描述焊縫斷口及金相檢驗

評價了將檢驗ERW焊縫失效的斷口及金相方法標準化的優(yōu)點及可能性。由于造成失效的獨特差異及局部金相組織的差異，需要一事一法地采用斷口及金相方法。隨后工作主要關(guān)注于：①展示與ERW焊縫失效分析相關(guān)的獨特方面；②基于相同目標潛在的新方法。報告中的附件展示了焊縫缺陷失效報告的范圍、目的和過程，報告中的附錄說明實際情況要求的高質(zhì)量金相和斷口應(yīng)用的例子。這包括一個鉤狀裂紋下發(fā)現(xiàn)的疲勞條紋，清楚地表明循環(huán)載荷促進缺陷尺寸的長大，這是從制造過程中曾經(jīng)穩(wěn)定的異常點導(dǎo)致的失效。第二附件對該附件進行了補充，用來進一步說明ERW和FW焊縫失效獨特的起源及其他方面。

研究發(fā)現(xiàn)，考慮到ERW焊縫獨特的微觀組織特征及其斷裂過程復(fù)雜性，也將用于均勻金屬的斷口分析和金相分析用于ERW。為更好地理解和定量化研究ERW焊縫失效，輔以光學(xué)發(fā)射光譜法判定局部斷口的化學(xué)成分，引入了自動三維成像和X射線斷層掃描兩種新技術(shù)。

斷裂沿阻力最小的路徑擴展，預(yù)測到ERW焊縫斷裂面在不同微觀結(jié)構(gòu)間發(fā)生轉(zhuǎn)換，用3D方法觀察也發(fā)現(xiàn)斷裂面之間大跳躍的變換。這也明確了就CVN試驗，由于這種轉(zhuǎn)換，使對其實際測量的解釋更加復(fù)雜，并引起吸收能量和延性程度（用剪切面積百分比表示）的顯著分散。使用儀器化CVN沖擊試驗機可以解決斷裂功在裂紋萌生、擴展和變形部分的差異，可能在解釋焊縫韌性和分散性方面有用，這通過對通常試驗機的微小改動即可實現(xiàn)。計算機斷層掃描的應(yīng)用是對常用金相分析的補充，在選擇最佳平面進行詳細金相分析時更是如此。

主要結(jié)論包括：①由于ERW焊縫失效特征的差異，及在相關(guān)局部顯微組織的差異，就斷口分析和金相分析，要求一事一法，實際排除了將其標準化；②自動三維成像和X射線斷層掃描的新方法，是對目前斷口分析和金相分析的有效補充，并有可能更好地理解控制失效的因素，表征涉及的尺寸、形狀和失效機理；③光學(xué)發(fā)射光譜結(jié)果表明，對加工良好的ERW焊縫，臨近熔合線的平均化學(xué)成分與遠離熔合線的差別不大；④裂紋沿阻力最小的路徑在ERW焊縫擴展；焊縫不同的顯微組織造成裂紋萌生和擴展面大的變化；⑤裂紋面變化和CVN試驗缺口鈍化的復(fù)雜性，使直接使用測量能量和剪切面積百分比復(fù)雜化，如果使用儀器化CVN沖擊試驗機來形成數(shù)據(jù)，可以改善ERW焊縫失效壓力和其他的預(yù)測。

2.3 任務(wù)3

任務(wù)3從文獻回顧和結(jié)果分析開始，然后開發(fā)了一個可用于現(xiàn)場量化這種失效機制敏感性的方法。此外，也建立了減輕準則，并驗證了結(jié)果。

2.3.1 文獻回顧和分析

過去幾年，發(fā)生了一些沿縱向焊縫斷裂的災(zāi)難性管道失效。這些事故似乎表明，焊縫的完整性評估、管道內(nèi)檢測和水壓試驗并未識別或探測到存在的高風(fēng)險焊縫缺陷。

ERW焊縫缺陷形成有多種原因。未熔合焊接缺陷源于鋼管最初的制造過程，典型原因有導(dǎo)電靴和鋼板母材之間電接觸的缺失、缺乏適當(dāng)?shù)陌暹吘墱蕚洌约叭狈ψ銐虻臄D壓力使間隙貼合。選擇性焊縫腐蝕是另一種機制。報告對公開發(fā)表的相關(guān)管線鋼管選擇性焊縫腐蝕的文獻進行了總結(jié)。

根據(jù)現(xiàn)有文獻，選擇性焊縫腐蝕不僅是ERW焊管，也是其他制管方法焊縫完整性方面的威脅。已經(jīng)提出了幾種機制來解釋如何和為什么會發(fā)生選擇性焊縫腐蝕，包括：①焊頭和基體金屬電偶間相互作用；②鋼鐵不同相間溶解/腐蝕速率的差異；③焊頭中的夾雜物和化學(xué)成分偏析；④夾雜物與鋼之間存在的縫隙或未熔合。

