中俄东线天然气管道环焊缝断裂韧性设计

现场环焊缝的断裂韧性是保障管道环焊缝安全的重要因素,中国管道环焊缝的断裂韧性主要参照钢管管体焊缝的韧性指标,缺乏理论计算和技术支撑。基于断裂力学原理,采用英国标准BS7910-2013《金属结构裂纹验收评定方法指南》中基于适用性分析的工程临界评估方法,针对中俄东线天然气管道设计工况,通过环焊缝的应力水平和容许极限缺欠尺寸分析,计算得到能够保证焊缝不开裂的临界断裂韧性指标,并结合现行国内外相关标准的规定值,确定中俄东线天然气管道工程的环焊缝冲击功每组3个试样的平均吸收能应为50 J,单个试样的最小吸收能应为38 J。在保证管道环焊缝安全的前提下,降低了现场施工难度,并为今后类似工程环焊缝冲击功的确定提供了指导和借鉴。     

输油管道超设计压力运行的几个关键问题

为保证输油管道超设计压力运行的安全,针对钢管力学性能、管道临界缺陷尺寸、环焊缝质量验证3个影响管道承压的重要因素,在管道沿程压力计算基础上,开展了管材小试样屈服强度统计与试验、钢管实物屈服强度与小试样屈服强度差异性分析、管道临界缺陷尺寸计算与内检测精度分析、环焊缝性能验证方案的研究。研究表明:钢管实物屈服强度与管材最小要求屈服强度之比即为最大运行压力与设计压力之比;由于压力升高,管道运行时允许的缺陷尺寸减小,其中大于临界尺寸的缺陷应保证被现有管道内检测器发现,否则应降低运行压力从而增大临界缺陷尺寸值;超设计压力运行前,应进行一次相应强度的现场试压,排除环焊缝异常。     

管道焊缝缺陷的定量安全评定与容限尺寸

目前,焊缝缺陷已经成为影响老管道运行的重大安全隐患。某一老龄管道环焊缝、螺旋焊缝存在错边及明显的表面缺陷,对其母材和焊缝分别进行拉伸和断裂韧性试验,基于试验数据,结合管道的基本参数和运行情况,采用失效评定图(FAD)技术对环焊缝、螺旋焊缝缺陷进行了一级和二级评定,定量分析管道缺陷处的安全裕度,通过迭代计算得到了焊缝处的容许表面裂纹尺寸,并对环焊缝、螺旋焊缝裂纹容限尺寸进行了定量研究。研究结果表明:一级评定会低估管道的承载能力,计算得到的裂纹容限尺寸小于二级;管道在4 MPa运行压力下,螺旋焊缝缺陷处安全裕度很小,危险性高于环焊缝缺陷,焊缝处的裂纹容限尺寸小于环焊缝;相比于裂纹长度,裂纹深度对评估结果的影响更大。通过研究,为管道缺陷验收提供了依据,为焊缝评价的科学化、合理化提供了参考。     

在役X80输气管道环焊缝失效评估方法

西气东输二线、三线等管道建设中大量使用国产X80螺旋焊管,但国内外X80螺旋焊管尚无大规模服役先例,有关研究也较为匮乏。为此,选取国产在役X80输气管道环焊缝试样进行全焊缝拉伸试验,并建立环焊缝失效评估曲线:与通用失效评估曲线相比,环焊缝失效评估曲线横坐标截止线较短,说明环焊缝塑性相对常规材料较差,更有可能发生脆性失效;在屈服强度附近,失效评估曲线较通用失效评估曲线更陡,缺少过渡段,说明环焊缝更有可能突然失效。通过对实际壁厚环焊缝沿环向和沿壁厚方向的断裂韧性进行测试显示,实际壁厚断裂韧性测试值为70.12 MPa·m0.5,对比多种夏比冲击功与断裂韧性转换公式,发现BS 7910-2013《含缺陷金属结构可接受评价导则》换算公式较为准确。研究结果可为大口径、高钢级输气管道环焊缝的安全评定及平稳运行提供技术参考。(图4,表3,参20)     

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。     

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...     

