長輸油氣管道環(huán)焊縫工程臨界評估技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及探討

孫培翔，戴國文，李學(xué)達，周 鑫，韓 彬

1.中國石油大學(xué)（華東） 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266580

2.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司，四川 成都 610095

0 前言

管道運輸作為五大運輸方式之一，具有安全、經(jīng)濟、不間斷的特點，目前我國的油氣資源主要通過管道運輸。長輸油氣管線由大量鋼管或管件通過環(huán)縫焊接連接而成，受焊接技術(shù)條件限制以及現(xiàn)場施工質(zhì)量難以控制等問題的影響，環(huán)焊接頭不可避免地存在各種缺陷，如裂紋、氣孔、未熔合等，使其成為長輸油氣管道的薄弱環(huán)節(jié)。另外，受載荷、環(huán)境、介質(zhì)、地質(zhì)變化等因素影響，環(huán)焊縫在服役過程中易發(fā)生開裂失效，造成油氣介質(zhì)泄漏，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，導(dǎo)致人員傷亡和財產(chǎn)損失［1-3］。

現(xiàn)有的管道缺陷驗收標準對于實際工程條件來說較為保守，對焊接缺陷進行過度修復(fù)，不但延長工期、提高成本，而且不恰當?shù)男迯?fù)會帶來冶金損害，導(dǎo)致接頭性能下降［4］。當實際結(jié)構(gòu)不能滿足驗收規(guī)范要求，如缺陷尺寸超過質(zhì)量控制標準時，可基于“合于使用”或“適應(yīng)性”原則（FFS），通過相應(yīng)的評估延長“不合格”結(jié)構(gòu)的使用壽命，或降低質(zhì)量控制標準，從而帶來一定的經(jīng)濟效益，這就是工程臨界評估（ECA）技術(shù)。ECA 在一定程度上可以代替標準規(guī)范參與設(shè)計評估，并且可以針對規(guī)范中有嚴格要求的地方制定一套替代標準。該替代標準在特定環(huán)境條件下、特定時間內(nèi)是經(jīng)濟合理的［5］。

本文分析了長輸油氣管道環(huán)焊縫失效的主要原因，介紹了現(xiàn)行的環(huán)焊縫缺陷驗收標準和缺陷評估方法，并以BS：7910標準為例分析了基于環(huán)焊縫斷裂行為的ECA 技術(shù)，對環(huán)焊縫缺陷評估中應(yīng)用ECA技術(shù)的相關(guān)問題進行了探討。

1 環(huán)焊縫缺陷驗收標準及評估方法

長輸油氣管道環(huán)焊縫的主要失效模式為斷裂失效，導(dǎo)致環(huán)焊縫失效的原因有焊接缺陷、附加載荷、焊接殘余應(yīng)力、焊縫強度匹配、焊接工藝、焊接材料以及焊縫幾何結(jié)構(gòu)等各類復(fù)雜因素，其中焊接缺陷與附加載荷是導(dǎo)致開裂的主要因素。據(jù)統(tǒng)計資料顯示［6-7］，高鋼級管道建成和運行階段發(fā)生的環(huán)焊縫開裂及泄漏事故中，70%以上是環(huán)焊縫缺陷引起，且焊接結(jié)構(gòu)越復(fù)雜其失效概率越大。

1.1 環(huán)焊縫缺陷類型及檢測

根據(jù)BS：7910—2019［8］，環(huán)焊縫缺陷分為平面型缺陷、體積型缺陷和形狀缺陷。平面型缺陷包括裂紋、未熔合、未焊透等；體積型缺陷包括氣孔、固體夾雜物、空洞、局部減薄等；錯邊、成形不良等為形狀缺陷。體積型缺陷一般不具備尖銳的端部，整體應(yīng)力集中系數(shù)低，其存在僅影響管道強度，失效模式為塑性失效；而平面型缺陷需要考慮斷裂力學(xué)因素，會顯著削弱管道的承壓能力，失效模式為塑性失效和斷裂失效。國內(nèi)外油氣管道環(huán)焊縫開裂事故中，致因缺陷多為裂紋、未熔合等平面型缺陷，根部未熔合是管道環(huán)焊縫中最嚴重的缺陷。

管道環(huán)焊縫中的缺陷檢測主要使用無損檢測方法。常規(guī)無損檢測方法包括磁粉、射線、超聲檢測等，近年來相控陣檢測技術(shù)和超聲波衍射時差法也被應(yīng)用到管道環(huán)焊縫缺陷檢測中。無損檢測結(jié)果包括缺陷的時鐘方位、缺陷類型、缺陷深度、缺陷環(huán)向長度等信息。為了高效經(jīng)濟地檢出管道環(huán)焊縫中的缺陷，應(yīng)根據(jù)管道及使用環(huán)境等因素選擇適用的無損檢測方法及檢測比例。

