李強 劉新凌 梁強

廣東大鵬液化天然氣有限公司

背景

近幾年國內(nèi)發(fā)生數(shù)起油氣管道泄漏或斷裂事故，大多發(fā)生在連頭口或金口位置。雖然這些焊口無損檢測結(jié)果合格，但是現(xiàn)場焊接作業(yè)環(huán)境可能存在較大的焊接拘束應(yīng)力，造成焊縫接頭的斷裂韌性和焊縫缺陷臨界失效尺寸降低。如中緬管道“6·10”環(huán)焊縫斷裂燃爆事故反映出管道焊接接頭在現(xiàn)場作業(yè)中可能存在較大的焊接拘束應(yīng)力。為深入研究分析拘束應(yīng)力對焊接接頭的影響，開展了在拘束狀態(tài)下含缺陷焊縫的適用性評價，以提升管道安全運行管理水平。

模擬測試

首先通過有限元軟件進行管道焊接拘束度模擬計算。其次設(shè)計制造一套用于模擬足尺寸連頭口自拘束的試驗裝置（圖 1），模擬不同拘束狀態(tài)下的管道焊接（圖 2），并對不同拘束度條件下所得焊縫接頭的斷裂韌性值（CTOD）進行測試。最后，通過預(yù)制焊接缺陷對管道內(nèi)部施加水壓及彎曲載荷，測試含拘束條件下的焊縫部位的爆破壓力，評估含缺陷焊縫在特定工況（如滑坡）條件下對彎曲載荷加載速率的敏感性。

圖 1 自拘束管道焊接結(jié)構(gòu)

圖 2 不同拘束度情況下管道模擬焊接

分析評價

（1）管長1 m～3 m對接接頭，隨管長增加拘束度逐漸變小。不同拘束度下焊接管道的殘余應(yīng)力隨著拘束度的上升而增大，拘束情況對焊接殘余應(yīng)力的影響顯著。由0.5 m×0.5 m焊接形成自拘束的結(jié)構(gòu)，焊接殘余拉應(yīng)力最大可達140 MPa，平均應(yīng)力為105 MPa，嚴重影響了焊接結(jié)構(gòu)的承載性能。

（2）通過測試分析不同拘束條件下的焊接試樣，N含量明顯變化。初步推測其應(yīng)變時效在引入拘束度時發(fā)生概率要相對大于自由狀態(tài)下的焊接。

（3）依據(jù)焊接接頭斷裂韌性測試結(jié)果，拘束條件下熱影響區(qū)的斷裂韌性值明顯低于自由狀態(tài)下的斷裂韌性值；拘束應(yīng)力越大，斷裂韌性值下降越明顯，韌性越差。

（4）在水壓及靜載作用下，相對于無拘束的管段（水壓16 MPa、4 t靜載泄漏失效）而言，有拘束管道在水壓13.5 MPa、4 t靜載作用下即出現(xiàn)管道泄漏失效。說明拘束對管道承受靜載的能力影響很大。

（5）在水壓及動載作用下，相對于無拘束的管段（水壓9 MPa，落錘高度1.4 m開裂失效）而言，有拘束管道在水壓9 MPa，落錘高度1.2 m時就發(fā)生開裂失效。說明含拘束的焊接結(jié)構(gòu)承受彎曲載荷能力更弱。

啟示

（1）管道規(guī)劃及建設(shè)期間，盡可能避免或減少沿山體橫坡敷設(shè)，防止位移、滑坡導(dǎo)致管道產(chǎn)生較大的變形和軸向應(yīng)力。山區(qū)管道設(shè)計時應(yīng)加大應(yīng)力計算分析深度，避免出現(xiàn)嚴重應(yīng)力集中的管段。

（2）加強管道焊接作業(yè)質(zhì)量管理，避免管道焊接時產(chǎn)生強拘束作業(yè)環(huán)境。當檢測、檢驗發(fā)現(xiàn)管道存在裂紋型焊縫缺陷時，應(yīng)適當提高缺陷檢測評價等級，盡可能減少裂紋缺陷給管道安全運行帶來消極影響。

（3）對于可能存在較大拘束度的含缺陷管段，在開展適用性評價時要根據(jù)缺陷類型及尺寸、載荷和管材等級等不同情況，設(shè)置足夠安全系數(shù)，避免后期因拘束過大而產(chǎn)生非預(yù)期失效。

作者簡介：李強，研究生，高級工程師，廣東大鵬公司管道完整性評價經(jīng)理崗位。聯(lián)系方式：19926449979，liqiang365@163.com。