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...     

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)     

高钢级管道环焊缝表观断裂韧性影响因素数值模拟

为准确表征高钢级管道环焊缝与小尺寸试样表观断裂韧性的关联性,采用有限元方法,开展了含裂纹型缺陷管道环焊缝及小尺寸单边切口梁(Single Edge Notch Beam,SENB)试样的断裂数值模拟分析.通过对比全尺寸管道环焊缝与SENB试样二者之间表观断裂韧性的差异,引入表观断裂韧性转化系数,定量研究了管径、壁厚、裂...     

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)     

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）     

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...     

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)     

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。     

国内大口径、高钢级管道焊接及焊缝检测技术现状北大核心

针对国内大口径、高钢级管道普遍采用半自动焊技术而逐渐暴露的焊接质量问题,研究了大口径、高钢级管道的焊接技术及焊缝检测技术。分析了半自动焊与全自动焊对大口径、高钢级管道环焊缝质量的影响因素,并通过西气东输高钢级管道焊口泄漏事故失效分析报告、管材低温冲击试验与金相分析报告及环焊缝焊接工艺试验,验证了影响焊接质量的因素;开展了半自动焊与全自动焊经济性对比,得到了焊接机组成本与完成工作量的关系;研究了自动超声波检测技术的可靠性,提出了国内全自动焊焊缝检测的方法。由此可得:对于大口径、高钢级管道,全自动焊能够有效避免半自动焊环焊缝低温冲击功值偏低且离散的问题,具有质量可靠、工效提升的优势,但从经济性角度考虑,只有当全自动焊工作量大于经济焊接工作量时,全自动焊的经济效益才会超过半自动焊;全自动焊焊缝质量可采用自动超声波检测技术检验。因此,建议在大口径、高钢级管道的建设施工中,全面推行全自动焊技术。     

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）     

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...     

基于神经网络的管道环焊缝失效预测及灵敏性分析

对油气管道焊缝所处风险等级进行准确的预测是保证管道安全运行必不可少的环节,本研究首先在分析影响焊缝失效主要因素的基础上,构造了适用于管道环焊缝失效预测的3层神经网络模型.其次,针对传统灵敏度分析方法难以综合考虑各因素对焊缝失效影响程度的问题,从理论层面分析了基于神经网络的失效预测灵敏度分析方法,并将其嵌入到所研发的神经网络中.最后,针对高、中和低风险的环焊缝数据量严重不平衡的现状,提出一种双嵌套整体相关度最小的训练样本选择算法,可以在训练中较好地解决这一问题.对721个焊口实际数据进行预测试验发现,本研究提出的失效预测神经网络模型可行且有效,高、中风险识别率达100%,低风险识别率达98.8%.     

高钢级管道钢DWTT试验的异常断口发生规律研究

针对高钢级管道钢在进行落锤撕裂试验(DWTT)时经常出现异常断口的现象,通过统计分析X65、X70和X80管材系列温度的DWTT试验结果,探讨了异常断口发生规律.研究表明,异常断口概率随管材厚度增加而增加,异常断口出现温度区间与FATT85密切相关,且随着管材厚度的增加有增大的趋势.     

某河底穿越管道环焊缝缺陷的安全评价

某长输原油管道河底穿越段通过三轴漏磁和惯性测绘内检测发现存在环焊缝缺陷并伴有弯曲应变,需要对其安全性进行评价。采用英国标准BS 7910-2005中的结构完整性评价方法,对内压和弯曲应力复合载荷作用下该环焊缝缺陷的可接受性进行了评价。同时,对评价中涉及的弯曲应力、断裂韧性、缺陷深度、残余应力、缺陷长度和内压等参数进行了敏感性分析,讨论了各参数对评价结果的影响程度。结果表明:在当前工况下,该缺陷是可以接受的,暂时无需修复。基于完整性评价和敏感性分析的结果,对该管道的生产运行和监控提出了合理的建议。该评价方法和结论可作为解决其他类似工程问题的参考。     

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）     

管道对接环焊缝裂纹的防治措施

针对甬沪宁进口原油管道工程开工初期对接环焊缝常出现裂纹的现象,结合射线检测和解剖结果,对裂纹产生的位置和断口特征进行了具体分析.通过对下向焊焊接工艺和焊口的受力分析,解析出其产生裂纹的原因,提出了相应的防止对策.     

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)     

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...     

油气管道不等壁厚环焊缝坡口形式改进

近年来,中国发生多起油气管道环焊缝失效事故,已引起国内外管道行业的高度重视。统计分析油气管道环焊缝失效案例,针对失效事故中占比较大的不等壁厚环焊缝失效进行原因分析,提出了不等壁厚环焊缝内坡口改进建议。以西气东输西四线（吐鲁番—中卫）某直径1 422 mm天然气管道工程为例,基于焊接、无损检测、坡口加工、内检测、应力集中5项原则,设计了直管与热煨弯管对接的不等壁厚环焊缝孔锥形内坡口方案,并对比分析了坡口的强度。研究结果可为提高不等壁厚环焊缝的焊接质量、提升管道本质安全提供参考。（图4,表7,参23）     

基于DCNN的管道漏磁内检测环焊缝缺陷智能分类法

环焊缝缺陷是影响在役长输油气管道安全运行的重要因素,但环焊缝处漏磁内检测信号相对复杂,利用传统的人工分析方法不易实现缺陷的分类。在此,提出一种基于深度卷积神经网络（Deep Convolutional Neural Network,DCNN）的管道漏磁内检测环焊缝缺陷智能分类方法：将管道环焊缝漏磁内检测信号图像作为样本,并以环焊缝开挖后射线检测发现的缺陷类型为样本标签建立数据库,再利用深度卷积对抗生成网络（Deep Convolution Generative Adversarial Network,DCGAN）对数据集进行扩展增强;利用扩展增强后的数据集对残差网络进行改进与迭代训练,再使用训练后的残差网络对环焊缝漏磁内检测信号图像进行分类。实例应用结果表明：该方法可实现对环焊缝常见条形缺陷、圆形缺陷的识别分类,分类测试的准确率为83%～88%,对于圆形缺陷的召回率超过97%。新方法突破了人工分析环焊缝处漏磁内检测信号的局限,可为环焊缝缺陷智能分类提供参考。（图5,表6,参31）