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)     

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）     

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.     

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...     

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。     

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)     

中俄东线天然气管道黑河—长岭段环焊缝焊接工艺

针对中俄东线天然气管道北段(黑河—长岭段)高钢级、大口径、高压力、大输量、环境温度低等特点,介绍了其环焊缝焊接工艺。从L555M钢管的焊接性、环焊接头性能指标、环焊工艺及质量管控等方面,总结了管径1 422 mm的L555M天然气管道的焊接施工特点,阐述了环焊接头强度、韧性、硬度、塑性等指标要求的意义及试验检验方法,分析了焊接方法、焊接材料、焊接坡口等工艺参数的选择原则和实际应用,说明了坡口尺寸与组对精度、预热温度与道间温度、无损检测技术对焊接质量控制的影响。上述成果作为工程建设的经验性总结,可为后续油气管道工程建设的焊接施工管理提供经验。(图3,表4,参20)     

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)     

直径1422 mm X80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。     

油气管道热压封堵三通的研制

管道封堵三通是对管道进行开孔封堵作业必备的维修机具,其承压安全性直接关系主管道的运行安全.为了满足高压大口径油气管道维抢修的需要,结合有限元分析方法,开发了一种新型φ1 016大口径X70管线钢热压封堵三通.选定X70高强度材质作为三通护板,相比Q345R材质减轻了三通质量,提高了焊接效率,降低了焊接应力.管道封堵三通消除了相贯线焊缝,解决了传统焊接式封堵三通相贯线焊缝无法检测的技术难题,提高了封堵三通的使用安全,并首次利用应力应变测试仪器进行了三通带压模拟应用监测,采集数据具有较好的重复性和规律性,为今后同类产品的设计、制造、质量监控工作积累了宝贵经验.(图5,参4)     

基于有限元的随焊锤击焊接温度场数值模拟

随焊锤击的时机取决于温度场变化,针对此问题,以MZ1-1000型自动埋弧焊机、Φ2 mm的H08A焊丝为例,对平板堆焊进行了模拟,建立了三维有限元计算模型,并编制了实现热源移动的循环子程序;运用表面效应单元,解决了两种不同载荷同时加载的问题,实现了焊接温度场的三维动态模拟,得到了不同时刻焊件的焊接温度场分布。     

输气管道裂纹动态扩展的数值模拟

作为输气管道止裂控制的重要依据,必须要求其裂纹驱动力小于管道材料的断裂韧性,在这种情况下进行裂纹动态扩展的数值模拟就显得非常重要.建立了输气管道裂纹动态扩展的有限元模型,用弹塑性、大位移四边形的壳体单元离散管道.裂纹尖端后面的气体压力简化为指数衰减模式.裂纹的开裂采用节点力释放方法来模拟,即根据裂纹扩展速度,依次解除裂纹尖端的节点连接.裂纹驱动力用能量释放率G和裂纹尖端张开角CTOA两个断裂力学参量表示.分析了裂纹驱动力随内压的变化规律.提出的计算模型可为输气管道的止裂设计提供分析工具.     

基于固有应变的船体板列焊接变形数值预测

采用固有应变有限元法,对船体板列焊接变形进行预测.确定了固有应变加载区域,进行了热弹塑性有限元分析,获得焊接温度场和应变场,提取热弹塑性有限元分析得到的残余应变数据,作为相应加载区域的固有应变值.加载固有应变值,进行结构弹性分析获得板列焊接变形,数值模拟结果可为板列焊接变形预测提供依据.分析了不同的焊接顺序对固有应变加载和结构变形的影响.     

黄土高原植物根系增强土体抗剪强度的模型与试验研究

为研究黄土高原植物根系固土力学机制,通过Wu & Waldron(WWM)模型和Fiber Bundle(FBM)模型, 确定了黄土高原地区主要造林树种油松、刺槐、荆条和丁香4种植物根系对土体抗剪强度的增强作用,并用原位直剪试验对其进行了验证。应用ABAQUS有限元软件构建造林边坡稳定性分析模型,通过数值模拟的方法从边坡尺度上量化4种不同植物根系固土作用。结果表明:通过原位直剪试验的验证,发现评价植物根系对土体抗剪强度增强作用的WWM、FBM模型均存在一定的误差,因而建议进一步完善该理论模型。同时,基于原位直剪试验测定的根系对土体抗剪强度的增强作用,进行边坡稳定性分析,发现4种植物造林边坡稳定性均高于裸坡,边坡安全系数平均提高4.38%,最大等效塑性应变平均减小50.08%,最大水平位移平均减小40.83%,最大竖向位移平均减小14.84%;4种植物措施中,荆条造林措施对浅表层土体的固土效果最佳。研究结论为评价造林边坡的稳定性,揭示根系固土的力学机理提供理论基础和科学依据。