所提出的機制中，富硫和硫化物夾雜導(dǎo)致焊頭局部腐蝕似乎最有意義并得到了大量的證據(jù)支持。除了控制硫含量水平和夾雜物的形狀及組成，鋼的成分和顯微組織、焊接熱輸入、焊后焊縫或全管體的熱處理都是減小選擇性焊縫腐蝕敏感性的重要因素。一旦安裝于管道，影響選擇性焊縫腐蝕的環(huán)境因素與其他形式的腐蝕本質(zhì)上相同。減輕和控制其他形式腐蝕的方法，包括化學(xué)處理、涂料和Cp準則（Cp統(tǒng)計量作為選擇最優(yōu)子集的一種標準），也可以減輕選擇性焊縫腐蝕。

盡管開展了選擇性焊縫腐蝕的評估，在對促進或減緩選擇性焊縫腐蝕敏感性各種潛在影響因素方面依然存在許多不足。其中包括需要確定是否存在一個鋼的臨界硫含量，在此以下選擇性焊縫腐蝕不是問題；對選擇性焊縫腐蝕敏感鋼管確定及評價Cp水平以減輕選擇性焊縫腐蝕的指南；更好地量化土壤和涂層特性對選擇性焊縫腐蝕敏感性的影響。就選擇性焊縫腐蝕威脅，填補這些空白將大大提高管道完整性計劃的技術(shù)水平和成本效益。

2.3.2 現(xiàn)場可用量化選擇性焊縫腐蝕敏感性的方法

該子任務(wù)進行的研究表明，焊頭與基體金屬間腐蝕動力學(xué)的差異是ERW焊縫選擇性焊縫腐蝕的主要原因?；谶@一發(fā)現(xiàn)，開發(fā)了一種評定ERW焊縫選擇性焊縫腐蝕敏感性、現(xiàn)場可用、無損的電化學(xué)方法。這種技術(shù)利用藤壺單元測量管道上選擇小區(qū)域（例如焊縫和母材）的線性極化電阻。使用藤壺單元表明可以很容易區(qū)分選擇性焊縫腐蝕敏感的鋼管和不敏感的鋼管。建議進一步評估這種方法，將其納入現(xiàn)有的標準或制定一個新的標準。

2.3.3 減輕選擇性焊縫腐蝕指南

在該任務(wù)中，為評估減輕選擇性焊縫腐蝕的Cp準則開展了長期的土槽試驗。試驗結(jié)果表明，盡管Cp水平不符合標準，但在減輕選擇性焊縫腐蝕敏感鋼管的腐蝕速率方面有部分效果。子任務(wù)的研究結(jié)果表明，選擇性焊縫腐蝕敏感焊縫的腐蝕速率高達母材的5倍。假設(shè)一個－850 mV關(guān)閉電位足以減輕母材金屬的腐蝕，土壤陽極（腐蝕）動力學(xué)塔菲爾典型范圍的斜率是150～200，要對焊縫提供相同水平的保護必須再有一個100～140 mV的額外極化。

2.3.4 評估意義

本研究的結(jié)果說明了選擇性焊縫腐蝕的機理，現(xiàn)場可用量化選擇性焊縫腐蝕敏感性的方法很容易實現(xiàn)商業(yè)化。所獲得的信息可以作為管道運營商完整性管理計劃中一個評估工具。研究還指出如何將選擇性焊縫腐蝕敏感性評價結(jié)果納入Cp指南。

2.4 任務(wù)4

2.4.1 對比檢驗與爆破結(jié)果

子任務(wù)4.1的目的是量化管道內(nèi)檢測及開挖檢測工具和完整性評估預(yù)測模型的有效性，以現(xiàn)場水壓試驗結(jié)果和3次全尺寸爆破試驗結(jié)果為基準，對含有異常點的焊管進行模型預(yù)測。以對比的方式，評價了6個子任務(wù)的結(jié)果，包括：①子任務(wù)2.1和2.2，定位并搜集ERW鋼管，爆破試驗之前用管道內(nèi)檢測及開挖檢測工具檢驗鋼管；②子任務(wù)2.4，評估失效預(yù)測模型對缺陷的適用性，子任務(wù)1.3基于檔案數(shù)據(jù)提供了以往管道內(nèi)檢測使用的情況，以上兩者提供了比較對比分析的輸入；③子任務(wù)2.3，說明表征ERW焊縫性能的小尺寸試驗，以為預(yù)測模型提供輸入；子任務(wù)2.6，評估表征焊縫失效的方法，作為在預(yù)測模型中給出特征尺寸的方法。

