油气管道环焊缝质量评价与缺陷修复方法研究

油气管道环焊缝质量评价与缺陷修复方法研究

朱文龙

国家管网西部管道酒泉输油气分公司  甘肃省酒泉市，735000

摘要：目前，内检测技术对环焊缝缺陷的识别和尺寸量化仍存在难度，因此环焊缝隐患排查工作需要大量的开挖检测和验证。本文针对环焊缝开挖检测、质量评价及缺陷修复方法进行了研究，为环焊缝隐患排查治理工作提供参考，保障油气管道安全运行。

关键词：油气管道；焊接

1 环焊缝无损检测

1.1 缺陷检出率和识别率对比

开挖检测的射线复拍工艺为双壁单影法透照，复评的建设期射线底片为中心透照，理论上双壁单影法透照的难度高于中心透照，且清晰度和准确度都较低，但统计结果显示，对同一条环焊缝，复拍的缺陷检出数量与复评的相当，说明基于射线检测的环焊缝隐患排查是可靠的。PAUT和TOFD的缺陷检出数量多于射线检测，其中，PAUT检出3个及以上缺陷的环焊缝占25.42%,TOFD占32.26%,TOFD对缺陷的敏感度稍高于PAUT。

按缺陷类型对不同无损检测方法的缺陷识别率进行了分析，统计结果显示：对裂纹缺陷，射线检测和PAUT的识别率高，TOFD识别率低；对未熔合缺陷，射线检测的识别率最高，PAUT和TOFD的识别率低(由于PAUT和TOFD对缺陷定性困难，把未熔合缺陷归类为埋藏缺陷);对条形缺陷，PAUT的识别率最高，其次是TOFD;对内凹和内表面缺陷，PAUT和TOFD的识别率高(检测内表面不连续过渡的较好选择);对圆形缺陷，射线的识别率最高，其次是TOFD,PAUT的识别率低。

1.2 缺陷定级对比

现有的无损检测标准较多，国内油气管道领域通常采用SY/T 4109和NB/T 47013,对环焊缝缺陷判定采用Ⅱ级合格。通过标准对比分析，NB/T 47013的要求普遍高于SY/T 4109,按照SY/T 4109规定的工艺和合格级别，会造成一定尺寸的条渣、未熔合、裂纹等缺陷的漏检或误判；而SY/T 4109—2020增加了PAUT检测方法和质量评定标准的专项规定。因此，PAUT结果采用SY/T 4109进行定级，射线检测和TOFD结果采用NB/T 47013进行定级。

1.3 缺陷评价可靠性对比

从定性的角度，射线检测能确定缺陷类型，而PAUT和TOFD较难确定缺陷类型，将绝大多数缺陷笼统地归类为埋藏缺陷，不能有效地判断缺陷的危害性。从定量的角度，射线检测能确定缺陷平面投影的位置和大小，但较难确定缺陷的深度和自身高度；而PAUT和TOFD能确定缺陷的大小和深度，TOFD还能确定缺陷的自身高度。

2 环焊缝质量评价

2.1 评价的主要内容

根据对环焊缝失效原因的统计分析，焊接缺陷、内外部载荷、焊缝强度错配、材料性能不达标等是导致环焊缝失效的主要原因，也是影响环焊缝质量评价结果准确性的关键因素。环焊缝质量评价一般应包括管道服役状况调查、缺陷类型判定和尺寸量化、缺陷成因分析、环焊缝力学性能分析(基于已有数据或抽样开展环焊缝理化性能试验)、载荷参数选取等，并根据选用的评价方法对环焊缝的安全性进行综合分析和评价。如果环焊缝包含多种缺陷，应结合针对所有缺陷类型的多种评价方法进行综合评价，对各种失效模式进行判断，才能给出评价结论。

2.2 体积型缺陷的评价方法

体积型缺陷一般为塑性失效模式，危害性较低。常用基于塑性极限载荷理论的评价方法，主要是对导致结构塑性破坏的极限应力进行评价。代表性的评价方法有Miller方法、Kastner方法和ASME NSC方法等。对于体积较大的缺陷或者不能判定缺陷类型时，由于环焊缝区域存在焊接残余应力、焊缝韧性比钢管管体差等原因，通常按照平面型缺陷进行评价，结果较保守。

