李強 劉新凌 梁強

廣東大鵬液化天然氣有限公司

背景

近幾年國內發生數起油氣管道泄漏或斷裂事故，大多發生在連頭口或金口位置。雖然這些焊口無損檢測結果合格，但是現場焊接作業環境可能存在較大的焊接拘束應力，造成焊縫接頭的斷裂韌性和焊縫缺陷臨界失效尺寸降低。如中緬管道“6·10”環焊縫斷裂燃爆事故反映出管道焊接接頭在現場作業中可能存在較大的焊接拘束應力。為深入研究分析拘束應力對焊接接頭的影響，開展了在拘束狀態下含缺陷焊縫的適用性評價，以提升管道安全運行管理水平。

模擬測試

首先通過有限元軟件進行管道焊接拘束度模擬計算。其次設計制造一套用于模擬足尺寸連頭口自拘束的試驗裝置（圖 1），模擬不同拘束狀態下的管道焊接（圖 2），并對不同拘束度條件下所得焊縫接頭的斷裂韌性值（CTOD）進行測試。最后，通過預制焊接缺陷對管道內部施加水壓及彎曲載荷，測試含拘束條件下的焊縫部位的爆破壓力，評估含缺陷焊縫在特定工況（如滑坡）條件下對彎曲載荷加載速率的敏感性。

圖 1 自拘束管道焊接結構

圖 2 不同拘束度情況下管道模擬焊接

分析評價

（1）管長1 m～3 m對接接頭，隨管長增加拘束度逐漸變小。不同拘束度下焊接管道的殘余應力隨著拘束度的上升而增大，拘束情況對焊接殘余應力的影響顯著。由0.5 m×0.5 m焊接形成自拘束的結構，焊接殘余拉應力最大可達140 MPa，平均應力為105 MPa，嚴重影響了焊接結構的承載性能。

（2）通過測試分析不同拘束條件下的焊接試樣，N含量明顯變化。初步推測其應變時效在引入拘束度時發生概率要相對大于自由狀態下的焊接。

（3）依據焊接接頭斷裂韌性測試結果，拘束條件下熱影響區的斷裂韌性值明顯低于自由狀態下的斷裂韌性值；拘束應力越大，斷裂韌性值下降越明顯，韌性越差。

（4）在水壓及靜載作用下，相對于無拘束的管段（水壓16 MPa、4 t靜載泄漏失效）而言，有拘束管道在水壓13.5 MPa、4 t靜載作用下即出現管道泄漏失效。說明拘束對管道承受靜載的能力影響很大。

（5）在水壓及動載作用下，相對于無拘束的管段（水壓9 MPa，落錘高度1.4 m開裂失效）而言，有拘束管道在水壓9 MPa，落錘高度1.2 m時就發生開裂失效。說明含拘束的焊接結構承受彎曲載荷能力更弱。

啟示

（1）管道規劃及建設期間，盡可能避免或減少沿山體橫坡敷設，防止位移、滑坡導致管道產生較大的變形和軸向應力。山區管道設計時應加大應力計算分析深度，避免出現嚴重應力集中的管段。

（2）加強管道焊接作業質量管理，避免管道焊接時產生強拘束作業環境。當檢測、檢驗發現管道存在裂紋型焊縫缺陷時，應適當提高缺陷檢測評價等級，盡可能減少裂紋缺陷給管道安全運行帶來消極影響。

（3）對于可能存在較大拘束度的含缺陷管段，在開展適用性評價時要根據缺陷類型及尺寸、載荷和管材等級等不同情況，設置足夠安全系數，避免后期因拘束過大而產生非預期失效。

作者簡介：李強，研究生，高級工程師，廣東大鵬公司管道完整性評價經理崗位。聯系方式：19926449979，liqiang365@163.com。