比較對比分析還考慮了自2011年來對超過2 414.016 km（1 500 mi）的ERW管道廣泛開展的現(xiàn)場水壓試驗、管道內(nèi)檢測及開挖檢測工具檢驗評估的結(jié)果。其結(jié)果有助于確定為提高ERW管完整性管理水平所需開展的行動，其結(jié)果將有可能導(dǎo)致制定標準，或開發(fā)工具及商業(yè)化。其結(jié)果展示了對軸向焊縫缺陷檢測和確定其尺寸的第二代或第三代技術(shù)，特別是螺旋漏磁和電磁聲換能器（電磁超聲）。

與早期使用第一代檢查技術(shù)的結(jié)果相比，趨勢表明，目前在檢測和確定其尺寸大小技術(shù)方面取得了很大改進。新興的開挖檢測技術(shù)使用的逆波場外推法（IWEX）是有推廣應(yīng)用前景的，該法結(jié)合了超聲相控陣技術(shù)和時差衍射法。現(xiàn)有的開挖檢測技術(shù)仍存在局限性，最可靠的方法是結(jié)合了時差衍射法和超聲相控陣技術(shù)的磁粉檢測，結(jié)果表明，相比于目前可用的檢測工具，這一步改進是有意義的。

導(dǎo)致失效的缺陷均位于熔合線以及焊縫的擠壓區(qū)，這都與制造時的參數(shù)設(shè)置及過程故障有關(guān)。位于焊縫擠壓區(qū)的異常點遠比熔合線中的穩(wěn)定，這也表明僅異常點尺寸本身并不能完全決定其所造成的威脅。金相和斷口分析說明，相比加工（理想化）的缺陷，實際焊縫缺陷復(fù)雜得多，不僅其形狀和大小，而且其微觀結(jié)構(gòu)的差異會影響失效響應(yīng)。在檢查后的狀態(tài)排序評估中需要確定異常點的位置及類型。

如果特征點的形狀和尺寸已知，根據(jù)局部性能可以估計失效點局部的韌性，可能合理預(yù)測ERW焊縫失效的壓力。這意味著，用于量化失效壓力的模型必須針對特定的缺陷類型。盡管在表明了特征點嚴重程度差異和失效的局部阻力的情況下，可以實現(xiàn)良好的預(yù)測，但基于常規(guī)標稱性能所進行的初步分析，其結(jié)果明顯是分散的。因此，正如對異常點不能準確確定其尺寸大小，局部韌性和抗拉強度的不確定性（UTS）會導(dǎo)致預(yù)測失效的壓力分散。

部分針對于與應(yīng)力腐蝕開裂相關(guān)的裂紋特征，對超過2 414.016 km（1 500 mi）低頻以及高頻焊管的液體、極易揮發(fā)液體的天然氣管道，采用了螺旋漏磁（SMFL）和電磁超聲的管道內(nèi)檢測工具的檢查，表明檢測裂紋的技術(shù)最近取得明顯進步。

2.4.2 運營商及其供應(yīng)商報告數(shù)據(jù)解讀

（1）2008—2011年，采用電磁超聲對大部分由SSC導(dǎo)致開裂的檢測概率（POD）在置信水平90%時達95%，這遠高于在相同置信水平下通常引用的檢測概率80%。

（2）與最近使用早先代技術(shù)對管道進行了檢查而又發(fā)生管道失效相比，采用最近電磁超聲技術(shù)的專門結(jié)果表明，統(tǒng)計重要發(fā)現(xiàn)點數(shù)量，在95%的置信水平下，正確識別率大于91%。

（3）與最近使用早先代技術(shù)，如橫向漏磁工具，對管道進行了檢查而又發(fā)生管道失效相比，采用最近電磁超聲技術(shù)的專門結(jié)果表明，對深度尺寸檢測的準確性成功率從2008年的86%，到2011年的100%，呈逐步改善。

（4）因為這些結(jié)果與過去的經(jīng)驗和一些專家的期望相反，有必要更好地理解和記錄這些改進的背景，更廣泛地傳播這些觀點。

2.4.3 改進的背景和建議

（1）廠商、運營商和相關(guān)專家之間的合作，非常有助于檢測和判定尺寸能力的改進。

（2）ILI工具供應(yīng)商的規(guī)范在某些情況下相當(dāng)于90%SMYS的水壓試驗，但這個結(jié)果僅限于管道特定的幾何尺寸組合，對一些幾何尺寸工具并不是有效的。

（3）通過開挖檢測技術(shù)，如超聲相控陣技術(shù)來驗證管道內(nèi)檢測的方法，比想象的不靠譜。

（4）對基于超聲相控陣技術(shù)和相關(guān)技術(shù)新興的開挖檢測工具有限的試驗，一旦這種技術(shù)商業(yè)化，與目前現(xiàn)狀相比，其在異常點的尺寸判定方面將有明顯的改進。

