油氣管道環焊縫缺陷適用性評價現狀與展望

楊 輝 王富祥 陳 健 雷錚強 玄文博 考青鵬

1.中國石油管道科技研究中心 2.中國石油管道公司 3.中石油管道有限責任公司

0 引言

近年來，國內相關單位已發生數起環焊縫開裂導致的泄漏事故，造成了巨大的經濟損失和不良的社會影響[1-2]。因此，環焊縫缺陷適用性的準確評價對于保障管道安全運行具有重要的意義。為此針對環焊縫缺陷適用性評價方法進行了系統地歸納和總結；對環焊縫缺陷進行了分類并分別給出了推薦評價方法；分析了當前環焊縫適用評價遇到的瓶頸問題，并展望了未來研究思路，以期為環焊縫缺陷安全評定提供參考。

1 環焊縫缺陷評價方法

1.1 基于塑性破壞的強度評價方法

基于塑性破壞的強度評價方法主要是對造成結構產生塑性破壞的極限應力進行評價。塑性失效模式包括3種：局部塑性失效、凈截面塑性失效（Net Section Collapse，NSC）和全截面塑性失效[3]。局部塑性失效模式以缺陷毗鄰剩余韌帶局部達到塑性屈服為評價標準，凈截面塑性失效模式則是以含缺陷截面達到屈服時的應力作為塑性極限載荷。局部塑性失效評價結果通常較凈截面塑性失效評價更為保守。全截面塑性失效模式用于評價遠離缺陷或不受缺陷影響的結構塑性失效情形。傳統的極限載荷分析通常選用局部塑性失效或凈截面失效模式，代表性方法有Kastner方法[4]、Miller方法[5]、ASME NSC方法[6]等。

1.2 基于單參數準則的斷裂評估方法

基于單參數準則的斷裂評估即基于斷裂力學的工程評估方法，包括線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學兩種方法。線彈性斷裂力學評價方法有美國API 1104-2013附 錄A[7]、ASME BPVC Section XI[6]的 附錄C和附錄H等標準，是基于材料性質和應力分析結果并結合裂紋尖端應力強度因子（K）給出裂紋臨界尺寸，用以評估脆性斷裂失效，對韌性較好的管道評價結果較為保守。彈塑性斷裂力學評價方法是以斷裂驅動力（J積分）為核心的評定方法，通過比較載荷作用下管材的J積分與其對撕裂的阻力（JR阻力曲線）從而得出裂紋起裂和塑性失穩的判斷，如美國電力研究所的GE-EPRI方法、Paris-Tada方法、美國核研究委員會提出的LBB-NRC方法、美國Battelle Columbus研究所的LBB-ENG方法等[8]。J積分的定義復雜，難以準確計算，且不同的方法對J積分提出了不同的估算方法。運用該方法進行斷裂失效評估時，需要進行復雜的斷裂力學計算，一般工程人員難以掌握。因此在實際工程中應用較少。

1.3 基于塑性破壞和斷裂雙判據的失效評估圖法

基于塑性破壞和斷裂雙判據失效評估圖（Failure Assessment Diagram，FAD）的評價方法（以下簡稱FAD方法），最早由英國中央電力局提出并形成R6標準[9]，后來逐漸發展并被多個標準引用，并不斷更新完善，如英國標準BS 7910: 2015[3]、歐洲工業結構完整性評價程序（SINTAP）[10]、美國標準API 579-1-2016[11]、API 1104-2013[7]、加拿大標準CSA Z662-2015[12]和我國的GB/T 19624—2004[13]、SY/T 6477—2017[14]都使用了該方法，也是目前應用最為廣泛的方法。

FAD方法，是一種含裂紋結構的安全性評價方法。失效評估曲線（Failure Assessment Curve，FAC）在無量綱坐標系Lr—Kr中構建（圖1），Kr表示與線彈性斷裂的接近程度，Lr表示與塑性破壞（或極限載荷）的接近程度。Lr和Kr定義如下：

式中Lr表示載荷比，表征與塑性破壞（或極限載荷）的接近程度；Kr表示斷裂比，表征與線彈性斷裂的接近程度；P和Pref分別表示結構承載及參考載荷，N；σref和σy分別表示參考應力和屈服應力，MPa；KI、Kmat分別表示裂紋應力強度因子和材料斷裂韌性，N/mm3/2；Je、J分別表示彈性J積分和J積分，N/mm。

圖1 失效評估圖

1.4 基于簡化因子的評價方法

美國機械工程學會最先提出了Z因子法，主要應用于核電管道，采用撕裂失穩載荷作為臨界載荷進行評價，而且保守程度較大[15]。為了克服Z因子法不適用于石油化工薄壁管道的不足，徐宏等[16]初步提出了U因子法，劉長軍等[17]對U因子法進行了系統研究，并提出了基于通用失效評估圖的U因子法。該方法被收錄在GB/T 19624—2004附錄G[13]中。U因子的計算簡單，應用方便，是簡化了的FAD方法，但對于非平面型缺陷過于保守。

