環(huán)焊縫排查中疑似黑口的識(shí)別及開(kāi)挖驗(yàn)證

歐新偉 馮文興 劉 洋 陳朋超 任波濤

1. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司, 河北 廊坊 065000;2. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司天然氣銷(xiāo)售東部分公司, 上海 200122;3. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司, 北京 100007

0 前言

油氣輸送管道在日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,面臨著各種因素引起的安全問(wèn)題,管道的安全狀況既與管道本體有關(guān)(如管道材質(zhì)及其焊縫狀態(tài)),也與外部因素有關(guān)(如外部荷載[1])。施工過(guò)程中受焊接技術(shù)水平限制和現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量管控不嚴(yán)等因素影響,導(dǎo)致部分管道投產(chǎn)運(yùn)行后存在各種環(huán)焊縫質(zhì)量缺陷[2-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中國(guó)石油自2011年以來(lái)已發(fā)生9起管道環(huán)焊縫開(kāi)裂事故[4-5]。與其他事故相比,環(huán)焊縫開(kāi)裂事故具有突發(fā)性強(qiáng)、不可預(yù)知和泄漏量大等特點(diǎn),易造成環(huán)境破壞和人員傷亡。尤其是部分管道存在搶修困難、停輸要求嚴(yán)格和環(huán)境敏感點(diǎn)多等問(wèn)題,一旦發(fā)生事故,及時(shí)搶修存在較大挑戰(zhàn),同時(shí)產(chǎn)生的后果也不可預(yù)估[5-7]。因此,有效識(shí)別焊縫質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)行質(zhì)量管控,對(duì)管道的安全管理具有重要意義。

2017年中緬天然氣管道(國(guó)內(nèi)段)發(fā)生泄漏燃爆事故后,中國(guó)石油對(duì)2007年后建成投產(chǎn)的管線開(kāi)展了環(huán)焊縫質(zhì)量安全排查,排查內(nèi)容包括資料排查、建設(shè)期射線底片排查、數(shù)據(jù)對(duì)齊、內(nèi)檢測(cè)信號(hào)復(fù)核、設(shè)計(jì)符合性排查等,對(duì)識(shí)別出的問(wèn)題焊口,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證及時(shí)消除隱患。根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)齊結(jié)果,篩選出部分無(wú)施工安裝記錄、無(wú)檢測(cè)報(bào)告和無(wú)建設(shè)期射線底片的“三元”焊口(統(tǒng)稱為疑似黑口)。由于該類(lèi)焊口信息缺失,對(duì)其質(zhì)量狀況認(rèn)識(shí)不全面,潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患未被及時(shí)識(shí)別,因此管道的安全運(yùn)行存在較大的不確定性。目前,各管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)都在進(jìn)行疑似黑口排查[8],排查管道建設(shè)過(guò)程中遺留的、未被識(shí)別的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹了如何通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)齊進(jìn)行疑似黑口排查、黑口類(lèi)型確認(rèn)及開(kāi)挖確認(rèn)流程等,并對(duì)在現(xiàn)實(shí)工作中的應(yīng)用給出指導(dǎo)建議。

1 數(shù)據(jù)對(duì)齊

數(shù)據(jù)對(duì)齊是以管道的特征標(biāo)識(shí)(閥門(mén)、三通、彎頭)為起始點(diǎn)，比對(duì)每一根管節(jié)長(zhǎng)度，通過(guò)管長(zhǎng)最小差將焊口建設(shè)期數(shù)據(jù)與內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊匹配。理想狀態(tài)下(即施工資料記錄完整、順序正確)，施工資料中焊縫編號(hào)與內(nèi)檢測(cè)焊縫編號(hào)是一一對(duì)應(yīng)[9]。但是，在編制施工資料時(shí)，由于人為因素導(dǎo)致不能完全保證施工資料記錄的完整性和順序的正確性，故需要采取以下匹配策略。

1)查找特征點(diǎn)，確定施工資料焊縫與內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)中焊縫的匹配起點(diǎn)。

2)根據(jù)施工資料焊縫的單根管長(zhǎng)與內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)中焊縫的單根管長(zhǎng)(相對(duì)距離)進(jìn)行差值匹配，誤差小于0.1 m則可認(rèn)為是同一焊縫。