（5）實際異常點不規(guī)則的形狀，使得采用常用兩個參數(shù)——最大長度與深度來量化其尺寸變得困難，有些情況會導(dǎo)致對管道內(nèi)檢測結(jié)果解釋的復(fù)雜化。

（6）只要用一些簡單的測量來表征復(fù)雜的特征，不同傳感器技術(shù)的測量值之間的差異不可避免，也混淆了對管道內(nèi)檢測有效性的評估。

（7）通過特征尺寸和局部特性來控制失效，這樣對管道內(nèi)檢測及開挖檢測工具檢驗結(jié)果的解釋必須依據(jù)特征的位置和可影響范圍的性能，同樣就像檢查工具的開發(fā)，常規(guī)局部強度和韌性量化水平的改進將影響對預(yù)測失效壓力的進一步提升。

（8）迎接挑戰(zhàn)，滿足“消除ERW焊管及老式系統(tǒng)的災(zāi)難性失效”要求，對管道內(nèi)檢測及開挖檢測技術(shù)的持續(xù)改善，除了檢測及確定其大小，還包括正確判定特征的類型及其位置。

（9）當(dāng)提出可以采用檢驗代替水壓試驗，并且有一些成功案例也支持這一觀點時，很明顯在某些情況下，所開展管道內(nèi)檢測檢驗相當(dāng)?shù)乃教幱诨虻陀跇藴省钚∷畨核剑⑶绎@然根據(jù)鋼管的幾何尺寸及在ERW焊縫的性能，由供應(yīng)商標稱的檢測有效性是可變的：關(guān)鍵就是，以異常點的尺寸描述的最小可檢測能力，當(dāng)采用等效水壓試驗壓力評估時，并不意味管道內(nèi)檢測的有效性恒定不變。

2.4.4 相似和時間趨勢分析

評價了在以下方面發(fā)生的變化：①從早先到現(xiàn)在的ERW焊縫制造工藝；②低頻ERW鋼管生產(chǎn)時所用的原材料鋼帶以及焊縫服役性能相關(guān)的質(zhì)量狀況，對HFW焊縫是否存在同樣問題可進行參考。這可通過時間趨勢分析、相似性分析及對比分析完成。

分析Battelle、KAI及DNV數(shù)據(jù)庫中的焊縫失效數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)偶爾也發(fā)生一些高頻焊管的失效，其失效頻率約為ERW焊管的1/10?；?，HFW工藝制管的服役性能比ERW工藝有很大改善。盡管偶爾發(fā)生失效，HFW焊縫工藝帶來服役性能改善的原因在于工藝控制及鋼帶供應(yīng)的改善，現(xiàn)代工藝促使形成更具韌性的焊縫。

趨勢分析表明，ERW和HFW工藝都形成鍛焊焊縫，這一點二者傳承相似。從1920年代起人們清楚認識到獲得良好的鍛焊焊頭就需在對接邊施加壓力排除焊縫中的氧化物及雜質(zhì)。趨勢顯示不合適的參數(shù)設(shè)置、過程故障及給定質(zhì)量的鋼帶，兩種工藝都可以生產(chǎn)出合于使用的焊縫。由此推測，導(dǎo)致服役中失效的潛在問題可以追溯到參數(shù)設(shè)置、過程故障及低質(zhì)量的鋼帶。因為：①鋼帶寬度、對平及板邊質(zhì)量，對接面相遇處的溫度、擠壓力和速度必須控制；②相比ERW工藝，HFW工藝具有生產(chǎn)高質(zhì)量焊縫的顯著潛力，趨勢分析也支持這點。

趨勢分析主要關(guān)注于可能導(dǎo)致問題的3個方面：①加熱方法；②生產(chǎn)順序（一截一截生產(chǎn)或連續(xù)生產(chǎn)）；③影響工藝及質(zhì)量控制的技術(shù)進步。發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中用于探測異常的技術(shù)并不總是靠譜的，甚至最好的探測技術(shù)也并不總能識別出熔合線/焊縫的異常點，而這些異常點可能導(dǎo)致服役失效。HFW工藝相比ERW工藝，其熔合線韌性提高，抵消了不能識別出熔合線/焊縫的異常點的問題。

2.4.5 獲得的結(jié)論

（1）因為ERW和FW工藝傳承相似，其所產(chǎn)生相同種類的異常點可以追溯至參數(shù)設(shè)置、過程問題或使用了低質(zhì)量鋼帶。只有當(dāng)排除使用低質(zhì)量鋼帶、避免過程問題、有害效應(yīng)可被可靠探測，從LF工藝轉(zhuǎn)向HFW工藝才可以制造出服役性能改進的鋼管。

（2）相比ERW工藝，HFW工藝更加集中的熱輸入導(dǎo)致更細化的焊縫顯微組織，從而降低了斷口形貌轉(zhuǎn)化溫度，增加了韌性，增大了極限缺陷尺寸，而有益于完整性管理。

