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。     

输油气管道常用焊接方法

从生产效率，焊接质量，劳动强度，技术先进性，经济性和适应范围等方面对管道常用的焊接方法进行了总结，对各种管道常用焊接工艺进行了比较，认为在大口径，高钢级的管道环缝焊接领域，全自动气体保护焊最具发展潜力，药芯焊丝半自动焊具有灵活，速度快的优点，适用于中小管径管道的焊接，手工电弧仍将长期使用，药芯焊丝自保护全自动焊设备投资小，将在一定范围内得到应用。     

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)     

管道自动焊装备发展现状及前景展望

随着高钢级、大口径、大壁厚管道的建设,以及对油气管道运行安全和环境保护要求的日益提高,传统的手工焊和半自动焊已不能满足施工质量和效率的要求,自动焊技术开始大面积推广应用。自动焊技术是基于坡口、组对、焊接于一体的管道施工技术,采用液压传动技术、机械制造技术、自动控制技术结合焊接工艺,完成现场管口的焊接任务,其焊接质量和焊接效率的稳定性在流水施工作业过程中优势明显。系统介绍了自动焊技术特点,阐述了国内外管道坡口机、内焊机、外焊机以及自动焊技术的发展现状,并对未来自动焊装备的发展趋势进行了展望。     

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)     

中俄东线天然气管道黑河—长岭段环焊缝焊接工艺北大核心

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1422 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)     

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）     

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。     

中俄东线天然气管道动态退磁实验

油气长输管道施工、检测过程中的剩磁会引发焊接电弧的磁偏吹,可能影响管道焊接作业的施工进度和质量,进而威胁管道本质安全.中俄东线天然气管道工程由于采用大口径、高钢级管道,具有较高的管道剩磁水平,对现有退磁技术与退磁设备的能力提出了更大的挑战.为此,引入永磁铁退磁技术,开展基于响应面法设计的中俄东线天然气管道动态退磁实验,...     

长输管道全自动焊技术应用工程经济分析

长输管道全自动焊技术具有高效率、高质量和稳定性好的特点,被业内视为可胜任高强度钢、大口径、宽壁厚、高压力条件下长输管道建设发展的主流技术,但在我国长输管道建设的应用过程中,全自动焊接技术并未实现预期的效益。立足于长输管道建设基本单元的施工机组,对全自动焊接机组的管理现状进行分析;依据投入产出原理,提出全自动焊机组施工的经济焊接工程量;探讨了全自动焊检测的及时反馈对工程施工的影响。从工程经济学的角度对全自动焊接技术在长输管道建设中的应用前景予以展望。     

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)     

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。     

中俄东线黑河—长岭段线路可靠性复核

中俄东线天然气管道黑河—长岭段初步设计阶段的可靠性评价,管材基础数据来自试制钢管,环焊缝数据则参考焊接工艺适应性评价结果及以往工程统计数据。管道投产后,需要校验批量供货钢管相对试制钢管的性能差异及其对管道服役可靠性的影响,以及全自动焊的规模推广对管道可靠性的影响。基于新的基础参数,对比了试制钢管与批量供货钢管的性能参数,分析了全自动焊接环焊缝力学参数及缺欠数据,并采用最新数据复核管道的服役可靠性。结果表明:试制钢管与批量供货钢管的力学性能指标存在差异,但均满足标准要求;全自动焊提高了环焊缝质量,焊缝性能指标均高于标准要求;钢管性能波动直接影响管段的失效概率值,且随着服役年限的增加,外腐蚀引起的管道失效概率将逐步增大,但在30年服役期内,按照目前的设计、材料、施工、运行、维护标准,管道能够满足服役可靠性要求。(图12,表3,参24)     

盾构竖井内大口径管道预制安装设计及施工

中俄东线天然气管道黑龙江盾构穿越工程需要在竖井内安装直径1 422 mm、壁厚39 mm、曲率半径为5倍直径的热煨弯管,但在竖井内无法采用分段焊接安装的常规方法。基于此,设计了针对盾构竖井内安装大口径管道的技术方案。该方案在地面对盾构竖井内的热煨弯管和直管采用自动化焊接工艺形成一个大S弯管,再采用"穿洞法"吊装安装就位。所有焊缝经外观检查合格,并采用射线检验和超声波检验,16道口无损检测均满足中俄两国标准的要求,全部合格。该技术的成功应用实现了竖井内大口径管道和弯管一次吊装就位,解决了狭小空间无法使用全自动焊接的安装技术难题,可为今后此类盾构、顶管竖井内安装大口径管道提供参考。(图7,表1,参20)     

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...     

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...     

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...