油气管道环焊缝缺陷检测评价方法研究

杨锋平，张 硕，王明波，冯淑路，王彬彬，刘 琰

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；2.中国石油西南管道公司 四川 成都 610094)

0 引 言

环焊缝作为管道输送系统的薄弱环节，是较易发生失效的部位[1]。2017年7月和2018年6月，贵州晴隆连续两次发生输气管道环焊缝开裂事故，造成巨大社会影响。为保证输气管道环焊缝长周期安全服役，2017年9月开始，以中国石油环焊缝隐患排查开始为标志，全国范围内进行了油气管道环焊缝隐患排查治理的工作。

但是，环焊缝隐患排查存在无标准可依、内检测对环焊缝缺陷无法定性定量识别等难题，导致隐患排查工作效率不高、进展缓慢、甚至隐患没有真正消除。其中存在的主要问题为：1)采用何种无损检测方法对开挖后的环焊缝进行检测。2017年以前建设的绝大部分管道采用半自动或手工焊接，基本采用超声和射线检测方法进行无损检测。但开挖后由于射线为双壁单影法透照，难度高于建设时期单壁单影透照，且清晰度和准确度均低于单壁单影[2]，因此是否仍采用射线方法或是增加TOFD、PAUT等检测方法，实际工作中存在不确定性因素。另外，建设时期无损检测执行规范和合格验收标准均不相同，如西气东输二线干线执行企业标准Q/SY GJX0112-2007《西气东输二线管道工程无损检测规范》，那么在役期间是否仍采用原验收规范还是统一采用某个规范，仍不明确。2)对于无损检测发现的不合格缺陷，应如何处理。部分意见是以建设期质量要求运行期质量，即只要发现不合格缺陷就进行维修维护。显然，这是一种保证环焊缝服役安全的良好方法，等同于运行多年的环焊缝的风险程度要与新建管道一致。这种方法虽然确保了环焊缝安全，但维护这种安全的经济代价十分巨大，甚至不可接受。随着GB 32167-2015《油气输送管道完整性管理规范》的发布，是否以完整性管理理念进行环焊缝管理，对于无损检测发现的不合格缺陷，进行缺陷适用性评价，只要评价结果可接受，则不用进行维修维护，否则应进行维修维护，目前意见也不统一。3)对于环焊缝，采用何种修复方式。现有很多标准如GD 1033-2014、ASME B 31.8-2016、CSA Z 662-2015和ASME PCC-2-2016均推荐B型套筒，但由于需要使用高温明火，部分管道企业不愿进行。相反，大部分标准不允许钢制环氧套筒修复环焊缝，但为了避免使用高温明火，部门企业已经在用环氧套筒修复环焊缝。现有的方法是否合适，也需要分析研究。

本文针对上述问题，结合部分试验数据，进行了相应的技术分析和研究。

1 无损检测

由于油气管道内检测方法不能准确地检测出环焊缝中的缺陷，对管道环焊缝中的缺陷主要使用进行无损检测方法进行检测。为了高效经济地检出管道环焊缝中的缺陷，应根据管道及使用环境等因素选择适用的无损检测方法和检测比例。在实际检测中曾经出现射线、超声等常规检测合格而TOFD、PAUT检测不合格的情况，这种情况按照建设标准属于合格焊缝(建设时期不要求TOFD、PAUT检测)。石油管工程技术研究院多次解剖后发现，此类情况环焊缝基本没有危害性缺陷，因此建议无损检测方法选用如图1所示。当常规无损检测在环焊缝中未发现超标缺陷，可直接防腐回填(或者增加非常规检测作为后期备查，但不作为本次检测合格评判依据)。对于不合格焊缝，增加TOFD或PAUT检测以确定缺陷的高度，为缺陷适用性评价提供数据。对于此类不合格焊缝处于明显地灾区且暂时不具备修复条件时，则应增加现场金相、里氏硬度、残余应力等检测，确定环焊缝材料的力学性能数值。

图1 无损检测方法选用图

无损检测的另一个重要问题是检测时所依据的标准。现有无损检测标准较多，石油行业通常采用SY/T 4109以及SY/T 4103。部分管道如西气东输二线和三线等有其自己的无损检测验收规范，但与行业标准差别不大，部分缺陷对比见表1，因此建议采用行业标准进行检测，对环焊缝缺陷判定采用SY/T 4109标准中的II级合格。

表1 部分无损检测标准对比表(射线检测Ⅱ级的对比)

续表

备注：表中T为管道壁厚。

另外使用较多的为压力容器标准NB/T 47013，该标准的要求高于石油行业标准。压力容器服役工况较为恶劣，壁厚值大于管道的壁厚值，制造更加困难且容器壁更容易处于平面应变状态，更加容易发生脆断，因此其检测标准更加严格有其合理性。而且压力容器周围人员密度、设施设备密度均比管道高，发生失效事故后危害性更大。由此分析，环焊缝隐患排查仍建议采用石油行业标准，然而对于TOFD、相控阵等SY/T 4109标准没有作出规定，应依据其他标准，部分检测方法所依据的标准见表2。