（3）對HFW焊縫服役失效事故的時間趨勢分析表明，相比ERW工藝，HFW工藝生產(chǎn)鋼管的失效率降到了1/10。

（4）瞄準零事故的工業(yè)目標，對于世界范圍供應(yīng)的HFW鋼管來說，需要持續(xù)采用更好的技術(shù)控制生產(chǎn)中問題，減少有潛在異常點焊縫的鋼管進入美國管道系統(tǒng)。

（5）最后討論了鋼管生產(chǎn)過程和使用中探測和確定異常點尺寸大小的檢測技術(shù)，通過進一步減小潛在問題焊縫異常點未能探出的概率，來實現(xiàn)零事故的工業(yè)目標。

3 建 議

從第一階段活動涉及的主題來看，美國PHMSA（管道工業(yè)研究機構(gòu)和行業(yè)協(xié)會，管道運營商和/或管道內(nèi)檢測服務(wù)提供商）完整性管理依賴于以下3個途徑：①通過管道內(nèi)檢測或水壓試驗對ERW/FW管每個獨特威脅的狀態(tài)評估；②預(yù)測模型；③局部的力學(xué)和斷裂性能。

在進行評估時，建議通過管道內(nèi)檢測或水壓試驗進行狀態(tài)評估。此外，迫切需要美國PHMSA、管道工業(yè)研究機構(gòu)、行業(yè)協(xié)會、管道運營商和管道內(nèi)檢測服務(wù)提供商的努力，開發(fā)增強的管道內(nèi)檢測技術(shù)，能夠可靠地證明ERW和FW焊縫的完整性。將管道內(nèi)檢測發(fā)展得足夠好，以代替水壓試驗作為焊縫的完整性評價的主要手段是很重要的。水壓試驗費用昂貴、具有破壞性及其他限制，除非必須使用，應(yīng)盡可能地不要采用。相反，不管它是否從當(dāng)前狀態(tài)有所改進，管道運營商將繼續(xù)傾向于使用管道內(nèi)檢測進行焊縫完整性評估。

增強裂紋型管道內(nèi)檢測工具技術(shù)的目的：一是開發(fā)其判斷缺陷類型的能力，即能判斷檢測到異常是否為冷焊、鉤狀裂紋、選擇性焊縫腐蝕、幾何不連續(xù)或任何缺陷的疲勞擴展，這種能力將允許運營商更好地優(yōu)化先后順序；二是提高工具的檢測能力，使高于檢測限閾值的異常點不被漏過；三是提高判定異常點深度、大小的能力，這樣可使對焊縫異常點的響應(yīng)更可靠地優(yōu)化；最后，現(xiàn)場開挖用于驗證異常點的無損檢測方法，對由管道內(nèi)檢測定位的異常點需要對缺陷類型與其深度和長度進行更可靠和準確的判定。

3.1 建議1

建議瞄準以下目標來改進裂紋型管道內(nèi)檢測工具：能夠識別缺陷類型，判定相對熔合線的位置，能夠以高的置信度發(fā)現(xiàn)所有重要異常點并能更準確地確定異常點的深度。廠商、運營商和所需專家一起協(xié)作的環(huán)境，特別是當(dāng)采用如長度和深度一些簡單的測量來表征異常點時，不同傳感器技術(shù)和復(fù)雜異常點之間發(fā)生的差異，可以幫助促進這一過程。

3.2 建議2

因為失效由特征尺寸和局部的性質(zhì)控制，管道內(nèi)檢測及開挖檢測工具檢測結(jié)果的解釋必須與相關(guān)的性能結(jié)合完成，但該性能往往未知，為進一步提升完整性管理過程，開發(fā)常規(guī)量化局部強度和韌性檢驗工具的工作應(yīng)是當(dāng)務(wù)之急。

3.3 建議3

建議瞄準判定缺陷類型及更準確確定異常點深度來改進現(xiàn)場無損檢測技術(shù)。

3.4 建議4

因為檢驗供應(yīng)商的規(guī)范僅反映一般參數(shù)如尺寸，現(xiàn)有方法的閾值在某些情況下相當(dāng)于90%SMYS水壓試驗，而其他情況下相同工具并不太奏效：廠商應(yīng)該在協(xié)作背景下針對完整性確定規(guī)范而非工具絕對的能力。

3.5 建議5

選擇使用管道內(nèi)檢測裂紋工具的管道運營商應(yīng)截取帶有異常部分的鋼管進行金相檢驗和（或）爆破試驗，從而評估管道內(nèi)檢測和現(xiàn)場無損檢測的準確性。進行過管道內(nèi)檢測檢驗的部分或全部管段應(yīng)考慮進行水壓試驗確保未錯過嚴重缺陷。