1.5 基于有限元的數值仿真方法

該方法通常是運用有限元仿真軟件（如ANSYS、ABAQUS等）對管道運行工況的模擬，能夠快速給出復雜載荷條件下管道的應力應變分布狀態，確定危險位置及計算環焊縫等缺陷位置的斷裂參數，包括K、J積分、裂尖張開位移（CTOD）等。然后結合材料的力學性能和現有的技術規范對缺陷的可接受性做出判定。目前尚沒有基于有限元仿真的管道缺陷評價規范，該方法更多用于管體缺陷評價研究，且與理論解析、試驗驗證相結合，使用者除要掌握分析軟件的使用外還要具備較深的理論知識儲備，屬于工程適用性評價中“高級評價”的范疇。

1.6 基于應變的評價方法

當管道在位移載荷作用下出現大范圍屈服時，現行的基于應力的斷裂評估方法存在一定的局限性，采用基于應變的方法更為合理。基于應變的評價需要解決兩個關鍵的問題，分別為驅動力的應變表征和失效準則的確定[18]。Wang 等[19]提出了確定含表面缺陷和埋藏缺陷管道拉伸應變的定量計算方程，并被CSA Z662-2007[20]采用。由于未考慮內外壓力、焊縫強度匹配和熱影響區軟化對管道應變能力影響，其計算結果具有一定的保守性，尤其針對長度小于15%管道壁厚、深度小于20%管道壁厚的短小缺陷，該方程在CSA Z662-2015[12]中未被沿用。同時，該標準還給出了屈曲失效模式下的壓縮應變極限狀態方程。國內在基于應變的管道設計與評價方面尚處于起步階段，工程中選擇焊縫超強度匹配以避免應變過度集中于焊縫及熱影響區，焊縫缺陷評估問題因此更加復雜[21]。

2 適用性評價方法選擇

2.1 環焊縫缺陷分類

環焊縫焊接時產生的缺陷包括：裂紋、未熔合、未焊透、咬邊、氣孔、夾渣、未焊滿、過度打磨以及錯邊等。根據BS 7910: 2015[3]、GB/T 19624—2004[13]等國內外主要適用性評價標準，大體將環焊縫缺陷分為體積型缺陷和裂紋型缺陷兩大類。其中體積型缺陷包括氣孔、夾渣、過度打磨以及未焊滿等；平面型缺陷包括裂紋、未熔合、未焊透等。另外，咬邊通常作為平面型缺陷評價，而錯邊作為一種結構不連續，按照產生附加應力集中進行考慮。

2.2 體積型缺陷評價方法

體積型缺陷主要為塑性失效模式，危害相對較低，可采用的適用性評價方法包括Kastner方法[4]、Miller方 法[5]、ASME NSC方 法[6]、修 正 的Miller方法[22]等。WANG 等[22]在國際管道研究協會（PRCI）環焊縫評價研究報告中介紹了基于極限塑性失效應力的環焊縫缺陷評價的一些研究成果，并對比分析了經典塑性破壞解和EPRG環焊縫評價指南、CSA Z662、API 1104等對于環焊縫缺陷塑性失效評價的適用性，指出：①Kastner方法、Miller方法、ASME NSC方法等適合作為工程應用候選方法，然而CSA Z662等標準則過于保守，預測的塑性失效應力僅為Miller方法的1/7，僅為Kastner方法的1/6；②對于深度小于50%管道壁厚、長度小于10%周長的環向缺陷，Miller方法、Kastner方法、ASME NSC方法等結果均能很好滿足環焊縫缺陷評價。Wang 等[22]在Miller方法的基礎上進行了修正，并被納入API 1104第2級評價塑性失效計算中。因此，體積型缺陷評價推薦采用修正的Miller方法。

2.3 平面型缺陷評價方法

相對于體積型缺陷，平面型缺陷危害較大，評價時應同時考慮塑性失效和斷裂失效模式，目前國內外普遍采用基于失效評估圖方法進行評價。該方法已被多個標準引用，但不同標準在失效評估曲線（FAC）、Lr和Kr的計算及殘余應力選取等方面存在差異。其中，API 1104-2013[7]僅給出了通用FAC，且在殘余應力等方面考慮不足。GB/T 19624—2004[13]在編制過程中主要參考了BS 7910: 1999[23]，版本較舊，很多內容尚未更新。SY/T 6477—2017[14]在編制過程中主要參考了API 579-1-2016[11]，同樣僅給出了X80及以下管線鋼通用的FAC，且殘余應力選取相對較為簡單。BS 7910: 2015[3]和API 579-1-2016[11]都給出了通用FAC與基于具體評價對象材料應力應變曲線建立精確度更高的特定FAC的方法。這兩種標準方法都比較適用于環焊縫平面型缺陷評價，但相較于API 579-1-2016，BS 7910: 2015在殘余應力選取、焊縫強度匹配等方面給出了更為詳細的規定。綜上所述，平面型缺陷評價推薦使用BS 7910: 2015，并根據可用材料參數及保守程度選用通用FAC或特定FAC進行評價。

