基于应变的高钢级管道环焊接头失效评定方法

基于应变的高钢级管道环焊接头失效评定方法

周辛 ,周京

中国石油管道局工程有限公司第三工程分公司 

摘要：高钢级管道环焊接头是一种典型的焊接结构，其局部材质主要可划分为母材、焊缝和热影响区（HAZ）。由于高钢级管道的母材强度较高，环焊接头就极易出现强度低匹配焊接，这与以往低钢级管道环焊接头强度高匹配焊接不同。强度低匹配焊接是导致管道环焊接头局部出现应力或应变集中的主要原因之一，而焊接缺陷、环焊缝韧性差、变壁厚或错边、附加外载等因素也会进一步加剧环焊接头局部的应力或应变集中程度，这些因素是近年来高钢级管道环焊缝事故多发的主要原因。基于此，对基于应变的高钢级管道环焊接头失效评定方法进行研究，以供参考。

关键词：天然气管道；环焊接头；断裂评定；应变承载能力

引言

随着中国在高压、大口径、高档钢管材料、焊接、施工等领域的技术突破。,迅速建立了运输量大的天然气管道干线网络,以满足国民经济发展对天然气的需求。然而,随着高档钢管的推广和应用,主要材料的性能逐渐接近Ashby图纸中较低水平的安全设计水平,低压脆性断裂的风险更高。近年来,国内外X70、X80钢管道环焊缝出现故障,表明高等级钢管道焊接结构存在较高的故障风险。

1基本定义

符合性是指一致性,用来描述同一结构的相关部分之间是否一致,是否满足一般功能要求,分为比较差异,比较值两种方式。设计中的大多数结构仅对结构匹配提出原则性要求,即一般意义上的结构匹配或理论匹配,主要从金属材料和焊接材料的工艺指标来看,要求达到等效匹配或强标称值匹配,没有明确的试验方法,要求对取样结果进行匹配;同时,对确定强度的实际符合性、测试方法、质量指标等没有要求。显然,在定义和测试方法不一致的情况下,设计的一致性和从不同维度描述结构的实际的一致性不可避免地会导致不同的结果。当使用强度比率来描述匹配时,可以定义匹配系数、匹配系数、匹配比率校正系数等。设计符合性系数或理论符合性系数是指设计文件中对结构符合性的定义和要求,主要是通过比较基本金属和焊接材料性能指标的额定值来计算的;实际合格系数是指实际结构符合的实际状态,应根据基本金属和焊接材料性能指标的实际值与结构的比例计算。当匹配系数大于1、等于1和小于1时,分别对应于高强度、等效强度和低匹配强度。如果只考虑未知系统的匹配,则使用匹配系数、匹配系数等参数评价系统的可靠性具有一定的参考作用,但如果可靠性评估用于评价系统的安全性,特别是如果要求同样高或强烈,符合系统的基本设计要求或安全指南,则不存在实际使用成本。可以看出,用强度差值来表示符合性比较实用,计算强度差值与最小强度的比值对计算结构的可靠性有一定的参考价值,因此应确定强度差值系数。

2管道环焊接头力学性能

科学制定管道焊接接头的机械性能要求和应力、应变、变形指标,是确保管道设计阶段焊接接头内部安全的关键。焊缝的极限状态与焊缝的承载能力、材料性能和金属缺陷有关,在设计和确定焊缝的强度和韧性时,焊缝缺陷应考虑焊缝承载能力的标准和要求。根据不同的概念和方法,对管道焊接接头性能要求的设计方法可分为确定性设计和可靠性设计。确定性设计方法根据最不利的条件确定影响焊缝边界安全状态的参数.可靠性设计方法将这些参数输入到边界状态方程的统计分布中,并通过引入目标可靠性来确定焊接金属的强度指标。一种特定的设计方法,作为传统的设计方法,在高质量的管道设计中得到了广泛的应用。通过误差评定方案,将环焊接头的环形和轴向裂纹作为边界状态方程,以及直径为1422毫米的焊管和环焊接头的断裂强度控制指标。

