管道修复人的圈子

陈 杉，罗艳龙，赵全海，王海涛

(1.中国特种设备检测研究院，北京 100029；2.航天晨光股份有限公司，江苏南京 211100)

引言

油气管道是国家重要的能源基础设施，国内油气管道干线总里程已达到13.6万km，其中高钢级管道3.5万km[1-2]。环焊缝作为油气管道系统的薄弱部位，易发生失效且数量庞大，其质量直接影响管道的安全运行[3-4]。近年来，由环焊缝缺陷引发的油气管道失效事故，尤其是高钢级管道环焊缝断裂的问题，受到了广泛关注[5]。

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[6]，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。

1 环焊缝无损检测

油气管道环焊缝常见的缺陷类型主要为体积型缺陷和平面型缺陷，体积型缺陷包括气孔、夹渣、内凹等，平面型缺陷包括裂纹、未熔合、未焊透等[7]。各种无损检测方法对不同缺陷的检出率和有效性不同，受现场检测环境的限制，该差异性与实验室条件或理论上的情况可能存在较大偏差。本文整理了国内某天然气管线开挖的近万道环焊缝的无损检测数据，包括建设期的射线底片复评，开挖后的射线复拍、PAUT和TOFD检测，其中射线检测率为100%，PAUT检测率为34.8%，TOFD检测率为6.9%。通过统计分析，对不同无损检测方法在现场应用的优缺点进行了对比。

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[8]，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。同时采用了射线检测、PAUT和TOFD 3种方法进行无损检测的环焊缝，对其缺陷定级比例进行了统计对比，见表1。

表1 不同无损检测方法的缺陷定级比例对比表 %

由表1可见，射线检测的定级比TOFD保守，PAUT的定级较严格且Ⅳ级缺陷的定级比例过高，应对其质量评定标准进行深入研究。

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。

1.4 综合对比分析

通过上述各项对比和对现场实际应用情况的分析，总结了针对环焊缝内部缺陷的部分无损检测方法在现场应用的优缺点(表2)。考虑到目前PAUT和TOFD现场检测水平和对缺陷的识别判定能力，并不能很好地区分危害型缺陷，对未熔合的识别率很低(多起事故均表明是重要的失效因素)，不能有效地判断安全风险，因此在目前无损检测技术现场应用水平下，基于射线检测的环焊缝隐患排查是可靠且相对保守的，应在射线检测的基础上，对识别的危害型缺陷或异常现象，采用PAUT和TOFD组合工艺对缺陷自身高度和尺寸进行精确复核，为环焊缝质量评价提供依据。

2 环焊缝质量评价

经开挖检测，对存在超标缺陷的环焊缝，由于成本、环境、技术等方面的限制，不可能全部都进行修复或更换[9]。可通过开展环焊缝质量评价(合于使用评价)，以服役适用性为依据，评价含缺陷环焊缝在管道规定的安全极限范围内是否有足够的结构强度承载运行过程中的载荷。若评价结果表明缺陷可接受，则可按照工艺流程对环焊缝进行防腐回填；若评价结果表明缺陷不可接受，则应计算管道剩余寿命，给出管道可承受的最大工作压力，并对该环焊缝提出处置建议，是兼顾管道安全性和经济性的有效做法[10]。

表2 部分无损检测方法在现场应用的优缺点对比表(针对内部缺陷)

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[11]。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[7]。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。

2.3 平面型缺陷的评价方法

平面型缺陷的危害性比体积型缺陷大，评价时应同时考虑塑性失效和断裂失效模式，目前国内外普遍采用基于双判据失效评估图(图1)的方法进行评价，Kr为韧性比，表示与脆性断裂的接近程度，Lr为载荷比，表示与塑性失稳(或极限载荷)的接近程度，若评价点在失效评估曲线以内，则认为缺陷可接受[12]。BS 7910—2015、API 579-1/ASME FFS-1—2016、API 1104—2013和GB/T 19624—2019、SY/T 6477—2017等标准均引用了该方法，但不同标准在失效评估曲线、Kr和Lr的计算及残余应力选取等方面存在差异，导致评价结果的保守程度不同，可根据实际情况选择合适的评价标准。

图1 失效评估图

目前，基于失效评估图的常规评价方法已较成熟，各相关标准都制订了通用的失效评估曲线，但常规评价方法未考虑材料特性的影响[13]。对于高钢级管道，由于焊接材料或工艺等原因，在环焊缝焊接时易出现强度错配的情况，相比于常规评价，基于材料特性的失效评估曲线更能反映材料性能差异，得到更准确的评价结果，尤其是环焊缝低强匹配的情况，建议采用环焊缝的实测力学性能进行分析，以便获得更高的评价精度[14-15]。

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[16]。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(表3)。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。

表3 国内外相关标准针对环焊缝缺陷修复方法的适用性对比

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[17]。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[18-21]，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。