西四線變壁厚鋼管環焊縫內坡口設計方案

楊 明， 劉玉卿， 高 琦， 張振永， 王慧慶

（1. 國家管網集團西部管道有限責任公司， 烏魯木齊830000；2. 中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊065000）

0 前 言

近20 年來， 我國油氣管道建設高速發展，截止2019 年我國已建成油氣管道干線13 萬余公里。 我國油氣管道在總體安全、 平穩運行的形勢下， 近些年發生了多起環焊縫失效事故[1]，給國家、 社會和企業造成了重大損失。 2017 年7 月2 日， 在貴州省黔西南州晴隆縣沙子鎮， 中緬天然氣管道沿邊坡埋地敷設管段因持續降雨引發公路邊坡下陷側滑被擠斷， 導致天然氣泄漏引發燃燒爆炸， 造成8 人死亡、 35 人受傷[2]； 2018年6 月10 日， 中緬天然氣管道在距離2017 年事故點不到2 km 的位置再次發生環焊縫失效、燃爆事故， 造成24 人受傷[3]。

統計近16 年油氣管道環焊縫失效事故， 超過半數發生在變壁厚鋼管對接的環焊縫上。 因此， 分析變壁厚鋼管環焊縫的失效原因， 提高變壁厚環焊縫的焊接質量進而提高承載能力， 是提升管道安全的重要保證。

1 國內外標準規范的規定

油氣管道線路部分因地區等級、 強度設計系數的變化等因素， 不可避免地存在變壁厚鋼管的對接。 通常包括以下幾種情況： ①不同強度設計系數管段的連接， 例如不同地區等級管道的對接、 一般線路管段與穿跨越管段的對接、 一般線路管段與閥室站場管段的對接等； ②直管道與熱煨彎管的對接。 目前， 陸上油氣管道均為等外徑設計， 變壁厚鋼管對接時， 在內壁側進行壁厚過渡處理。

對比國內外常用的標準GB 50251—2015《輸氣管道設計規范》、 ASME B31.8—2016《氣體傳輸與分配管道系統》、 CSA Z662—2015《油氣管道系統》、 AS 2885.1—2012 《管道 天然氣和石油管道 第1 部分： 設計和建造》、ГОСТР 55989-2014 《干線管道設計規范》 等，可以看出， 中國、 美國、 加拿大以及澳大利亞各國規范對于等內徑、 變壁厚的管道焊接的坡口型式要求基本相同， 如果外部偏差量超過較薄部分的一半， 則偏差量超過0.5t 的部分應呈錐形， 如圖1 所示； 俄羅斯的相關標準沒有進行明確規定， 根據俄羅斯博烏管道的焊接規程， 變壁厚管道的焊接除了有倒角式內坡口外， 還有錐孔式坡口。

圖1 倒角式內坡口示意圖

變壁厚環焊縫采用的倒角式內坡口， 存在以下問題： ①存在較嚴重的應力集中； ②焊縫成形較差， 容易產生根部未熔合、 未焊透等缺陷； ③影響無損檢測的檢出效果。 在各種因素的綜合作用下， 容易在較薄弱的變壁厚環焊縫上發生失效[4-7]。

2 研究內容

北美管道運行商為了減小變壁厚環焊縫的應力集中、 改善焊接質量以及提高無損檢測效果， 采用了錐孔型內坡口設計， 將變壁厚環焊縫的壁厚過渡從焊縫區域轉移至鋼管母材上，如圖2 所示。 錐孔型內坡口可以顯著降低環焊縫應力集中， 減小氫致開裂和疲勞裂紋擴展的驅動力[8-10]。

圖2 錐孔型內坡口結構示意圖

本研究通過借鑒國內外研究成果和工程經驗， 以輸送壓力為12 MPa 的西四線 （吐魯番—中衛段） X80 鋼級Φ1 422 mm 天然氣管道為依托， 針對直管與直管變壁厚鋼管對接的環焊縫， 采用錐孔型內坡口， 進行變壁厚環焊縫坡口方案設計研究， 使變壁厚鋼管實現等壁厚焊接， 改善當前油氣管道變壁厚環焊縫因幾何形狀變化產生的應力集中問題， 以及由變壁厚焊接帶來的缺欠及缺陷較多且不易被檢出的問題， 提高直管與直管變壁厚環焊縫的焊接質量和承載能力， 提升西四線 （吐魯番—中衛段） 管道本質安全水平， 指導并應用于管道工程建設。

3 變壁厚鋼管環焊縫內坡口設計

3.1 西四線變壁厚鋼管環焊基本情況

西四線 （吐魯番—中衛段） 直管-直管變壁厚環焊基本情況匯總見表1。

表1 西四線（吐魯番—中衛段） 直管-直管變壁厚環焊情況匯總

線路段的直管-直管變壁厚焊接， 一般采用全自動焊； 在管道穿跨越處、 坡度大于12°的局部區域管段， 可能無法采用全自動焊， 而采用STT/RMD/手工根焊+外焊機自動焊填充蓋面的焊接方式。

