油氣管道環(huán)焊縫缺陷排查及處置措施研究

冼國棟，呂 游

(中國石油西南管道公司 四川 成都 610041)

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，我國對能源的需求日益增加，加之管道運輸?shù)南忍靸?yōu)勢，推動了我國石油天然氣管道建設(shè)飛速發(fā)展。根據(jù)國家發(fā)改委能源局印發(fā)的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，到2025年我國僅天然氣管道總里程就將達到16.3萬公里，預(yù)計2030年將超過20萬公里，并形成“主干互聯(lián)、區(qū)域成網(wǎng)”的全國天然氣基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

與此同時，油氣管道安全問題也日益凸顯。經(jīng)濟的不斷發(fā)展使得管道高后果區(qū)不斷增加，愈發(fā)頻繁的人類活動也對管道構(gòu)成更多威脅，地質(zhì)災(zāi)害等因素同樣對管道安全帶來不利影響[1]。2017年、2018年中緬天然氣管道(國內(nèi)段)相繼發(fā)生2次較大規(guī)模泄漏燃爆事故，2019年3月泰青威天然氣管道發(fā)生泄漏燃爆事故，2019年12月山西陽城縣發(fā)生天然氣管道泄漏燃爆事故。這些天然氣管道泄漏燃爆事故對于管道本體安全敲響一次次警鐘。多次事故分析結(jié)果表明，管道焊接環(huán)焊縫質(zhì)量與管道泄漏事故的發(fā)生存在較大聯(lián)系[2]。

2017年開始，中國石油集團對2007年后建成的油氣管道環(huán)焊縫開展排查工作。通過對管道環(huán)焊縫進行選擇性開挖驗證，利用無損檢測手段再次對環(huán)焊縫進行檢驗，依據(jù)不同情況對評價出存有缺陷的環(huán)焊縫采取補強或換管處理，進而降低管道隱患，為管道安全平穩(wěn)運行打下堅實基礎(chǔ)。

1 排查點的選擇

在排查過程中，如何精準(zhǔn)地選擇開挖點，是提高隱患排查成功率，降低排查工作時間和費用成本的關(guān)鍵第一步。結(jié)合近3年來的環(huán)焊縫開挖驗證工作，西南管道公司形成了一套較為有效的環(huán)焊縫排查點選取方法。分別基于原始資料排查、管道內(nèi)檢測結(jié)果、特殊結(jié)構(gòu)焊口、有限元建模分析和高后果區(qū)等方面入手開展環(huán)焊縫排查選點工作。

1.1 基于原始資料、管道內(nèi)檢測結(jié)果選擇排查點

2017年7月到2018年6月，西南管道公司組織將中緬天然氣管道16余萬道焊口建設(shè)期無損檢測底片進行再評價，找出存在錯評、漏評的存疑焊口，并結(jié)合內(nèi)檢測中的異?？?，以此作為排查工作的重點，共計開挖焊口699道。這一階段排查出不合格焊口241道，其中包括缺陷嚴(yán)重的裂紋焊口23道。在241道不合格焊口中，彎頭變壁焊口有119道，占比49%。排查結(jié)果見表1。

表1 西南管道公司2018年6月前環(huán)焊縫排查情況

由表1可知，通過焊口原始資料及內(nèi)檢測結(jié)果進行排查，不合格焊口占開挖總數(shù)的34%，排查準(zhǔn)確率較高，通過原始資料和內(nèi)檢測結(jié)果選擇開挖點是排查出不合格焊口的直接有效途徑。

1.2 基于焊口特殊結(jié)構(gòu)選擇排查點

對于管道的環(huán)向?qū)雍缚p，各種偏差包括直徑差、厚度差、中心偏差、不圓度等會造成應(yīng)力集中現(xiàn)象[3]，因此變壁厚對接焊縫是潛在的風(fēng)險點。中緬天然氣管道“6.10”、“7.02”事故中的斷裂焊口均存在變壁厚的特征。從2018年7月開始，西南管道公司在開挖排查焊口中開始重點對彎頭變壁口以及金口、連頭口、返修口進行排查。到2019年1月底，此階段共計開挖焊口3 099道，排查出不合格焊口490道。在排查出的490道不合格焊口中，彎頭變壁口共計328道，約占全部不合格焊口的67%。開挖結(jié)果見表2。

表2 西南管道公司環(huán)焊縫排查工作情況統(tǒng)計(2018.7-2019.1)

