焊接材料强度对高钢级管道环焊缝应变能力的影响

为了评价母材、根焊材料、填充焊材料的强度对X80管道环焊缝应变能力的影响,采用非线性有限元方法,以中俄东线直径1 422 mm、壁厚21.4 mm的高纲级管道为研究对象,考虑焊接接头完整几何形貌与性质有明显差异的4种材料分区,采用钥匙孔(Key Hole)模型准确模拟裂纹张开过程中裂纹尖端的钝化行为,研究了拉伸载荷作用下根焊内表面周向裂纹的起裂行为。计算结果表明:对于双V形坡口焊接接头,根焊材料强度对焊接接头整体应变能力影响很小,可以忽略不计;填充焊材料与母材强度的高强匹配对保证焊缝区应变能力最为重要,在难以提高填充焊材料强度的情况下,限定母材的强度指标是提高高钢级管道焊接接头应变能力的有效方法。(图7,表1,参25)     

不同强度匹配的X80钢环焊接头力学性能及变形能力

环焊接头的强度匹配与韧性对管道服役安全至关重要。为了更深入掌握环焊缝的失效机理,采用力学性能测试、微观分析等方法,测试了两种不同强度匹配的高铌X80钢环焊接头的组织和性能,并借助数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)研究了焊接接头在拉伸载荷下的应变行为。结果表明:低强匹配与高强匹配的环焊接头均具有较好的冲击韧性,二者的夏比冲击吸收能量平均值相当。在拉伸载荷下,应变集中最先出现在环焊缝的根焊及热影响区部位。随着拉伸载荷的增加,高强匹配环焊接头的应变集中逐渐转移至母材,管道承受轴向载荷及变形的能力大于低强匹配环焊接头;低强匹配环焊接头虽具有较好的韧性,但因其在焊缝及热影响区存在塑性应变累积效应,易发生断裂。(图9,表4,参22)     

高钢级管道环焊缝主要特征及安全性评价

环焊缝是长输管道的重要组成部分,其失效是载荷、缺陷、局部断裂韧性、强度匹配、焊缝几何结构及残余应力等因素相互作用所致,且高钢级管道因焊接技术难度增大,也增加了环焊缝失效的可能性。基于此,分析了环焊缝的载荷、缺陷及强度匹配特征,揭示了低匹配环焊缝或热影响区软化环焊缝的应变集中机理,阐释了环焊缝的脆性断裂、屈服前净截面垮塌、屈服后净截面垮塌及母材颈缩4种失效模式,比较了GB/T 19624-2019、BS 7910-2015、API 579-1/ASME FFS-1-2016、API 1104-2013等国内外标准对环焊缝安全性评价的适用性,提出了基于应变的环焊缝安全性评价方法,讨论了裂纹尺寸、强度匹配系数等因素对环焊缝裂纹驱动力的影响。研究指出:明确环焊缝的载荷或位移是其安全性评价的前提,提高环焊缝的应变能力可以增强高钢级管道对于不良地质条件的适应性,建议开展环焊缝裂纹缺陷产生和扩展机制研究,并发展基于应变的断裂理论,优化环焊缝的强度匹配,定量环焊缝的应变能力与焊缝几何特性及力学性能参数的关系。(图9,表2,参33)     

高钢级管道环焊缝应变能力评价

为了评价高钢级管道环焊缝的应变能力,建立了基于材料损伤理论的管道环焊缝有限元模型。通过优化裂纹尖端网格尺寸,准确模拟了裂纹尖端的应力分布及撕裂过程。采用屈服强度和均匀延伸率表征高钢级管道的材料特性,计算并分析了管道环焊缝的裂纹驱动力曲线,建立了裂纹扩展失稳准则和材料断裂韧性准则两种失效判据,研究了管道材料性能、裂纹长度及内压对裂纹驱动力的影响,定量分析了这些影响因素与管道应变能力之间的关系。结果表明:较之内压,裂纹长度对管道应变能力影响较大,材料均匀延伸率较屈服强度对管道的应变能力影响更大。针对基于应变设计的管道,建议对环焊缝提出均匀延伸率等塑性容量指标的要求,从而更好地为基于应变的高钢级管道的设计和评价提供技术依据。     