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)     

直径1422mmX80管道环焊接头应变能力数值模拟方法

鉴于高钢级管材的组织特征及焊缝失效对于管道安全的重要影响,管道环焊缝承载能力成为当前管道行业的研究热点,以中俄东线全自动焊口为研究对象,准确考虑环焊接头根焊、热影响区、母材、填充焊4个区域材料本构关系的差异性,基于有限元方法建立了分析管道环焊接头应变能力的数值仿真模型。定量分析了母材屈强比、运行内压、载荷类型等组合工况下焊缝强度匹配系数等对管道环焊缝裂纹扩展驱动力的影响。采用静裂纹起裂的失效判定方法,以表观断裂韧性值为临界准则,结合中俄东线管材及环焊接头材料特性参数实际变化范围,计算了在设计工况范围内最不利条件下中俄东线环焊接头的应变能力。结果表明:提高焊缝区强度匹配能够有效减小接头的裂纹扩展驱动力,增加管道内压或提高母材屈强比会使相同强度匹配条件下的裂纹扩展驱动力更大,拉伸载荷下的裂纹扩展驱动力要大于弯曲载荷下的裂纹扩展驱动力。该方法既可以用于根据焊接接头性能要求指导焊接参数的确定,也可以用于在役管道含缺陷焊接接头的适用性评价。     

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)     

高钢级管道环焊接头力学性能与适用性评价研究进展

环焊接头结构完整性在很大程度上决定了高钢级管道能否安全运行。从焊缝金属强韧性指标设计方法、国内外管道工程设计标准中的强韧性验收指标、焊缝金属强韧性测试方法 3个方面总结了目前国内外关于焊缝金属强韧性指标的研究及工程应用现状。从断裂韧性的裂尖拘束效应、管道环焊接头断裂行为的数值模拟方法、裂纹驱动力评价技术、失效评估图评价技术、管道环焊接头应变承载能力预测方法、全尺寸管道环焊接头断裂试验等方面探讨了适用性评价技术涉及的关键问题及其研究进展。提出了当前高钢级管道环焊接头力学性能与适用性评价研究中存在的问题及尚待深入研究的方向，以期为提高高钢级管道环焊接头的本质安全水平提供理论支撑与技术支持。（图9，表5，参117）     

输油管道环焊缝超声波内检测信号识别

环焊缝开裂是埋地输油管道的主要失效形式之一,严重威胁管道的安全运营,准确识别和量化环焊缝缺陷,建立统一的内检测精度要求,是目前国内外管道内检测公司共同面临的难题之一。基于现有的轴向裂纹超声波内检测技术,研发适用于环焊缝平面型缺陷的内检测技术成为解决该难题的可行方法之一。通过研制超声波内检测器,并根据多次全尺寸管道牵引试验和实际管道的检测结果,建立了环焊缝缺陷超声波检测识别和尺寸量化模型,与漏磁内检测及现场环焊缝缺陷开挖结果进行对比,验证了该检测器的检测精度。结果表明:超声波内检测能够检测出漏磁内检测未发现的严重环焊缝平面型缺陷,但缺陷识别精度和尺寸量化模型需要更多的开挖验证数据进一步完善。该缺陷识别和量化模型的建立可为超声波内检测技术的应用与发展提供借鉴。     

中俄东线OD 1422 mm埋地管道的断裂控制设计

中俄东线天然气管道是中国首条大口径OD 1 422 mm输气管道,途经东北严寒地区,钢级为X80、设计压力为12 MPa,其断裂控制设计是难点。结合断裂失效模式,明确了该工程断裂失效的控制原则。根据中俄东线管输天然气组份、管道壁厚、流变应力、运行温度及管沟回填等参数,采用断裂力学理论及相关模型计算了钢管焊缝和热影响区的起裂韧性、钢管管体止裂韧性以及环焊缝的起裂韧性,制定了中俄管道的钢管和环焊缝韧性指标。对比工程推荐采用的指标,该断裂韧性推荐指标在符合计算需求量的基础上,均有一定的裕量,能够满足管道的断裂控制要求。同时为了确保管道吊装下沟时环焊缝安全,对管道的韧脆转变温度和下沟温度下限值提出了建议。     