3 环焊缝缺陷修复方法

当环焊缝质量评价结果不满足服役要求时，需要选择合适的方法对缺陷进行修复。随着材料和工艺技术的发展，目前缺陷修复的方法有很多，结合缺陷评估结果，综合考虑现场条件、施工成本、修复能力等因素，选择合适的缺陷修复方法是保障油气管道安全运行的关键。为此，国内先后发布实施了针对油气管道缺陷修复的专项技术标准GB/T 36701—2018和SY/T 6649—2018,以规范管道企业开展油气管道缺陷修复，降低管道运行风险、消除安全隐患，降低修复成本。

3.1 缺陷修复标准对比

基于环焊缝的结构和载荷特性，国内外标准对环焊缝缺陷修复方法的选择普遍比较保守，而且有差异。以GB/T 36701—2018为例，仅推荐换管、B型套筒、螺栓紧固夹具3种永久修复方法，其中螺栓紧固夹具还要求能够传递轴向载荷且保持结构完整性，即需要像B型套筒一样焊接在管道上，而打磨和堆焊修复仅适用于环焊缝外表面且深度较浅的缺陷。换管修复周期长、费用高且可能影响管道正常输送，通常在其他修复方法都不适用时采用；B型套筒能承受内压和提高管道的轴向承压能力，但需要在管道上动火施焊，具有一定的作业风险。因此，在实际应用中，为避免动火作业，也有采用钢质环氧套筒和复合材料补强对环焊缝缺陷进行修复的案例。

3.2 焊接修复方法

B型套筒是国内外各相关标准均推荐采用的环焊缝缺陷修复方法，具有一致性高、修复效果好、适用范围广等优点。在役焊接是B型套筒修复技术的关键步骤，由于在役管道内部处于高压状态，焊接作业可能导致未熔管壁承压能力不足，造成烧穿；管道内介质的高速流动会快速带走接头热量，可能诱发氢致裂纹。尤其对于高强钢管道，按照强度设计原则，现有B 型套筒(一般为Q345材质)的壁厚需要很厚，焊接质量控制难度更大，目前已发现部分角焊缝存在冷裂纹。同时，受限于结构的影响，角焊缝的无损检测还没有比较成熟的方法。为此，国内外均对高钢级薄壁B型套筒以及角焊缝全自动焊接技术展开了技术攻关，相关预热保温、焊后热处理、无损检测等配套技术也在同步研究。目前，B型套筒全自动焊接技术已在西气东输等管线上应用。

3.3 非焊接修复方法

目前，国内外常用的非焊接修复方法主要有钢质环氧套筒和复合材料补强。由于钢质环氧套筒两端并未与管道本体焊接在一起，其承受轴向应力及弯曲载荷的能力尚需要进一步验证，因此，目前国内外大部分标准都不推荐使用钢质环氧套筒修复环焊缝缺陷。近期，有研究报道，钢质环氧套筒能有效承担内压载荷并分担76%～84%的弯矩，改善缺陷处的应力集中，可使环焊缝未熔合缺陷的环向及轴向应力明显下降，具备修复环焊缝缺陷的理论可行性。复合材料因其弹性模量较低，轴向抗载荷能力更弱，但复合材料补强具有施工方便、无需焊接、适用性强和耐腐蚀等优点，可用于环焊缝质量评价结果为可接受的体积型缺陷的修复补强。

4 结束语

油气管道环焊缝失效问题，已成为影响管道安全运行的关键因素之一。结合近年来环焊缝失效事故案例和国内管道运行实际情况，对环焊缝缺陷检测、质量评价和缺陷修复方法进行分析，形成以下结论与建议：

(1)各种无损检测方法对环焊缝内部缺陷的检出率和有效性存在较大差异，基于PAUT和TOFD目前的现场检测水平和对缺陷的识别判定能力，其检测结果仅作为缺陷定级的参考和环焊缝质量评估的依据，以免造成过度返修。

(2)环焊缝的载荷条件、缺陷特征和强度匹配特性等均较复杂，质量评价所需的基本参数较多，应尽可能选择合适的评价方法，提高评价的准确性，在保障安全的前提下避免不必要的修复。

(3)国内外标准对环焊缝缺陷修复方法的选择普遍比较保守，B型套筒作为优选的修复方法，在修复高钢级管道时存在焊接质量控制难度大等问题，应加强B型套筒材质、焊接技术、无损检测等方面的技术攻关，系统验证非焊接修复方法承受轴向应力及弯曲载荷的能力，研发新型修复方法，为环焊缝缺陷修复提供技术支撑。

参考文献

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