考虑强度匹配的高钢级管道环焊缝断裂评估方法

管道环焊缝的实际低强匹配是引发焊缝断裂失效的重要原因,在焊缝的适用性评估中,失效评估图方法无法准确考虑焊缝强度匹配的影响,准确纳入强度匹配成为拓宽失效评估图方法应用于高钢级管道环焊缝裂纹缺陷评估的关键。基于非线性有限元法,建立了高钢级管道环焊缝裂纹驱动力的数值仿真模型,采用等效应力应变关系方法构建了环焊缝裂纹的通用失效评估曲线,采用裂纹驱动力的有限元计算结果,结合BS 7910-2019《金属结构中缺陷可接受性评估方法指南》推荐方法,构建了系列不同载荷水平下的有限元评估点,探明了BS 7910-2019对于环焊缝裂纹缺陷的评估精度,查明了影响评估结果精度的关键原因。在此基础上,考虑裂纹深度、裂纹长度、焊缝强度匹配系数,提出了优化的管道环焊缝极限载荷计算模型以及改进的失效评估图方法,准确将焊缝强度匹配纳入到失效评估图方法中,进一步提高了高钢级管道环焊缝裂纹缺陷的评估精度,可为在役高钢级管道环焊缝裂纹的适用性评估提供参考。(图11,参24)     

高钢级大口径天然气管道环焊缝安全提升设计关键

高钢级管道环焊缝失效事故屡见不鲜,随着高钢级管道里程不断增加,高钢级管道环焊缝失效问题引起国内外管道行业的高度重视。对国内外典型管道环焊缝失效案例进行归类分析,基于环焊缝断裂失效的断裂力学理论,针对影响环焊缝安全性的关键环节进行失效原因分析,并提出安全提升措施,包括管道焊接工艺、钢材控制、焊接材料、焊接接头强度匹配、不等壁厚内坡口形式、无损检测、智能巡检、应力应变、施工管理等。这些措施已经推广应用于中俄东线天然气管道工程及将建的西气东输三线中段管道工程、西气东输四线管道工程,为提升高钢级管道环焊缝的服役可靠性提供了支持。(图4,表9,参25)     

基于应变的管道环焊缝失效评估图评价方法改进

当管道名义应力超过材料屈服强度时,基于应变的失效评估图是评价管道内裂纹缺陷的重要手段,焊缝强度匹配是影响管道环焊缝断裂行为的重要参数,而传统的基于应变失效评估图方法未考虑焊缝强度匹配的影响。基于此,采用数值模拟方法建立了管道环焊缝外表面局部环向裂纹驱动力有限元模型,并基于BS 7910-2019《金属结构裂纹验收评定方法指南》的参考应变计算方法,探索了裂纹深度、裂纹长度、焊缝强度匹配系数、管材屈服强度对基于应变失效评估图评价管道环焊缝裂纹缺陷精度的影响,提出了将焊缝强度匹配纳入基于应变的失效评估图的改进方法与计算模型。改进后的基于应变失效评估图方法大大提高了其适用范围与评价精度,可为工程中开展管道环焊缝的适用性评估提供参考。（图14,表1,参24）     

油气管道环焊缝面临的主要问题及应对措施

为解决高钢级管道环焊缝失效难题,提升中国油气管道安全性,系统分析了管道环焊缝失效的影响因素,发现管道环焊缝失效是附加载荷、缺陷、性能劣化以及应变集中综合作用的结果。引起环焊缝应变集中的最关键原因是不等壁厚(包括钢管几何尺寸问题导致的错边),以及焊缝或热影响区软化导致的低强匹配问题。从提高环焊缝承载能力、降低环焊缝应变集中角度,提出一种新型管材设计思路,该管材管端具有极高的几何尺寸精度,不圆度、周长差等接近于0,对接时环焊缝错边和对口间隙接近0,解决了当前因管端几何尺寸导致的错边、不等壁厚等问题;通过增加管端厚度,利用结构补强原理,可大幅提升环焊接头的应力承载能力,解决环焊缝低强匹配以及焊接热影响区软化导致的低强匹配难题,实现管道受力变形时环焊接头不发生或少发生塑形变形,显著提升管道环焊缝安全。(图7,表5,参22)     

管道环焊缝根焊部位应变及微区力学性能对裂纹扩展的影响

【目的】环焊缝是高压力输送管道的薄弱环节,极易在内外部载荷、缺陷、应力集中的综合作用下发生开裂事故。高钢级管道环焊缝根焊部位安全隐患问题尤为突出,探究环焊缝失效规律对保障管道安全运行具有重大意义。【方法】为测试管道环焊缝根焊部位不同区域的材料力学性能,开展了根焊部位微区的小尺寸试样冲击试验、拉伸试验;针对高钢级管道环焊缝开裂失效多发生于焊缝根焊部位的实际情况,分别从焊缝根焊部位微区力学性能特点、焊缝全壁厚应变集中规律以及微区塑性应变时效特性等方面,对环焊缝根焊部位裂纹产生与扩展的原因进行了剖析;基于数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）的光学全场应变测试,对3种强度匹配接头在拉伸过程中的局部应变集中程度进行了定量化分析。【结果】不同焊接工艺和强度匹配的环焊缝根焊部位微区力学性能差异性大,当管道环焊缝全壁厚受拉时,根焊部位会发生较大的局部应变集中,特别是根焊部位存在未熔合、夹渣、气孔等缺陷及成形不良等问题,为根焊部位开裂提供了失效条件;在后期的应变时效过程中,根焊部位韧性将会显著降低,降幅甚至可达42.6%～52.1%,脆性开裂的风险增大。【结论】在...     