3基于应变的高钢级管道环焊接头失效评定方法

3.1环焊缝质量控制需关注的问题

石油天然气管道焊接质量控制的内部标准有以下四个层次:第一层是管道系统的国家标准,如GB50251-2015管道设计规范;第二级是国家或工业焊管标准,如GB/T31032-2014钢管焊接抽取;第三阶段为企业管道焊接标准,如中国石油管道标准CDP-G-OGP-OP-081.01—2016-1油气管道技术要求第1部分直线焊接;第四阶段是管道焊接标准,如Q/SYGD0503.12—2016中俄东气管道施工技术规程第12部分:线性焊接。我国大多数国家标准和企业标准是指或等同于美国ASME或API标准,并结合具体项目的技术特点规定了相应的焊接设计技术要求,整体技术不低于国外标准。因此,标准的管焊质量控制系统是可靠的。但在对焊接工艺进行评价时,需要进一步改进和优化管材成分、壁厚不均匀、焊缝最小数目、焊接专用零件冲压试验、工艺参数等方面,以满足现场焊接质量控制的要求。另一方面,在施工现场必须严格进行焊接工艺,以提高管道焊缝的焊接质量。石油和天然气管道焊缝的质量控制必须注意以下几个方面。首先,在设计焊缝强度时,应采用均匀或超强的连接设计。带有等效或超兼容接头的环焊接不仅允许更大的允许焊接误差,而且还避免了环焊缝的集中断裂和HAZ应力。

3.2　匹配表征的尺度相关性

一般意义上的强度匹配主要取决于拉伸试验确定的强度指标,实质上反映了宏观层面的一般匹配特性。随着显微镜检测技术的发展,仪器法、DIC法等显微镜检测技术越来越多地应用于管道环焊。但是,由于化学成分、微观组织和焊接接头力学性能的不均匀性,随着特性尺度的减小,不存在绝对均匀的符合性,不同尺度的测试方法可能会得到不一致的结果,反映不同尺度的局部特性符合性。在环焊接失效过程中,重要的是整体兼容还是局部兼容,以及整体兼容和局部兼容特性之间的关系,需要进一步深入研究。此外,当管道的各向异性时,取样方向也会影响试验结果。为了避免因不同规模和测试方法而产生的偏差,有必要制定更明确的样品选择方法、测试要求和质量指标。

3.3弯管管件可靠性

(1)、从原材料的角度来看,相关标准只规定了管道原料化学成分的最大值,而钢厂的化学成分由于铸造工艺的差异而变化很大,因此管道的热处理效果存在很大的不确定性。随着铸造能力的提高,钢厂一般通过铸造工艺保证材料性能,控制合金含量,导致原材料对热处理工艺的适应性降低,特别增加了热焊区性能控制的难度;材料未经现场重新检查,这可能导致劣质材料进入弯曲和配件供应链。(2)热处理技术。现有生产工艺规格对热处理工艺要求不够具体,可操作性不强;缺乏对热处理工艺的真实性和准确性的认证,以及对热处理工艺是否保证产品性能的验证;热处理工艺应与原料的化学成分和颗粒相匹配,在材料发生变化后,应重新评估热处理工艺。点火冷却速度不确定;热处理技术不完善,包括炉体积控制、温度计位置控制、加热方式控制等。缺乏对同一炉中样品的热处理时间的控制,以及在水中燃烧前对产品温度的控制;对坦克的要求没有详细说明,包括尺寸,介质,流动性,盐含量,温度等。压缩和萃取时间未知,压缩和萃取后的冷却方法未知。

结束语

通过分析高质量管道的关键组件和生命周期问题,可以创建确定可靠性因素的框架和高质量管道的交互式图表,用于分析故障并提高高质量管道的质量。确定了后续的研究方向,为今后新材料的研究、新工艺、新管道的设计、施工和质量控制提供了参考,同时也为高端钢管作业中的操作风险识别提供了重要指导。

参考文献

[1]吴锴.高钢级管道环焊缝应变能力研究[D].中国石油大学(北京),2021.

[2]吴锴,张宏,杨悦,刘啸奔,隋永莉,陈朋超.考虑强度匹配的高钢级管道环焊缝断裂评估方法[J].油气储运,2021,40(09):1008-1016.