由表2可知，彎頭變壁口在不合格焊口中的比例較高，彎頭變壁厚的特殊結(jié)構(gòu)是造成焊口缺陷的重要影響因素。

1.3 基于有限元建模分析結(jié)果選擇排查點

在環(huán)焊縫排查點選擇的過程中，基于有限元建模分析也是一種較為重要的選點方式。通過環(huán)焊縫建設(shè)期底片復(fù)評和驗證工作獲取環(huán)焊縫缺陷信息，結(jié)合環(huán)焊縫力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計和評價經(jīng)驗確定材料性能參數(shù)選取方法，利用典型管段的有限元建模分析研究不同土體參數(shù)下管道環(huán)焊縫受載荷作用引起的應(yīng)力，給出了評價對象環(huán)焊縫在給定條件下的適用性結(jié)論，為油氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量隱患排查整治工作提供參考。西南管道公司通過有限元建模分析的方法找出了中緬天然氣管道中6 MPa運行條件下未通過評價的焊口141道，10 MPa運行條件下未通過評價的焊口1 616道。其中6 MPa下未通過評價的焊口除改線段外全部進行開挖驗證，排查出不合格焊口比例為53%。10 MPa運行條件下未通過評價的1 616道焊口中已開挖驗證472道，排查出不合格焊口117道，占比25%，有效降低了管道隱患。

1.4 基于高后果區(qū)排查點的選擇

管道在高后果區(qū)發(fā)生泄漏會對公眾、社會、環(huán)境造成較大不良影響。油氣管道在高后果區(qū)發(fā)生泄漏、燃爆等事故，容易造成較大的人員和財產(chǎn)損失，也容易造成較嚴(yán)重的環(huán)境污染。高后果區(qū)強調(diào)管道泄漏后的危害后果，是管道隱患治理和安全防護的重點區(qū)段[4]。

從2019年開始，西南管道公司將高后果區(qū)中的焊口作為重點排查對象。重點針對高后果區(qū)，尤其是Ⅲ級高后果區(qū)中的彎頭、變壁厚焊口進行排查。共開挖7 151道，排查出不合格焊口604道，不合格焊口占開挖總數(shù)的8%。其中彎頭變壁厚294道，占全部不合格口的52%。具體開挖情況見表3。

表3 西南管道公司環(huán)焊縫排查工作情況統(tǒng)計(2019.2-2019.11)

由表3可知，雖然排查出不合格焊口的比例有所下降，但是重點開挖Ⅲ級高后果區(qū)中的焊口仍然極大地降低了管道風(fēng)險，尤其降低了可能造成嚴(yán)重后果的管段風(fēng)險。

1.5 焊口缺陷的處置

對缺陷焊口進行評價并及時處置，是解決管道隱患風(fēng)險的又一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)無損檢測后發(fā)現(xiàn)的問題焊口，委托專業(yè)機構(gòu)進行評價，對焊口問題給出定性判定，最后經(jīng)適用性評價給出問題焊口修復(fù)處置意見。問題焊口修復(fù)處置方式除了根據(jù)焊口缺陷類型來選擇以外，還需結(jié)合焊口所處位置是否為高后果區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害點以及管道運行情況等因素。

1.6 發(fā)現(xiàn)缺陷的性質(zhì)規(guī)律

經(jīng)過排查，油氣管道環(huán)焊縫存在的缺陷類型主要有裂紋、未熔合(包括根部未熔合、夾層未熔合、外表面未熔合)、未焊透(包括根部未焊透、錯邊未焊透)、條形缺陷、圓形缺陷、燒穿、內(nèi)凹、內(nèi)咬邊等幾種。截至2019年底，西南管道公司通過開挖共排查出不合格焊口1 335道，其中危害性最大的裂紋類缺陷有53道，危害性較大的根部未熔合缺陷有185道，且大部分出現(xiàn)在變壁厚焊口中。出現(xiàn)比例最大的缺陷是圓形缺陷共有398道，其次是條形缺陷和夾層未熔合共有342道，出現(xiàn)比例相對較小的缺陷依次是燒穿、內(nèi)咬邊、未焊透、內(nèi)凹。

裂紋作為較為嚴(yán)重的缺陷，對管道環(huán)焊縫質(zhì)量帶來巨大隱患，能準(zhǔn)確排查出裂紋口可以極大的降低管道隱患。西南管道公司開展排查工作以來一共發(fā)現(xiàn)53道裂紋口。從原始底片來看，共有37道裂紋在原始底片中沒有跡象顯示。從焊口結(jié)構(gòu)屬性來看，53道裂紋口中，彎頭、變壁厚口39道，占比74%。從鋼級來看，其中的50道屬于X80鋼(均分布在D1016管道中)。從空間分布來看，嚴(yán)重缺陷的裂紋口主要集中于地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)段。

2 缺陷焊口的處置方式

目前針對管道環(huán)焊縫缺陷采用的修復(fù)手段主要有：換管、B型套筒、環(huán)氧套筒、打磨等幾種，不同方式各有利弊，適用于不同類型的缺陷修復(fù)[5]。目前，不同管道公司對修復(fù)方式的選擇不盡相同。