螺旋焊缝管道的开裂原因

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、维氏硬度仪及金相观察等分析手段,对开裂螺旋焊缝管进行取样分析,利用冲击试验测试了管道母材的抗开裂能力。结果表明：该管道焊缝存在明显缺陷,缺陷类型包括存在于焊缝中的焊缝金属裂纹和夹杂,存在于热影响区中的焊趾裂纹和焊接裂纹,同时在热影响区及母材中存在夹杂。在高外载作用下,由于焊缝区硬度高于热影响区及母材的硬度,使得焊趾裂纹先于焊缝金属裂纹向热影响区扩展。热影响区中沿轧制方向排列的层状夹杂的存在促进了裂纹的扩展,形成层状撕裂,最终导致管道沿热影响区开裂直至母材。     

中俄东线天然气管道工程DR设备校验方法

为了有效控制管道环焊缝的焊接质量,并满足智慧管道的建设需要,在中俄东线天然气管道工程中采用X射线数字成像(Digital Radiography,DR)检测设备进行环焊缝焊接质量的检测。管道DR设备主要由带X射线机的爬行器、探测器、计算机、检查软件、检测工装等组成,其可靠性直接关系到管道环焊缝的检测质量。目前国内外仅针对DR设备各个组成部分提出了相应的技术指标,尚无针对整套设备系统的校验方法及校验标准,故研究制定了中俄东线DR设备校验程序,主要校验内容除相关标准规定的探测器坏像素、基本空间分辨率、最小许可灰度幅值、对比度灵敏度外,还增加了DR设备成像均匀度、缺陷检出率及可靠性测试,为中俄东线天然气管道工程高质量建设提供了技术保障。     

中俄东线智能管道数据可视化探索与实践

为了推动油气管道数据可视化及大数据分析技术发展,对中俄东线智能管道数据可视化建设成果进行了总结。从数据可视化角度,论述了中俄东线天然气管道的数据种类、数据现状及各信息系统的数据架构及数据量;从数据传输、数据ETL(Extract-Transform-Load)等方面,探索了数据可视化实现的做法和实践。通过中俄东线智能管道可视化交互系统的探索和实践,实现了建设期和运营期多源动静态数据的集成展示,提出需数据中心建设和应用层解决方案作为技术支撑的建议,对推进管道数据可视化、大数据分析有一定指导意义。     

中俄东线天然气管道工程前期工作关键点及创新成果

中俄东线天然气管道工程是“一带一路”倡议下中俄两国深化合作的成功典范,作为跨境输气管道的代表性项目,前期工作特征与经验具有重要的参考借鉴价值。阐述了中俄东线天然气管道工程项目的背景与意义,梳理了其商业谈判、预可行性研究、可行性研究、项目申请报告编制及核准等前期工作,介绍了针对中俄东线天然气管道工程复杂技术经济工况的专题研究过程,总结了中俄东线天然气管道工程前期工作的创新成果。研究表明:中俄东线天然气管道工程这类大型跨境能源管道项目,其前期工作涉及外交、商业、技术、经济等多层次问题,需要投入更多的人力、研究资源及更充裕的时间,以保障项目的顺利实施。     

中俄东线天然气管道工程SCADA系统的设计与实现

长输油气管道的自动化控制水平直接关系着其生产运行安全与效率,中俄东线天然气管道工程通过创新实践开启了中国长输油气管道自动化控制技术的新篇章。以自动化控制系统的技术特点为主线,以具有代表性的油气长输管道控制系统为依托,回顾了中国长输油气管道控制系统关键技术的发展历程,介绍了长输油气管道自动化控制技术发展现状,并结合智慧化管道建设,展望了长输油气管道自动化控制技术的发展前景。中俄东线天然气管道工程北段各项设计指标均处于全球领先水平,从SCADA系统组成、结构、功能等的创新成果来看,其自动化控制系统代表了目前中国长输油气管道自动化控制技术的最高水平。     