3 適用性評價瓶頸問題分析

根據對環焊縫失效原因的統計分析，焊接缺陷、內外部載荷、材料性能不達標等是導致環焊縫開裂失效的主要因素，也是評價過程中制約評價結果準確性的關鍵因素，具體表現如下。

1）環焊縫缺陷特征數據主要來源于管道漏磁內檢測、射線檢測、超聲檢測等。在實際應用過程中發現，不同檢測手段報告的缺陷在類型、位置、尺寸量化方面存在較大偏差。如何認識并根據各種檢測技術的原理和特點，結合管道的實際焊接工藝來有效處理這種偏差是評價過程需要解決的問題。

2）從施工期到運營期，作用于管道環焊縫上的載荷是多種多樣的，主要包括施工過程中強力組對引起的裝配應力、錯邊/斜接引起的彎曲應力、焊接產生的殘余應力、運行過程中內壓引起的薄膜應力、外部土體移動導致的附加軸向應力、溫差引起的軸向應力等。部分載荷參數實測較為困難或與實際情況存在較大偏差，如通過假設又缺少明確的原則，相關標準規定不一。因此，載荷參數識別與獲取對于環焊縫缺陷評價也至關重要。

3）材料性能不達標主要表現為韌性值偏低，主要是由于焊工在環焊縫焊接過程中未嚴格按照焊接工藝操作等原因所導致；材料參數的選取應以實測為主，但由于不同焊口、不同位置的材料性能具有較大的分散性，因此材料參數取值的代表性也是評價過程中首先需要明確的問題。另外，近年來，高強鋼環焊縫弱匹配與熱影響區軟化等問題已逐漸突顯，應在環焊縫評價中予以重點關注。

4 未來展望

目前，環焊縫缺陷適用性評價技術在傳統低、中等級鋼管道的實際應用中已取得階段成果，但隨著近年來高鋼級、大口徑、高壓力管道的投產運行，管道環焊縫又暴露出新的問題，需要進一步開展相關研究工作，分述如下。

1）高鋼級管道環焊縫裂紋成因及機理研究。部分高鋼級管道環焊縫檢測與現場開挖驗證發現多處超標環焊縫裂紋，明確其成因及產生機理對后續環焊縫檢測、評價與新建管道的裂紋防控具有重要意義。

2）強度匹配形式對環焊縫失效行為影響研究。由于現行管線鋼標準規定的屈服強度、抗拉強度許可范圍較寬，當鋼管強度偏向標準上限時，環焊縫便成為弱匹配。部分管道力學性能測試也證實了焊縫強度存在弱匹配情況，不同焊縫強度匹配形式對于焊縫韌性、抗開裂性能、焊縫殘余應力等的影響還有待進一步明確。

3）根部缺口性應力集中效應及復雜載荷下評價方法適用性研究。歷史失效事故統計顯示焊縫多起裂于根部，尤其是存在變壁厚、錯邊或成型不良的環焊縫。對于高鋼級管道，當焊縫韌性儲備不足的情況下，這種根部缺口性應力集中是極其危險的。孟波等[23]研究表明，當缺口張開角小于60°時，不同缺口應力強度因子隨角度減小變化不明顯，即幾乎等同于裂紋。現行的適用性評價方法一般通過放大膜應力或疊加附加彎曲應力來考慮焊趾或根部結構性不連續產生的應力集中效應，可能嚴重低估了其對環焊縫承載能力的影響。

4）高鋼級管道環焊縫應變能力及基于應變的適用性評價方法研究。當管道承受較大位移載荷時會產生塑性變形，尤其是弱匹配形式下的環焊縫將先于臨近管體達到屈服并出現應變強化，基于應力的評價方法已不足以評估其應變能力。如何準確評估高鋼級管道環焊縫的應變能力，已成為管道斷裂控制中面臨的新難題，需要解決基于應變的裂紋驅動力問題，而不是傳統的基于應力的斷裂力學分析。

5 結論

1）系統總結了現行的環焊縫缺陷適用性評價方法，并歸納為6種類型，剖析了各類方法的原理、特點及適用性。

2）將環焊縫缺陷分為體積型缺陷和平面型缺陷兩大類，對于體積型缺陷，主要考慮塑性失效模式，推薦采用修正的Miller方法；對平面型缺陷，應同時考慮塑性失效和斷裂失效模式，推薦采用BS 7910:2015標準中基于失效評估圖（FAD）的方法，并根據可用材料參數及保守性選用通用FAC或特定FAC。

3）從焊接缺陷、內外部載荷及材料性能等3個方面分析了目前環焊縫缺陷適用性評價過程中遇到的瓶頸問題，主要表現為不同檢測方法針對缺陷表征存在偏差、載荷參數識別與量化準確性、材料參數取值代表性等。

4）針對高鋼級管道環焊縫所暴露出的新問題，提出了環焊縫缺陷適用性評價的未來展望。