3)通過(guò)焊縫上下游匹配的相關(guān)性，可確定誤差大于0.1 m的焊縫是否匹配。

4)在匹配過(guò)程中，可通過(guò)單根管長(zhǎng)小于10 m的焊縫的匹配關(guān)系(可作為硬點(diǎn))，驗(yàn)證某一段數(shù)據(jù)匹配的正確性。

數(shù)據(jù)對(duì)齊流程見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)據(jù)對(duì)齊流程圖Fig.1 Data alignment process

2 疑似黑口的類(lèi)型及確認(rèn)流程

2.1 疑似黑口的類(lèi)型

數(shù)據(jù)對(duì)齊成果中,存在焊口施工安裝記錄與內(nèi)檢測(cè)記錄不匹配的情況,根據(jù)對(duì)應(yīng)結(jié)果的不同,疑似黑口分為截管、合管和焊縫缺失等情況。

2.1.1 截管

截管是在施工過(guò)程中把1根長(zhǎng)管替換為多個(gè)短管,替換前后管長(zhǎng)一致,截管示意見(jiàn)圖2。截管發(fā)生后,如果對(duì)新形成的焊口均開(kāi)展了無(wú)損檢測(cè),對(duì)缺陷進(jìn)行了識(shí)別,并對(duì)問(wèn)題焊口提前采取措施,將不會(huì)對(duì)管道的安全產(chǎn)生影響。但是,由于各種原因,大部分管段發(fā)生截管之后,對(duì)新形成的焊口未開(kāi)展無(wú)損檢測(cè),缺陷未被及時(shí)識(shí)別,潛在風(fēng)險(xiǎn)未被排查,給管道的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大隱患。

圖2 截管示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipe cutting

2.1.2 合管

合管是在施工過(guò)程中把多個(gè)短管替換為1根長(zhǎng)管,替換前后管長(zhǎng)一致,合管示意見(jiàn)圖3。合管完成后如果對(duì)新形成焊口進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和缺陷識(shí)別,也能消除合管帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 合管示意圖Fig.3 Schematic diagram of pipe combing

2.1.3 焊縫缺失

焊縫缺失是部分內(nèi)檢測(cè)環(huán)焊縫查找不到與之匹配的焊口施工安裝記錄,無(wú)法查找對(duì)應(yīng)的施工信息,焊縫缺失示意見(jiàn)圖4。不能確定在建設(shè)期是否對(duì)該類(lèi)焊口開(kāi)展了缺陷檢測(cè),在開(kāi)展內(nèi)檢測(cè)之前,焊口的質(zhì)量狀況不明確。

2.2 疑似黑口的確認(rèn)流程

對(duì)篩選出的疑似黑口,需要進(jìn)一步排查和確認(rèn),避免產(chǎn)生誤識(shí)別和過(guò)度開(kāi)挖。疑似黑口識(shí)別和銷(xiāo)項(xiàng)流程見(jiàn)圖5。

圖5 疑似黑口識(shí)別和銷(xiāo)項(xiàng)流程圖Fig.5 Suspected black hole identification and sales process

1)查原始內(nèi)檢測(cè)信號(hào),確定是否存在原始信號(hào)誤判為環(huán)焊縫的情況。

2)查焊口附近的歷史資料,確定是否存在因改線、管體修復(fù)、設(shè)備更新改造等原因而新增的焊口。

3)對(duì)于經(jīng)第1)、2)步確認(rèn)的有內(nèi)檢測(cè)記錄、無(wú)施工記錄焊口,查該焊口附近的無(wú)損檢測(cè)報(bào)告、射線底片、AUT掃查圖,是否存在焊口遺漏的情況。若該焊口附近有檢測(cè)報(bào)告和底片的焊口數(shù)量大于施工記錄數(shù)量,則施工記錄組卷過(guò)程中可能漏掉了焊口C,并利用制管焊縫與環(huán)焊縫交點(diǎn)間距等信息進(jìn)一步核實(shí),若無(wú)法證明焊口C有無(wú)損檢測(cè)報(bào)告、射線底片、AUT掃查圖的,定性為疑似黑口。若該焊口附近有檢測(cè)報(bào)告和底片的焊口數(shù)量小于施工記錄數(shù)量,且無(wú)法證明焊口C有無(wú)損檢測(cè)報(bào)告、射線底片、AUT掃查圖的,定性為疑似黑口。