缺陷焊口定性后，缺陷焊口的處置方式選擇一般應(yīng)根據(jù)焊接缺陷類型、危害性大小來選擇，除此之外，還需充分考慮焊口所處位置是否為高后果區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害影響區(qū)等因素。經(jīng)過幾年的探索，西南管道公司總結(jié)出了一套管道環(huán)焊縫缺陷處置方式選擇原則。

1)裂紋、根部開口缺陷，采用換管修復(fù)，如不具備換管作業(yè)窗口期，可先采用B型套筒或環(huán)氧套筒進行臨時處置，以后擇機換管。

2)根部未熔合、夾層未熔合、未焊透缺陷。(1)未熔合/未焊透長度達到15 mm以上，缺陷韌性比Kr值大于0.7的環(huán)焊縫采取B型套筒修復(fù)。(2)未熔合/未焊透長度小于15 mm以上，缺陷韌性比0.6

3)缺陷韌性比Kr<0.6，當(dāng)該環(huán)焊縫符合①變壁厚焊接、②跨鋼級焊接、③位于地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域、④位于高后果區(qū)這四項條件中任意三項及以上時，仍使用B型套筒進行修復(fù)，否則使用環(huán)氧套筒進行修復(fù)。

4)淺表性缺陷、焊縫余高超標(biāo)等缺陷，一般采用打磨處置。

5)圓形缺陷、條形缺陷/缺欠、燒穿等非危害且不會擴展的缺陷一般不需修復(fù)。

修復(fù)建議見表4。

表4 環(huán)焊縫修復(fù)建議表

截至2019年底，通過開挖共排查出不合格焊口1 335道，經(jīng)過適用性評價后，需進行處置的焊口1 020道，其中換管處置80道，B型套筒處置219道，環(huán)氧套筒608，打磨處置113道。

3 結(jié)論和建議

1)管道建設(shè)期環(huán)焊縫無損檢測底片存在一定的誤評、漏評概率，對原始底片開展復(fù)評，結(jié)合管道內(nèi)檢測結(jié)果、有限元建模分析等其他手段，排查出存疑焊口并進行開挖驗證是降低管道隱患水平的最直接有效途徑，可以較大概率找到存在隱患風(fēng)險的焊口。

2)從焊口結(jié)構(gòu)特點來看，彎頭口、變壁厚口出現(xiàn)缺陷的概率較大，在選擇開挖點時，應(yīng)將彎頭變壁口作為排查重點。

3)管道周邊地形對管道環(huán)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，尤其是山區(qū)等較復(fù)雜地形區(qū)域管道，容易產(chǎn)生焊口缺陷。排查選點過程中可優(yōu)先考慮排查山區(qū)管段環(huán)焊縫。

4)高后果區(qū)的管道一旦發(fā)生事故，造成的后果較為嚴(yán)重，排查時可優(yōu)先排查高后果區(qū)中的焊口，尤其是高后果區(qū)中的彎頭變壁厚等特殊焊口。

5)缺陷焊口的處置方式應(yīng)根據(jù)缺陷類型、缺陷嚴(yán)重程度、焊口所處區(qū)域位置，尤其是焊口是否處于高后果區(qū)及地災(zāi)區(qū)等因素綜合考量選擇。

相關(guān)建議：

1)從已發(fā)現(xiàn)的不合格焊口，尤其是裂紋口的結(jié)果來看，高鋼級、大口徑的管道環(huán)焊縫出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷的概率較大，未來，針對高鋼級、大口徑管道的焊接技術(shù)需要進一步研究。

2)不合格焊口中，直管段非變壁厚焊口也占有一定比例，造成普通焊口出現(xiàn)缺陷的原因以及普通焊口上下游管段特征是否有關(guān)系需進一步研究。

3)環(huán)焊縫的全生命周期資料涉及到不同階段的種類較多，需要進一步研究如何對管道資料進行系統(tǒng)存儲并有效整合，實現(xiàn)信息共享和全生命周期的有效管理，從而為管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

4)在排查工作的過程中，選取了中緬天然氣管道4道現(xiàn)場焊口進行分析實驗，發(fā)現(xiàn)了存在焊道層數(shù)不夠的問題，現(xiàn)有的選點方法無法針對此問題進行選點，需要做進一步分析研究。

5)排查工作存在一定程度的重復(fù)進場和重復(fù)放空，增加了排查成本，應(yīng)需進一步分析優(yōu)化選點方法，盡量將兩個閥室之間的焊口集中開挖、檢測，以減少重復(fù)進場和換管修復(fù)時天然氣放空量。

6)推廣采用自動焊進行換管、B型套筒修復(fù)，以提高修復(fù)質(zhì)量、壓縮修復(fù)時間。