3.2 設計原則

錐孔型內坡口的結構型式主要包括兩個關鍵尺寸： 錐孔長度L 和壁厚過渡角θ， 如圖2 所示。 壁厚過渡區長度L1與鋼管壁厚差 （厚壁管壁厚t1－薄壁管壁厚t2） 以及壁厚過渡角θ 有關，L1可視為壁厚差與壁厚過渡角的間接量， 故以錐孔長度L 和壁厚過渡角θ 表征錐孔型內坡口方案。

錐孔型內坡口方案設計， 即結構尺寸L 和θ的設計， 應遵循以下原則： ①適應施工現場的焊接要求； ②不影響環焊縫的無損檢測； ③不影響管道內檢測； ④顯著改善應力集中（在此指因幾何形狀變化產生的應力集中）。

3.3 方案設計

3.3.1 現場焊接要求

現場焊接時， 內焊機漲緊器的漲靴、 內對口器的漲靴對錐孔型內坡口幾何尺寸有要求。 參考中俄東線（黑河—長嶺段） 天然氣管道工程： 采用全自動焊的管段， 內焊機中自帶漲緊器， 不需要使用內對口器， 只考慮內焊機漲靴對錐孔型內坡口幾何尺寸的影響； 采用STT/RMD/手工根焊+外焊機自動焊填充蓋面焊接方式的管段， 使用外對口器， 焊接過程與錐孔型內坡口幾何尺寸無關。

全自動焊時， 內焊機漲緊器的漲靴寬度決定了錐孔型內坡口的錐孔長度L， 對壁厚過渡角θ無影響。

對于錐孔型內坡口， 考慮兩種方案：

（1） 當厚壁管內的內焊機漲靴， 漲緊于厚壁管的已切削區域時， 如圖3 （a） 所示， 要求L0/2≤L。

（2） 當厚壁管內的內焊機漲靴， 漲緊于厚壁管的未切削區域時， 如圖3 （b） 所示， 要求L0/2≥L+L1。

當前我國應用的全自動內焊機主要有CRC、 熊谷以及CPP900 內焊機。 通過調研，漲靴在不同區域時Φ1 422 mm 管段常用內焊機的旋轉盤+兩側漲靴， 以及錐孔型內坡口尺寸允許范圍見表2 和表3。

圖3 內焊機漲靴漲緊于厚壁管示意圖

表2 內焊機的漲靴在厚壁切削區時錐孔型內坡口尺寸允許范圍

表3 內焊機的漲靴在厚壁未切削區時錐孔型內坡口尺寸允許范圍

漲靴在厚壁未切削區時， L+L1的范圍為定值， 錐孔長度L 與壁厚過渡角有關： 當θ=14°時取最小值， 當θ=30°時取最大值。 最大可允許漲靴的1/4 寬度懸空于壁厚過渡角區域， 另3/4 漲靴寬度漲緊于厚壁管原始內壁， 如圖4 所示。 CRC、熊谷和CPP900 內焊機的漲靴寬度均為40 mm，1/4 漲靴寬度為10 mm。

圖4 漲靴在厚壁未切削區時漲靴懸空示意圖

3.3.2 無損檢測的要求

西四線 （吐魯番—中衛段） 直管-直管變壁厚管道， 若采用全自動焊接方式， 則采用全自動超聲波檢驗 （AUT）， 并應采用射線探傷對全自動超聲波檢測進行復驗； 若采用STT/RMD/手工焊根焊+外焊機自動焊填充蓋面焊接方式， 則采用100%射線照相檢驗+100% （PAUT+TOFD） 檢測， 對于“百口磨合” 段環焊縫采用該種焊接方式時， 應進行100%射線檢測+100%UT+100%（PAUT+TOFD） 檢測， 各檢測方法按各自驗收規范進行評判。

（1） AUT 檢測

全自動焊一般采用AUT 檢測， 對應錐孔型內坡口+雙V 形復合型坡口。 經計算， 45°激發角度下， 建議最終厚度21.4 mm 變壁厚焊口的錐孔長度不小于72 mm， 最終厚度25.7 mm 變壁厚焊口的錐孔長度不小于68 mm。

（2） RT 檢測

RT 底片寬度為80 mm， 需要覆蓋整個焊縫上開口寬度及熱影響區， 膠片以焊縫中心對稱布置， 焊縫中心線兩側各40 mm。 因此，RT 檢測要求錐孔長度L 至少為20 mm， 錐孔長度L 大于20 mm 時， 壁厚過渡角θ 對RT 檢測無影響。

（3） PAUT+TOFD 檢測

采用仿真計算和試驗驗證的方法分析錐孔長度對PAUT+TOFD 無損檢測的影響， 建議直管-直管變壁厚環焊縫的錐孔長度至少為35 mm。 滿足此要求時， 壁厚過渡角對PAUT+TOFD 檢測無影響。