4)進(jìn)入開(kāi)挖復(fù)檢階段的疑似黑口,應(yīng)同時(shí)開(kāi)挖其上游和下游相鄰的焊口,以確保開(kāi)挖位置的準(zhǔn)確性。根據(jù)開(kāi)挖結(jié)果，確認(rèn)是否為黑口。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)鐘方位信息提取

在管道施工建設(shè)期,按照要求需對(duì)全部焊口進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),獲得的射線底片是焊口的一種有效信息載體[10]。由于底片上會(huì)記錄焊口缺陷信息及上下游管段螺旋焊縫與焊口相交位置,可得到焊口交角間距信息。將內(nèi)檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)在專(zhuān)用軟件(如PipeImage等)中加載顯示,可以讀取時(shí)鐘方位和交接間距長(zhǎng)度等信息，并與建設(shè)期焊口交角間距進(jìn)行比對(duì),可以進(jìn)行焊口的精確匹配。交角間距可通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算獲得:

L=πD(Δx+Δy/60)/12

(1)

當(dāng)存在多道焊口的交角間距都比較接近時(shí),需要擴(kuò)大焊口對(duì)齊范圍,通過(guò)上下游焊口的交角間距信息進(jìn)一步確認(rèn)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)定位

內(nèi)檢測(cè)實(shí)施過(guò)程中,同步開(kāi)展慣性導(dǎo)航測(cè)量,借助發(fā)球筒和參考點(diǎn)的位置信息,可以解算得到每道焊口的坐標(biāo)。內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)定位實(shí)質(zhì)是采用地面標(biāo)記將長(zhǎng)輸管道按1 km左右分段,以減少里程輪定位的累積誤差[11-12]。由于檢測(cè)器里程輪打滑[13]及地面地形、農(nóng)作物、建筑物等影響,利用內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)定位會(huì)造成一定偏差[14-16],現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和焊口開(kāi)挖具體情況判斷疑似黑口可能偏移的方向。可利用管道一些特征點(diǎn)(三通、彎頭、閥門(mén))作為參照物進(jìn)行地面定位,削減地面定位的誤差[17-20]。

對(duì)于未做過(guò)慣性導(dǎo)航測(cè)量的管道,可以查找建設(shè)期焊口坐標(biāo),將其轉(zhuǎn)換成可以現(xiàn)場(chǎng)使用的坐標(biāo),進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位;也可以從PipeImage等軟件中讀取環(huán)焊縫的里程值,與內(nèi)檢測(cè)開(kāi)展過(guò)程中管道沿線參考點(diǎn)的里程值進(jìn)行比對(duì),找出距離疑似黑口最近的參考點(diǎn),通過(guò)拉尺等方式進(jìn)行精確定位、查找。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

為驗(yàn)證開(kāi)挖點(diǎn)是否為疑似黑口,焊口被開(kāi)挖之后,需測(cè)量焊口的時(shí)鐘方位信息,并與內(nèi)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)比對(duì)。由于螺旋焊縫與環(huán)焊縫交點(diǎn)位置的不固定性,以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性,導(dǎo)致在讀取部分焊口的時(shí)鐘方位時(shí)存在較大的困難,影響信息的獲取。借助螺旋焊縫時(shí)鐘位置和環(huán)焊縫時(shí)鐘位置變化1 h情況,通過(guò)推算,可以計(jì)算出時(shí)鐘位置,計(jì)算見(jiàn)式(2)～(3):

L=πD/(12tgα)

(2)

L′=π(D+2d)/4

(3)

在現(xiàn)場(chǎng)借助拉皮尺等方式,可準(zhǔn)確確定螺旋焊縫與環(huán)焊縫交點(diǎn)的時(shí)鐘位置。

4 典型開(kāi)挖

由于疑似黑口建設(shè)期信息的缺失,導(dǎo)致缺少對(duì)焊口施工狀況及所承受的外部載荷等的了解,不清楚焊接狀況是否滿足標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)定的要求。同時(shí),由于內(nèi)檢測(cè)本身對(duì)缺陷檢測(cè)、識(shí)別的局限性,尤其是對(duì)管道運(yùn)行具有極大危險(xiǎn)性的環(huán)焊縫裂紋型缺陷,