盡管有局限性，進行應(yīng)力水平超過90%SMYS的水壓試驗在消除ERW和閃光焊縫缺陷方面是有效的。

3.6 建議6

采用水壓試驗以確保ERW和FW鋼管焊縫完整性的管道運營商，應(yīng)考慮使其所有部分最小達到90%SMYS的環(huán)向應(yīng)力水平。90%SMYS的水平可以由尖峰試驗實現(xiàn)（即將環(huán)向應(yīng)力升高至90%SMYS水平并保持壓力，保壓時間5～60 min）。尖峰試驗后可進行規(guī)程規(guī)定的測試（至少1.25倍MOP最大運行壓力水平的壓力，并保壓8 h），以檢查是否有泄漏。對于后續(xù)試驗，運營商應(yīng)繼續(xù)采用相同或更高目標的試驗壓力進行尖峰試驗。

本研究審查了預(yù)測ERW和FW鋼管焊縫缺陷失效應(yīng)力水平的模型。在適當(dāng)情況下使用時，這些模型能夠給出失效應(yīng)力的合理預(yù)測。使用塑性斷裂模型在某些情況下是合適的，有時則不行。對脆性行為導(dǎo)致的缺陷，塑性斷裂模型可能大大高估了失效壓力。而采用下邊界韌性值的脆性斷裂模型可能給出所有情況下破壞應(yīng)力的保守估計，其排他性的使用，為了檢查所有的有害缺陷會導(dǎo)致對很多異常點的檢查，而這些異常點并不會對焊縫完整性造成威脅。

3.7 建議7

建議持續(xù)研究失效應(yīng)力預(yù)測模型。由于預(yù)測失效壓力與評估極限缺陷尺寸涉及到同樣的技術(shù)，保守的壓力導(dǎo)致非保守的臨界尺寸，這樣模型的準確性和精確性是關(guān)鍵。然而，很顯然在這種情況下仍然存在差距，緣于模型公式，以及檢查工具確定復(fù)雜特征尺寸的能力和局部性能的不確定性。異常點尺寸和模型之間的結(jié)合意味著需要將此工作與提高管道內(nèi)檢測工具對每個異常點類型及其尺寸判別能力的建議相協(xié)調(diào)。關(guān)注檢驗和性能方面的建議在其他地方有提到，這里關(guān)注的重點是模型?，F(xiàn)有模型的建立考慮到建模的方便，其形狀按照單個異常點或面積等效特征，異常點的長度和深度足以描述其尺寸。

關(guān)于剩余壽命評估，說明了壓力循環(huán)引起疲勞造成缺陷擴大進而導(dǎo)致缺陷失效的時間評估方法，該方法已經(jīng)使用了超過20年。敏感性研究結(jié)果顯示各種輸入?yún)?shù)如何影響預(yù)測，并提出了各參數(shù)的建議數(shù)值。然而，這種方法存在顯著的缺點。很明顯對水壓試驗用它來計算重新評估的時間間隔時，必須作出最嚴重缺陷存在于最大壓力循環(huán)位置的假設(shè)。這往往會導(dǎo)致過于頻繁的試驗，因為最嚴重缺陷位于此位置的概率較低。

3.8 建議8

找出控制ERW焊縫失效的可量化特征性質(zhì)，追尋建模技術(shù)來量化失效壓力和缺陷臨界性之間的平衡。

3.9 建議9

基于老式管道，鋼管制造商和個別管道段失效行為的歷史試驗，考慮可能的缺陷數(shù)量，進行概率疲勞分析研究。蒙特卡洛方法可能是有效的。

3.1 0建議10

針對局部力學(xué)和斷裂性能，由于局部性能對失效壓力和剩余壽命預(yù)測有顯著影響，應(yīng)用研究的規(guī)劃和開發(fā)應(yīng)關(guān)注于開發(fā)出更好量化這些屬性的方法。儀器化CVN的做法似乎對量化焊縫韌性有指導(dǎo)性，而橫向小尺寸焊縫樣對力學(xué)性能有指導(dǎo)意義。由于這樣的做法被理解和實施，相比對其研究，而需要更多的數(shù)據(jù)開發(fā)。

3.1 1建議11

研究表明，鋼管道老化本身對其完整性并沒有顯著影響。數(shù)據(jù)表明，1970年之前制造的ERW或FW鋼管，年代越久遠，越容易出現(xiàn)焊縫缺陷問題。1970年后制造的ERW鋼管焊縫缺陷失效已不常見。未來研究應(yīng)關(guān)注時效帶來的效應(yīng)（即一些舊材料的韌性不足，已經(jīng)存在的缺陷需要被檢測出并進行修復(fù)，以防止其長大到導(dǎo)致服役失效），而非管線鋼管本身的老化。