表2 部分检测方法标准适用表

2 缺陷服役适用性评价

当无损检测发现的缺陷并未超出建设期标准时，即环焊缝满足质量标准，可认为满足完整性管理要求而直接防腐回填。对于存在超标缺陷的环焊缝，由于输量、投资、工期、技术、环境等方面的限制，不可能对所有超标缺陷进行维修或更换。环焊缝缺陷适用性评价以服役适用性为依据、作为对缺陷筛选的一种方法，将不符合服役要求的缺陷排除，是兼顾管道安全性和经济性的有效作法，也是GB 32167中完整性评价的重要内容。油气管道环焊缝常见的缺陷按类型主要分为体积型缺陷和裂纹型缺陷。对于体积较小又不满足无损检测标准的气孔、夹渣等缺陷，BS 7910-2013、GB/T 19624-2004等标准可直接根据尺寸进行评定[3]；而对于较大的缺陷，由于环焊缝区域存在焊接残余应力、焊缝韧性比钢管管体差，通常将发现的环焊缝缺陷以裂纹型缺陷进行安全评定，裂纹型缺陷最常采用的方法为基于双判据的失效评估曲线法。

适用性评价较为复杂，评价需要较多基本参数。SY/T 6477、API 579等标准中的评价参数分别为：缺陷尺寸参数、材料性能参数、服役工况参数。由于无损检测数据和缺陷尺寸参数取值的准确性较高，可结合地区等级给予一定分安全系数。在管道服役一定时间后的钢管材料性能，需要确定其材料力学性能是否发生变化。针对此问题，截取某服役20年的管道进行强度和韧性试验并与出厂时期数据对比，结果如图2所示。由图2可见，钢管材料并未随服役时间增加发生性能变化。对于服役工况，地质稳定区管线可仅考虑内压引起的环向载荷、轴向载荷、温差引起的轴向载荷；对于山区纵向爬坡管线，可根据爬坡高度和坡度计算管道重力引起的轴向载荷；对于山区横向绕行管线，若为地质灾害区，在缺乏两次中线数据情况下，无法合理判断地质灾害引起的弯曲载荷，此时推荐参考绝缘接头等管件允许承担的最大轴向应力可为钢管材料规定的最小屈服强度的0.72倍。适用性评价采用的临界失效评估曲线不能用于评价X70级以下管道的环焊缝的质量，但对于X80管道环焊缝，参考文献[13]，采用以下失效评估曲线方程进行计算和评估：

(1)

失效评估曲线方程式(1)中的Kr为韧性比，Lr为载荷比。

图2 建设时期与服役20年后管材屈服强度、抗拉强度对比

3 环焊缝缺陷修复补强

表3为国内、外大部分标准对环焊缝缺陷的修复方法。由表3可见，很多标准规定，环焊缝缺陷永久修复的方式仅有打磨、B型套筒、换管。其中打磨仅适用于外表面缺陷，对于大部分危害性根部缺陷的环焊缝，只能使用B型套筒或者换管进行修复。现有Q345材质的B型套筒厚度均超过40 mm，由于其壁厚较大，所以现场进行修复的操作难度很大，且对X70和X80等高钢级管道焊接的工艺要求高、返修率高，容易出现角焊缝裂纹。因此，急需开发高钢级薄壁B型套筒。然而，目前国内部分管道公司考虑到钢质环氧套筒不用动火的优点，虽然不被标准推荐，但已经采用。若为了防止环焊缝缺陷引起的泄漏，则钢质环氧套筒无法阻止泄漏。但若为了防止或减少地灾引起的横向弯曲载荷，应计算管道的抗弯曲性能，即其抗弯曲性能由以下管道抗弯模量公式进行计算：

(2)

当计算薄壁大口径管道的抗弯曲性能时，公式(2)可简化为：

(3)

(2)和(3)式中，W为管道的抗弯模量，R为管道外半径，r为内半径，D为外直径，t为管道壁厚。由(2)和(3)公式可见，管道的抗弯曲能力与壁厚成正比，环焊缝处增加钢质套筒，相当于增加了管道壁厚，有利于其承受更大的弯曲载荷，从而延缓或不发生弯曲载荷引起的泄漏失效。另外，为了使环氧套筒内壁与管道外壁之间的载荷进行有效传递，就应使环氧胶弹性模量和压缩模量等尽可能接近钢管材料的弹性模量和压缩模量(实际往往难以达到)，并且保证现场施工质量，避免出现鼓包。

表3 环焊缝缺陷修复方法的适用性

上述分析可知，钢质环氧套筒可以增加钢管的抗弯性能，因此建议无泄漏风险但存在地质灾害的含缺陷环焊缝，可采用钢质环氧套筒进行修复补强，修复方法如图3所示。根据超标缺陷的适用性评价结果，若该缺陷不可接受，则采用现有标准推荐的永久性修复措施；若该缺陷可接受，但缺陷评价结果的载荷比或韧性比超过0.8时，且环焊缝处于地灾区或高后果区，则还可选择钢质环氧套筒作为修复手段。对于其他缺陷，可不作修复或其他轻微修复方式。以上缺陷评判和修复规则符合GB 32167-2015《油气输送管道完整性管理规范》的要求，同时又降低了修复成本和施工安全风险。

图3 环焊缝缺陷修复方法示意图

4 结 论

1)在役油气管道环焊缝隐患排查无损检测以现行SY/T 4109为依据，采用超声、磁粉、射线对环焊缝进行检测。当射线或超声发现超标缺陷时，应以TOFD或PAUT检测方法确定缺陷的高度，作为缺陷适用性评价的依据。对于存在明显外部载荷又无法及时修复的环焊缝，可采用环焊缝现场金相、里氏硬度和X射线衍射法残余应力测试等方法评估环焊缝的力学性能。

2)适用性评价分安全系数的确定应考虑检测技术精度、材料断裂韧性分散性和管道轴向载荷大小。

3)对于适用性评价不可接受的环焊缝缺陷，应采用打磨、B型套筒和换管等现有标准推荐的永久性修复措施进行修复。对于适用性评价可接受但处于地灾区或高后果区的危害性缺陷，则除前述修复方法之外，也可选择环氧套筒进行修复。