（4） UT 檢測

采用該焊接方式的鋼管端部采用V 形坡口， UT 檢測采用鋸齒形掃查， 按照-6 dB 計算原則計算波束寬度， 計算邊界距焊縫中心距離為60 mm。 綜合考慮探頭K 值變化、 波束寬度以及溫度對聲速的影響， 計算UT 檢測的變壁厚環焊縫最小錐孔建議長度見表4。

表4 采用UT 檢測的最小錐孔建議長度

綜上所述， 西四線直管-直管變壁厚環焊縫無損檢測方式組合要求的最小錐孔長度見表5。

表5 西四線直管-直管無損檢測組合要求的最小錐孔長度 mm

3.3.3 滿足內檢測的要求

結合Φ1 422 mm 鋼管內檢測器的通過性能指標， 變壁厚的錐孔型內坡口的錐孔長度與壁厚過渡角對Φ1 422 mm 鋼管內檢測器的通過性能沒有影響。

3.3.4 顯著改善應力集中

（1） 應力集中系數計算

應力集中系數定義為結構應力與名義應力之比， 表征局部彎曲導致的應力增長水平。 研究表明， 結構應力是決定結構疲勞壽命的關鍵因素[11-14]。

應力集中系數f 的表達式為[8]

式中： σm——管道軸向拉伸狀態下的局部薄膜應力， 等于施加在薄壁管上的名義軸向拉伸應力σa；

σb——透壁彎曲應力。

（2） 敏感性分析

采用有限元方法分析錐孔長度L 和壁厚過渡角θ 對變壁厚環焊縫應力集中的敏感性， 可知： 增大錐孔長度L 可以改善變壁厚環焊縫的應力集中； 減小壁厚過渡角θ 可以改善變壁厚環焊縫應力集中； 增大錐孔長度能夠顯著改善變壁厚環焊縫的應力集中， 減小壁厚過渡角對改善變壁厚環焊縫應力集中的效果不明顯。

因此， 設計過程中主要通過增大錐孔長度來改善變壁厚環焊縫應力集中。 因改變壁厚過渡角對應力集中不敏感， 基于坡口加工考慮， 選擇較大的壁厚過渡角25°～30°。

（3） 計算

分別計算21.4 mm 和25.7 mm、 21.4 mm 和30.8 mm、 25.7 mm 和30.8 mm 共3 種直管-直管變壁厚無錯邊情況下， 相對于倒角式內坡口，焊縫區應力集中系數SCF 改善30%、 40%和50%所需的最小錐孔長度見表6。

表6 直管-直管變壁厚改善應力集中所需的最小錐孔長度

3.3.5 錐孔型內坡口方案

綜合考慮現場焊接、 無損檢測、 改善應力集中、 內檢測等4 方面要求以及坡口加工效率和質量， 初步選擇直管-直管變壁厚錐孔型內坡口方案如下。

（1） 若采用CRC 和熊谷內焊機， 建議漲靴漲緊于厚壁管的切削區， 錐孔長度≥90 mm， 壁厚過渡角取25°～30°。

（2） 若采用CPP900 內焊機， 建議漲靴漲緊于厚壁管的原始內壁， 建議直管 （21.4 mm） -直管（25.7 mm） 的錐孔長度為73～83 mm、 壁厚過渡角14～30°； 直管 （21.4 mm） -直管 （30.8 mm）的錐孔長度為72～73 mm、 壁厚過渡角30°； 直管 （25.7 mm） -直管 （30.8 mm） 的錐孔長度70～81 mm、 壁厚過渡角14～30°。

（3） 若采用STT/RMD/手工根焊+外焊機自動焊填充蓋面焊接方式， 建議直管（21.4 mm） -直管（25.7 mm） 的錐孔長度≥43 mm； 直管（25.7 mm） -直管 （30.8 mm） 的錐孔長度≥50 mm； 直管（30.8 mm） -直管 （33.8 mm） 的錐孔長度為≥57 mm， 壁厚過渡角取25°～30°。

4 結束語

本研究針對近年來環焊縫失效事故中占比較大的變壁厚鋼管環焊縫失效問題， 提出了錐孔型內坡口改進型式， 以西四線Φ1 422 mm 管道為依托， 設計了直管與直管對接的變壁厚環焊縫錐孔型內坡口方案。

采用錐孔型內坡口可以使變壁厚鋼管環焊縫實現等壁厚焊接， 有利于降低變壁厚環焊縫因截面幾何形狀變化產生的應力集中， 促進焊縫成形進而減少根部未熔合、 未焊透等缺陷/缺欠， 從而提高環焊縫無損檢測的檢出率， 對提高變壁厚鋼管環焊縫的焊接質量、 提升管道本質安全具有重要的意義。