3.1 2對建議書P-09-1的發(fā)現(xiàn)、啟示和結(jié)論

建議書P-09-1指導(dǎo)“開展綜合研究，以確定為消除ERW焊管縱焊縫災(zāi)難性失效，管道運營商可以采取的行動”。建議還指出，“研究至少應(yīng)包括對在線檢驗工具、水壓試驗和尖峰壓力試驗有效性和效果的評估；管道材料的強度特性和失效機理；老化對ERW管線影響；操作因素；數(shù)據(jù)收集和預(yù)測分析?！?/p>

在相關(guān)的評論中，美國國家運輸安全管理局（2009-P-09-1建議書）對美國PHMSA依靠使用在線檢測（管道內(nèi)檢測）和水壓試驗作為評估有問題鋼管焊縫完整性的基礎(chǔ)表示關(guān)切，并對應(yīng)用這些做法的可行性表示質(zhì)疑。美國國家運輸安全管理局簽署的建議呼吁美國PHMSA進行綜合研究，確定為消除ERW焊管縱焊縫災(zāi)難性失效，管道運營商可以采取的行動。隨后美國PHMSA針對建議公布的研究公告概述了工作范圍。研究公告要求項目至少應(yīng)包括對在線檢驗工具、水壓試驗和尖峰壓力試驗有效性和效果的評估；鋼管及焊縫材料的強度特性、缺陷和失效機理；老化對ERW管線的影響；操作因素；數(shù)據(jù)收集和預(yù)測分析。

結(jié)合建模、歷史的趨勢和分析、模型和全尺寸試驗，滿足了研究公告各方面的要求。將實際與檢測到的異常點進行比較和對比，以歷史結(jié)果的趨勢分析來評價水壓試驗和第一代檢測技術(shù)的有效性，一些技術(shù)空白有待解決。鑒于水壓試驗潛在的局限性和問題，彌補這些差距的工作應(yīng)該關(guān)注于檢驗。建立低頻和高頻焊接過程的歷史趨勢時使用了失效報告檔案。綜合覆蓋和分析以確定異常點的性質(zhì)，通過對這些異常點進行比較及相似性分析，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生原因有煉鋼和（或）焊縫焊接時的問題或缺少足夠的控制有關(guān)。審查和評估了對管理管道完整性所需的失效壓力和剩余壽命預(yù)測方案。

采用模型化和全尺寸試驗建立基礎(chǔ)基準，以量化目前可用模型和檢測技術(shù)的有效性。該工作有廣泛的現(xiàn)場和開挖試驗及檢驗支持，自2011年利用最近發(fā)展的技術(shù)覆蓋了超過2 414.016 km（1 500 mi）的ERW管線。這些結(jié)果表明，檢測技術(shù)取得了實質(zhì)性的改進，同時也明確了如果要實現(xiàn)ERW管線零事故的工業(yè)目標，尚有改進余地。同樣，實現(xiàn)這一目標將需要持續(xù)的使用技術(shù)，以更好地控制全球范圍內(nèi)供應(yīng)的HFW高頻管可能發(fā)生的問題，減少潛在有問題的焊縫異常點進入美國管道系統(tǒng)的幾率。

從上述的觀察與啟示明顯看出，歷史記錄支持建議書P-09-1所判定的差距。然而，同樣的近期在相關(guān)技術(shù)和完整性管理實踐方面的進步也是明顯的，該實踐是美國PHMSA管理美國老式管道系統(tǒng)，包括該系統(tǒng)的ERW組件的方法，其實用性和可行性是明顯的。很難設(shè)想不依靠狀態(tài)監(jiān)測和現(xiàn)行做法基礎(chǔ)上評估的完整性管理能確保安全服役的管道，這種持續(xù)的技術(shù)進步在為實現(xiàn)零事故目標方面很重要。

雖然該項目滿足了研究公告的各方面，但在理解失效過程、管理ERW管道網(wǎng)絡(luò)量化現(xiàn)有方案和技術(shù)有效性方面的差距仍是明顯的。因此，根據(jù)上述提到研究公告發(fā)起的工作，正在持續(xù)彌合這些差距。目標是提供一個嵌入解決上述問題的第三代模型的應(yīng)用工具，并提供支持其使用的改進的性能數(shù)據(jù)庫。第二個目標是更好地識別檢驗實踐中的差距，為該技術(shù)進一步的改進機會開發(fā)輸入。