低温环境机械防腐补口装备构成与施工工艺

针对中俄东线天然气管道工程北段的冬季防腐补口施工要求,通过材料低温力学性能分析、结构优化设计、低温试验、低温电子元器件优选、机械式温控、加热元件高低温交变及国内外低温补口材料对比分析等综合研究,研制了适用于-40℃低温环境的机械化防腐补口装备,制定了配套的机械化防腐补口工艺和施工方案。工程应用表明:低温机械化防腐补口装备与工艺有效保证了中俄东线试验段及北段管道工程的防腐补口质量和施工效率,日平均补口30道,一次合格率100%。积累了大口径管道低温环境下的防腐补口施工经验,可为中俄东线天然气管道工程中段及同类管道工程的防腐补口施工提供技术支撑。     

管道计算机辅助断裂评定系统研究

管道断裂评定工作是管道系统安全运行的重要保证，应用计算机辅助手段进行油气管道断裂评定能够大大简化工程人员的工作，使断裂评定工作更趋科学化。重点分析了油气管道计算机辅助断裂评定系统的研究和开发，介绍了系统的设计原则、系统构成、总体设计、设计流程和系统的实现，并简要分析了系统评定过程及结果的可靠性，为管道断裂评定提供了科学依据。     

中俄东线天然气管道焊接消磁技术试验

长输管道在建设、改线或维抢修作业时,常会遇到管道对口处有磁偏吹现象,使得在焊接施工时,电弧发生偏离,导致焊接缺陷甚至无法焊接施工,严重影响了工程进度及管道的本质安全。中俄东线天然气管道工程采用1422 mm口径、X80钢级管道,以往所采用的消磁方法和消磁设备已无法满足其大口径、高钢级管道的消磁作业。通过分析管道剩磁的产生机理和影响因素,得到不同消磁方法对中俄东线管道的适用性。通过现场试验验证直流消磁法,分析直流消磁和直流焊机消磁的优缺点及工作参数,提出可行性建议。     

中俄东线智能化工艺运行基础与实现的思考

随着数字化、智能化等技术的发展,油气管道运行管理模式将发生根本性转变,形成以智能管道、智慧管网为核心的发展理念。从管道运行工艺角度对中国智能管道建设的基础及实现条件进行了分析:①从智能管道的定义、国内外智能管道的发展现状以及油气管道智能运行的物联网基础与技术准备3个方面论述了智能管道建设的基础及所需实现的功能,指出智能管道在油气生产过程中的应用性是智能管道建设的核心问题;②探讨了天然气管网数据、建模及计算复杂性的根源,明确了智能管道、智慧管网的建设思路;③以中俄东线天然气管道为例,阐述了中俄东线智能运行的目标、基础以及工艺运行智能化组成的设想,其中工艺运行智能化组成包括管道工艺仿真系统建设、基于管道数据的数字孪生体构建以及综合运行调度和可靠性评价。最后,针对智能管道技术发展与应用面临的形势与挑战,给出几点认识及建议。     

20×104m3油罐厚钢板焊接裂纹敏感性试验

油罐罐体由钢板焊接而成,焊缝是油罐的薄弱部位,随着钢板厚度的增加,其焊接裂纹敏感性增强.20×104 m3油罐底圈壁板采用的钢板厚度为44 mm,其焊接性能目前尚无工程实例验证,因此,对其焊接裂纹敏感性开展试验研究,以确定合理的焊接工艺参数.斜Y型坡口裂纹试验结果表明:母材和过热区金相组织均为粒状贝氏体,焊缝组织为“先共析铁素体+贝氏体+针状铁素体”,组织未见异常;对于JFE-HITEN610E钢板,采用LB-62UL焊条焊接,焊缝在室温14℃、预热50℃和100℃条件下均表现出较好的抗裂性能.对接接头刚性拘束焊接裂纹试验结果表明:母材和过热区金相组织均为粒状贝氏体,焊缝金相组织为贝氏体,组织未见异常;JFE-HITEN610E钢板和配套的US49/US62A(直径3.2 mm)焊丝+MF33H焊剂,焊缝在室温14℃和预热50.C条件下均表现出较好的抗裂性能.     

西三线0.8设计系数段环焊缝容许缺陷尺寸

为减少管材用量、降低工程造价,西三线27#阀室一烟墩压气站间300 km管道采用了0.8设计系数,相比以往的0.72设计系数,管道的安全设计系数由1.39降为1.25,管道环向应力水平相比提高11.5％.针对0.8设计系数的上述特点,在介绍目前国内外管道环焊缝焊接缺陷确定方法的基础上,重点对相关方法和检测标准进行对比和差异分析.基于西三线0.8设计系数段的实际工况,采用API 1104-2005标准中推荐的工程临界评估（ECA）方法,计算分析了管道环焊缝的容许缺陷尺寸,认为西二线无损检测规范规定的容许缺陷尺寸可以适用于西三线0.8设计系数段.