張振永

中國石油天然氣管道工程有限公司

摘要：國內高鋼級管道發生的多起環焊縫失效案例表明，造成失效的主要原因包括焊縫韌性低、焊縫低強匹配、根部存在漏檢缺陷、環焊接頭應力集中以及外部地面位移荷載等。以中俄東線天然氣管道設計建設為例，針對環焊縫質量，圍繞地災識別及防控、管材成分控制、焊接工藝、管道敷設以及無損檢測等方面做了針對性的改進工作，取得明顯成效。

關鍵詞：天然氣管道；環焊縫失效因素；管道設計；改進措施

一段時期以來，國內多次發生天然氣管道環焊縫失效事故。從斷裂失效因素看，除地面位移荷載外，主要包括焊縫韌性不達標、根部缺陷和不等壁厚應力集中等因素。針對這一問題，國內組織開展了大量環焊縫質量改進提升工作，涉及到工程設計、管材控制、焊接工藝、無損檢測和現場管控等多個方面。中國石油天然氣管道工程有限公司作為設計單位全面參與了此項工作，并將成果逐一落實到中俄東線等在建工程設計中，明顯提升了管道的本質安全水平。本文簡要介紹設計改進措施和經驗做法，為其他管道工程提供借鑒。

1  管道環焊縫失效案例分析

1.1  數據對比分析

過去20年，國內發生了多起天然氣管道環焊縫失效事故，建設期和運行期均有，涉及X52至X80等不同鋼級管道，其中以X65至X80鋼級居多，見圖 1。從失效發生時間看， 2011―2018年發生較多，但需要指出這段時間管道建設里程較長且高鋼級管道占比也較高，許多管道在建設期或投產初期就發生了環焊縫失效[1]。

圖 1 天然氣管道環焊縫失效統計

1.2  失效因素分析

通過對國內X80管道失效案例分析可以發現，環焊縫的失效受多種因素而非單一因素影響。建設期發生的環焊縫失效，主要原因為強力組對、不等壁厚引起的應力集中、焊接缺陷和焊縫韌性低；運行期發生的環焊縫失效，主要原因為承受外部地面位移荷載作用、不等壁厚連接引起的應力集中和焊縫韌性低等[2]。

美國于2008年和2009年較為集中建設的一批高鋼級管道（每年建設約6400公里），在打壓過程中發現了管材和環焊縫質量問題，包括管道壓力試驗中的鼓脹變形、開裂和環焊縫泄漏，隨后在役管道也出現了環焊縫開裂事故。這些事故原因主要包括：高低錯邊、變壁厚、施工中的吊裝和下溝、連頭和返修施工不符合要求、無損檢測結果偏差，以及不遵守焊接工藝要求等。

2  設計改進措施

2.1  加強地質災害識別

在管道可行性研究階段，管道宏觀路由比選應結合地質災害專項評價，論證工程建設區域或場地適宜性，盡量避免管道通過多發地災區；在初步設計階段，基于地質災害專項評價識別出的地災點，進一步開展初步設計地質災害專題工作，對識別出的地災點逐一現場復核，對于確認的地質災害優先調整線路予以繞避，對無法繞避的應采取處置措施，并把治理工程量納入概算；施工圖設計階段，結合線路詳勘工作，進一步識別沿線地質災害，重點對識別出且無法繞避的地災點開展專項勘測，依據勘測成果進行地災評價和施工圖設計，并在現場施工中根據實際情況進行動態調整和完善。

2.2  重視管材質量管控

為保證管材的現場可焊性、實現焊接接頭高強匹配和便于實施自動焊，采取了以下主要改進措施：①嚴格控制管材化學成分和冷裂敏感系數（Pcm）值。在工程設計技術規格書和數據單中，對化學成分和Pcm值進行了嚴格限制，如中俄東線管道要求C0.07%、Pcm0.22%，同時對重要合金元素，也規定了區間范圍；②縮窄鋼管強度波動區間。為便于實現焊接接頭的高強匹配，基于國內生產控制水平，并參考國外工程做法，對管材的屈服強度和抗拉強度區間進行了嚴格限定，如中俄東線管道工程分別要求管材屈服強度為555 MPa～675 MPa、抗拉強度為625 MPa～765 MPa，相比國家標準進行了較大縮窄；③降低管端橢圓度。為便于自動焊操作和降低錯邊導致的應力集中，根據中俄東線工程需求，對熱煨彎管和直管的橢圓度分別嚴格控制為0.5%D和0.6%D。