4 對我國管道建設(shè)的啟示

從美國對ERW鋼管所建設(shè)管道開展的工作，對我國管道建議有以下啟示。

ERW鋼管建設(shè)管道曾發(fā)生過較多因為縱焊縫問題出現(xiàn)的事故［2］。因其管道建設(shè)已經(jīng)完成，所以美國對ERW鋼管建設(shè)管道開展的工作主要著眼于通過內(nèi)檢測、水壓試驗、模型計算等方式來開展的完整性管理。美國建設(shè)管道發(fā)生較多事故的ERW鋼管為1970年以前生產(chǎn)的低頻電阻焊鋼管。ERW及FW鋼管焊縫失效完整性影響最大的威脅來源于冷焊、鉤狀裂紋、選擇性的焊縫腐蝕、焊縫缺陷因為壓力循環(huán)而擴大導(dǎo)致的疲勞。疲勞裂紋的擴展現(xiàn)象僅發(fā)現(xiàn)于液體輸送管線，輸氣管線中并未發(fā)現(xiàn)。高頻HFW鋼管建設(shè)管道偶爾也發(fā)生過失效事故，但HFW鋼管發(fā)生失效事故的概率約為低頻電阻焊鋼管發(fā)生失效事故概率的1/10。即管道發(fā)生的失效與鋼管焊接技術(shù)水平及焊縫的質(zhì)量保證水平密切相關(guān)，事故雖發(fā)生于管道運行階段，但事故的原因主要與ERW鋼管的焊縫缺陷相關(guān)，與ERW鋼管的技術(shù)質(zhì)量水平有關(guān)。目前國內(nèi)生產(chǎn)的油氣輸送用ERW鋼管基本為HFW，其技術(shù)水平相比之前的低頻電阻焊有很大提高。

國內(nèi)曾發(fā)生過采用ERW鋼管新建管道投產(chǎn)前水壓試驗時發(fā)生爆裂的失效事故［3-4］。但若將水壓試驗中暴露的問題進行全面分析，也可以認為，首先水壓試驗是在運行前對連接鋪設(shè)完管道的正常檢驗，水壓試驗時發(fā)生爆裂失效事故是很不理想的情況，說明存在質(zhì)量不合格的鋼管產(chǎn)品，但通過水壓試驗將少數(shù)有潛在威脅的鋼管排除在投產(chǎn)之前，其影響大大低于投產(chǎn)后管道爆破造成的影響；相比投產(chǎn)后發(fā)生管道爆裂事故，水壓試驗時發(fā)生爆裂造成的經(jīng)濟損失、環(huán)境破壞和社會影響要小很多。說明管道鋪設(shè)后現(xiàn)場水壓試驗的有效性，經(jīng)過投產(chǎn)前高水平水壓試驗并排除失效管后，管道均已成功投產(chǎn)并安全運行至今。國內(nèi)發(fā)生過的HFW鋼管新建管道水壓試驗爆裂失效的原因主要在于鋼管的焊縫中存在冷焊或未熔合缺陷，即問題主要在于HFW鋼管的焊縫缺陷，使用HFW鋼管客觀上存在一定的風(fēng)險。因此，我國在進行管道設(shè)計時對ERW鋼管的選型一定要慎重。雖然國內(nèi)外ERW鋼管建設(shè)管道出現(xiàn)過失效事故，國內(nèi)ERW焊管生產(chǎn)廠產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊（這是國內(nèi)ERW鋼管使用中的最大問題），但經(jīng)過近幾年的發(fā)展，ERW鋼管的成型焊接技術(shù)得到進一步發(fā)展［5-11］，ERW鋼管在長輸管道建設(shè)中獲得了一些成功應(yīng)用［12］，不能因為個別焊管生產(chǎn)企業(yè)的問題而否定ERW鋼管管型，整體上講ERW鋼管用于油氣管道建設(shè)是沒有問題的，問題的重點應(yīng)是在管道項目建設(shè)中選擇技術(shù)水平高、質(zhì)量管理相對可靠完善的HFW焊管生產(chǎn)廠作為其供貨商［10-15］。雖然HFW焊管焊縫中的灰斑缺陷難以通過無損檢測和工廠短時水壓試驗檢測出，近年來通過日本焊管廠家的攻關(guān)，仍不能絕對排除灰斑缺陷，但已經(jīng)大大提高了HFW焊管的質(zhì)量。另外，為了保證管道項目的質(zhì)量水平，可針對項目的具體特點制定相應(yīng)嚴格的ERW焊管訂貨技術(shù)規(guī)格書，比如要求標志導(dǎo)航線、及隨后檢驗中通過導(dǎo)航線實現(xiàn)對焊縫位置的精確跟蹤；進行90%SMYS甚至100%SMYS的工廠水壓試驗，水壓試驗時要求焊縫朝上位于12點鐘位置；要求并控制焊縫試驗的一次合格率等。通過這些措施，排除技術(shù)質(zhì)量控制水平較低企業(yè)入圍，同時督促焊接鋼管質(zhì)量提升，這樣可保證供給項目建設(shè)用HFW鋼管的質(zhì)量，實現(xiàn)管道項目的整體成功。