某管道的疑似黑口開(kāi)挖之后,在環(huán)焊縫上發(fā)現(xiàn)存在補(bǔ)強(qiáng)鋼圈,并且鋼圈底部有未焊縱縫的情況。經(jīng)原施工單位反饋,該焊口為最后一道組對(duì)焊口,為減少組對(duì)應(yīng)力,在焊口附近增加澆筑了錨固墩,同時(shí),為了提高焊口的抗撕裂能力,在該焊口上加焊了一圈補(bǔ)強(qiáng)圈。疑似黑口開(kāi)挖情況見(jiàn)圖6。

圖6 疑似黑口開(kāi)挖情況照片F(xiàn)ig.6 Suspected black hole excavation

裂紋缺陷對(duì)管道的安全影響較大,如不及時(shí)處理,很容易發(fā)生泄漏燃爆事故。某焊口開(kāi)挖檢測(cè)發(fā)現(xiàn)50 mm疑似裂紋,復(fù)檢發(fā)現(xiàn)焊縫6點(diǎn)鐘位置存在70 mm長(zhǎng)的裂紋見(jiàn)圖7。割口后的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示,環(huán)焊縫外表面有氣孔和焊渣缺陷,內(nèi)表面有打磨痕跡，打磨位置發(fā)現(xiàn)多處裂紋缺陷。失效分析結(jié)果顯示:焊縫6點(diǎn)鐘位置含有裂紋、焊渣、氣孔、未熔合等多種缺陷；沿缺陷打開(kāi)后,局部位置剩余壁厚小于1 mm；焊接熱裂紋和局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的變形組織明顯。

圖7 焊口裂紋缺陷照片F(xiàn)ig.7 Photo of weld crack defect

5 結(jié)論

疑似黑口存在較多的不確定性,為驗(yàn)證其是否存在安全隱患,各管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)都在花費(fèi)大量人力、物力進(jìn)行排查,通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)齊、信息提取、開(kāi)挖驗(yàn)證等技術(shù)手段,進(jìn)行疑似黑口的準(zhǔn)確識(shí)別。同時(shí)，按照預(yù)防為主,防消結(jié)合的方針,采取必要的處置措施,及時(shí)消除隱患,保障管道本體安全,降低疑似黑口的泄漏風(fēng)險(xiǎn),確保管道安全平穩(wěn)運(yùn)行。結(jié)合疑似黑口的排查,提出如下建議。

1)加強(qiáng)建設(shè)期施工質(zhì)量管理。加強(qiáng)對(duì)施工過(guò)程中質(zhì)量監(jiān)督管理,堅(jiān)決避免不符合規(guī)定要求的工序,尤其是對(duì)“金口”“連頭口”等特征焊口進(jìn)行組對(duì)時(shí),更要嚴(yán)格要求,要對(duì)所有的焊口都進(jìn)行射線檢測(cè),從源頭上避免疑似黑口的存在,確保質(zhì)量合格。

2)建設(shè)期開(kāi)展環(huán)焊縫安全隱患排查。在管道投產(chǎn)之前,開(kāi)展環(huán)焊縫安全隱患排查,能確保缺陷早識(shí)別、隱患早消除,避免將隱患帶到運(yùn)營(yíng)期,降低隱患治理成本,減小管道失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3)推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂。目前數(shù)據(jù)對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)Q/S GD0502—2016《管道完整性數(shù)據(jù)對(duì)齊規(guī)范》規(guī)定,通過(guò)采取管長(zhǎng)最小差進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊,而開(kāi)挖結(jié)果顯示,施工資料中記錄的管長(zhǎng)與實(shí)際管長(zhǎng)不一致的情況普遍存在,最高相差超過(guò)6 m,嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)對(duì)齊結(jié)果的準(zhǔn)確性。建設(shè)期射線底片中會(huì)記錄環(huán)焊縫上下游制管焊縫與環(huán)焊縫相交位置,測(cè)量交點(diǎn)處間距與內(nèi)檢測(cè)環(huán)焊縫時(shí)鐘方位間距比對(duì),能較準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊,更準(zhǔn)確地識(shí)別疑似黑口。

4)支持焊口風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在焊口風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,針對(duì)焊口是否為疑似黑口,可以給予不同的權(quán)限比重,確保評(píng)估結(jié)果更能反應(yīng)實(shí)際情況。