2.3  推廣應用自動焊技術

受制于藥芯生產過程中填充均勻穩定性和焊接過程外部氣體入侵等因素，自保護藥芯焊絲半自動焊焊縫沖擊韌性離散性較高。為提升焊接質量和施工效率，降低勞動強度，隨著國內自動焊裝備的日益成熟，近期國內高鋼級大口徑管道均使用了自動焊技術。中俄東線管道全線采用自動焊技術，并在設計文件中明確列出自動焊技術應用具體要求，最終實現100%自動焊接施工，取得了巨大技術進步[3]。

2.4  落實環焊縫高強匹配

目前，國內已普遍認可管道環焊縫采用等強或高強匹配原則，中俄東線管道設計基于高強匹配原則選用焊接材料，如全自動焊根焊采用 GB/T 8110 ER50-G或ER55-G、填充蓋面采用ER55-G焊接材料。環焊縫的高強匹配系數為1.02～1.23，平均值為1.12，較好地落實了高強匹配。

2.5  優化路由轉向方式

熱煨彎管壁厚一般要大于直管，同時其曲率半徑較小，不能滿足自動焊的內焊機通過需要。為順利實施自動焊流水作業，減少斷點和變壁厚口，在復雜山丘地區根據擬采用的自動焊工藝需求開展掃線設計，同時優先采用彈性敷設和冷彎管組合實現大角度平面轉向，大幅縮減了熱煨彎管用量。據統計，已完工的中俄東線北段全長716 km，使用熱彎彎管約80個，平均0.12個/km；中俄東線中段全長1100 km，使用熱彎彎管約140個，平均0.13個/km。

2.6  優化不等壁厚坡口型式

傳統倒角式不等壁厚焊口容易出現以下問題：①焊接結構不連續，存在較大的應力集中；②根焊縫質量不易控制，容易出現焊接缺陷；③外形尺寸不規則，無損檢測容易漏檢根部缺陷。針對倒角式坡口存在的不足，開展了不等壁厚內對齊施工技術研究，通過對管道自動焊內焊機、應力集中、無損檢測和坡口加工等系統研究，確定了新型內孔錐型坡口型式和相關尺寸參數，并全面推廣應用到中俄東線天然氣管道和其他在建高鋼級大口徑管道中，取得了顯著效果[4]。

2.7  推進無損檢測新技術應用

針對以往全自動超聲波（AUT）檢測出現的缺陷檢出率不穩定、缺陷尺寸精度差等問題，通過大量人員培訓、設備改進、無損檢測工藝評定及現場管理提升等工作，AUT檢測技術已日臻成熟，并在中俄東線管道建設初期與射線（RT）檢測結果進行了大量對比，驗證了AUT檢測的可靠性。考慮到中俄東線管道全自動焊接無損檢測的及時性和易出現未熔合缺陷的特點，采用100%AUT+20%RT復檢， 檢測結果可靠[5]。

針對傳統手工超聲波（UT）檢測受人為因素影響大、檢測結果可靠性差的問題，對相控陣超聲波（PAUT）檢測進行了大量試驗，從設備、人員和執行標準上進行了改進和完善，方法也已成熟，已納入SY/T 4109―2020《石油天然氣鋼制管道無損檢測》，并大量應用于中俄東線管道南段和西氣東輸三線棗陽—仙桃段等在建管道工程中，全面替代了UT工藝。

3  結語

為保障天然氣管道環焊縫質量，以中俄東線管道為代表的高鋼級大口徑天然氣管道，從地災防治、管材成分控制、自動焊工藝應用、環焊縫強度匹配、熱煨彎管使用、不等壁厚處理以及無損檢測技術等各方面均做了改進和應用提升，取得了顯著成效。后續即將開工建設的西氣東輸三線中衛—棗陽段和川氣東送二線等工程山區施工占比較高、地貌復雜，目前自動焊技術尚不能滿足這些復雜山區的現場施工需要，建議業內進一步加強山區自動焊柔性內焊機、輕量化大坡度自動焊裝備及工藝的相關研究，以實現自動焊技術在復雜山區的大規模應用。

參考文獻：

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

[2]陳小偉，張對紅，王旭.油氣管道環焊縫面臨的主要問題及應對措施[J].油氣儲運，2021，41(9)：1072-1080.

[3]張振永.高鋼級大口徑天然氣管道環焊縫安全提升設計關鍵[J]. 油氣儲運，2020，37(7)：740-748.

[4]楊明，劉玉卿，高琦，等.西四線變壁厚鋼管環焊縫內坡口設計方案[J].焊管，2021，44(3)：11-16.

[5]張振永.中俄東線X80鋼級Φ1422 mm管道工程設計關鍵技術應用[J].焊管，2019，42(7)：1-7.

作者簡介：張振永，1971年生，教授級高工，1995年畢業于中國石油大學（華東）焊接設備及材料專業，現主要從事油氣長輸管道工程設計和管道可靠性及完整性等工作。聯系方式：13292615649，cppe_zhangzy@cnpc.com.cn。