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)     

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）     

国内大口径、高钢级管道焊接及焊缝检测技术现状

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。     

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。     

管道环焊缝检测识别方法

针对管道内检测缺陷点的定位问题,提出了一种基于漏磁原理的管道环焊缝识别方法。在使用内检测结果对缺陷点进行修复时,需要准确定位管道缺陷点位置。内检测器通过搭载里程计来记录检测器前进里程,从而定位管道缺陷点位置。但是检测器在管道中的旋转前进方式及里程计的累积误差,导致检测器记录的里程与实际的管道里程存在较大偏差,且该偏差随检测里程增加而增大。为了准确定位管道缺陷及特征点,通过在检测器上加装焊缝检测器,在内检测数据处理中识别出管道环焊缝,从而借助通过环焊缝里程对缺陷点进行精确定位。牵拉试验证明:该环焊缝识别方法识别率超过95.24%。     

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。     

高钢级天然气长输管道止裂控制技术现状

因高钢级（≥X90）管线钢难以依靠自身韧性止裂,同时缺乏适用于高钢级管线钢止裂器设计的相关准则,故对于向高钢级发展的国内天然气管道而言,在管道安全可靠性方面面临巨大挑战,而止裂控制问题是其中的关键。从理论研究和工程设计与应用两个方面系统梳理了天然气长输管道止裂控制技术的国内外发展历史与现状,介绍了相关计算公式和不同种类止裂器的功能原理,分析了当前止裂控制技术存在的问题与不足,指出了今后高钢级管线钢止裂控制的研究方向,对于促进高钢级天然气长输管道的发展具有指导意义。（图7,表1,参19）     

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）     

高钢级大口径油气管道在役自动焊工艺

随着长输油气管道建设朝高压力、大口径、高钢级、大壁厚方向发展,油气管道在役焊接涉及的开孔三通、修复套筒等管件的壁厚也随之增大,采用手工电弧焊进行油气管道维修焊接效率低,且焊接质量难以保证,因此亟需实现油气管道在役焊接的机械化施工.从焊接工艺的选择、焊接试验过程、焊接材料选择、保护气体的影响以及焊接工艺评定试验等方面,开...     

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）     

中俄东线站场工艺管道用高钢级低温钢管韧性指标

中俄东线天然气管道是中国首条OD 1 422 mm大口径输气管道,途经东北严寒地区。基于此,对比分析国内外标准规范,明确了天然气管道站场工艺管道断裂控制设计原则、最低设计温度选定要求,包括:(1)站内工艺管道断裂控制,关键是要防止管道发生起裂,钢管应具有足够的断裂韧性。对于起裂后的断裂扩展控制和落锤撕裂试验(Drop Weight Tear Test,DWTT)指标,应视工程具体情况并结合国内低温钢管的生产水平综合确定。(2)最低设计温度应考虑正常运行操作、放空、节流以及停输保压等工况下金属壁温可能达到的最低温度,针对站场工艺管道用X70、X80钢管确定管道的最低设计温度等于最低环境温度。(3)针对油气输送管道站场地上工艺管道,建议最低环境温度取最低日平均温度。结合理论计算和钢管实物性能参数,提出了中俄管道站场工艺管道用X70、X80钢管的低温韧性指标,对今后类似工程有一定的借鉴意义。     

高钢级管道残余应力超声波法检测及小孔法验证

随着中国油气管网的逐渐形成,管道安全评估日益重要.基于此,对声弹性原理、超声法应力测量技术概况进行了简要回顾,并针对高钢级油气输送管道安全服役评价的需求,开发超声波法无损残余应力测量系统.同时,提出了近零校准应力试块技术:通过将零应力试块退火后线切割,进一步释放应力,可进行更加精准的零应力标定.并根据检测实际需要设计了...     

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.     

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。     

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.