X52石油管材的J积分试验研究

通过对X52薄壁管材断裂韧性的试验研究,包括试样制备、试验原理、试验程序等,得到了X52薄壁管材母材和焊缝材料的J积分值,为进一步研究该管材在石油管道工程中的承压能力和安全性等问题提供了理论分析依据。指出对这样的管材做小试样的J积分试验来测试其断裂韧性既方便、合理,又经济。     

地质灾害作用下油气管道环焊缝适用性实时评价方法

高钢级油气管道环焊缝断裂失效是目前中国油气管道工业最为关心的问题。分析近年来管道环焊缝断裂失效事故发现,导致环焊缝断裂的最主要原因是地质灾害引起的作用在管道上的土壤位移载荷。为保证管道安全,需要对土壤位移作用下含缺陷管道环焊缝进行完整性评价。在此,集成中国石油大学（北京）油气储运设施安全团队近十年来在地质灾害段管土相互作用、环焊缝失效机理与适用性评价方面的研究成果,介绍土壤位移与管道环焊缝裂纹断裂关联关系的建立及对含缺陷管道环焊缝进行适用性实时评价的系统方法,并就其中相关的具体环节所涉及的理论和方法进行讨论。（图7,参26）     

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.     

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）     

高钢级管道环焊缝缺陷修复技术探讨

近年来因环焊缝开裂引起的高钢级管道失效事故频发,因此,高钢级管道环焊缝质量及缺陷修复问题备受关注。基于高钢级管道环焊缝缺陷类型,介绍了国内外高钢级管道修复标准对于环焊缝缺陷的推荐处理方法,系统梳理了现有焊接与非焊接修复技术的阶段性研究成果。在焊接修复技术方面,B型套筒是修复高钢级管道环焊缝缺陷的首选修复技术,目前针对开式三通、护板及B型套筒的水平直焊缝及环向角焊缝的全自动焊接技术已基本具备推广应用条件,将大幅提高焊接效率及焊接质量。非焊接修复技术主要有复合材料、环氧套筒及钢制内衬复合材料修复技术3类,国外针对复合材料与钢制内衬复合材料修复X42级管道环焊缝缺陷(50%未熔合)开展了系列验证试验,相比复合材料,钢制内衬复合材料修复效果更好;国内则针对经检测评价确定无需修复但存在缺陷的环焊缝采用钢质环氧套筒进行补强,并结合复合材料及环氧套筒修复技术,开发了复合钢制内衬修复技术。最后,针对高钢级管道环焊缝缺陷修复问题提出了解决思路及重点研究方向,以期为中俄东线天然气管道及类似高钢级管道环焊缝缺陷修复提供技术参考。(图2,表8,参22)     

油气管道环焊缝缺陷内检测技术现状与展望

由于近年来油气管道环焊缝开裂事故时有发生,环焊缝缺陷内检测技术受到广泛关注。分析了最近几年国内外油气管道环焊缝开裂事故及其原因,指出在油气管道环焊缝开裂事故中,致因缺陷多为裂纹、未焊透和未熔合,以及较为尖锐的咬边,且大多萌生于管道内表面,其应力集中程度高,极大地削弱了管道的承载能力。探讨了漏磁内检测、超声波内检测、电磁超声内检测、电磁涡流内检测4种管道环焊缝缺陷内检测技术的研究现状、技术特点、应用局限、研究方向和发展趋势,以期为攻克油气管道环焊缝检测这一国际性技术难题提供参考。     

基于漏磁内检测的管道环焊缝缺陷识别与判定

为了实现基于漏磁内检测的管道环焊缝缺陷的有效识别与判定,对环焊缝异常信号的特征及其影响因素进行了分析。通过漏磁信号有限元仿真分析与内检测牵拉试验,系统分析了管道磁化水平、传感器提离值、环焊缝余高,环焊缝缺陷形状、位置及开口方位等因素对缺陷漏磁场的影响,明确了环焊缝缺陷与漏磁信号特征之间的对应关系,提出了基于漏磁内检测信号的环焊缝缺陷分类方法。将环焊缝缺陷分成了4类,并给出了环焊缝缺陷的漏磁内检测检出率和识别准确率。现场开挖验证结果进一步验证了识别与分类判定结果的准确性,为基于漏磁内检测的环焊缝缺陷识别与判定技术工业化应用奠定了基础。     

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)