1.2 環(huán)焊縫缺陷驗收標準

長輸油氣管道環(huán)焊縫缺陷的驗收標準可分為兩大類。第一類為基于工藝水平的以經(jīng)驗為依據(jù)的“質(zhì)量控制標準”。該類標準以相應(yīng)的強度條件為前提，要求環(huán)焊縫質(zhì)量保持在較高的水平上，對保證油氣管道順利運行起到了重大作用。但這類標準在一定程度上是經(jīng)驗的累積，沒有考慮到缺陷的存在對環(huán)焊縫可靠性的影響，且由于缺乏科學(xué)的定量計算。按這類標準驗收可能導(dǎo)致對危險性較小的部位要求過嚴，對于某些危險性大的部位卻未加控制。第二類為基于斷裂力學(xué)的符合FFS原則的“合于使用標準”。該類標準對已存在缺陷按照嚴格的理論分析作出評定，確定缺陷是否危害安全可靠性，并對缺陷的發(fā)展及可能造成的危險作出判斷［12］。一般而言，F(xiàn)FS 原則給出了更寬容的可允許缺陷尺寸。因此，采用“合于使用標準”既可以保證長輸油氣管道順利鋪設(shè)運行，又提高了經(jīng)濟效益。

1.3 現(xiàn)行管道環(huán)焊縫缺陷評估方法

長輸油氣管道的環(huán)焊縫缺陷評估通常基于斷裂力學(xué)理論和FFS原則，采用ECA技術(shù)判定缺陷的可接受程度。楊輝［9］根據(jù)環(huán)焊縫失效模式及服役要求、評估方法原理，將現(xiàn)行環(huán)焊縫缺陷評估方法分為基于塑性破壞的強度評價方法、基于單參數(shù)準則的斷裂評估方法、基于塑性破壞和斷裂雙判據(jù)的失效評估圖法、基于簡化因子的評價方法、基于有限元的數(shù)值仿真方法和基于應(yīng)變的評價方法，見表1。

表1 環(huán)焊縫缺陷評估方法Table 1 Evaluation method for girth weld defects

其中，基于塑性破壞和斷裂雙判據(jù)的失效評估圖法（Failure Assessment Diagram，F(xiàn)AD）是目前ECA中應(yīng)用最廣泛的方法，其最早由英國中央電力局CEGB提出并形成R/H/R6“含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評定方法”，后來逐漸發(fā)展并被多個標準引用和完善。FAD 圖（見圖1）以載荷比Lr為橫軸，即施加的一次載荷與塑性破壞所需載荷之比，表征結(jié)構(gòu)對塑性失穩(wěn)的抗力；以斷裂比Kr為縱軸，即根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力強度因子將施加的載荷與材料的斷裂韌性進行比較，表征結(jié)構(gòu)對脆性斷裂的韌性；失效評估曲線為外側(cè)包絡(luò)線，且與塑性破壞截止線（Lr=Lr，max）、橫軸和縱軸組成安全區(qū)。評估原理為根據(jù)材料性能、缺陷情況、應(yīng)力載荷等計算評估點和失效評估曲線，若評估點在評估圖安全區(qū)以內(nèi)，該缺陷安全；若位于非安全區(qū)，則意味著不安全，應(yīng)立即停止運作，進行修補或按報廢處理［23-24］。利用FAD 進行分析評定時，不同標準秉承的思路是相同的，即將結(jié)構(gòu)的抗裂能力與在實際承載條件下裂紋的起裂能力相比較［25］，但在Lr和Kr的計算及殘余應(yīng)力選取、適用范圍等方面存在差異，部分規(guī)范的Lr和Kr計算公式如表2所示［3］。

圖1 失效評估圖Fig.1 Failure assessment diagram

表2 部分標準的Lr、Kr計算公式Table 2 Calculation formulas for Lr and Kr of some standards

2 基于BS：7910的ECA評估技術(shù)

英國標準BS：7910 “金屬結(jié)構(gòu)中可接受缺陷的評估指南”最早源于1980 年英國標準協(xié)會起草的PD6493—1980《焊接結(jié)構(gòu)缺陷驗收評定方法指南》，于1999 年正式發(fā)布（BS：7910-1999），成為英國國家標準。經(jīng)過BS：7910—2005、BS：7910—2013、BS：7910—2015、BS：7910—2019 等多個版本變遷和完善，BS：7910 已成為可適用于各種類型的材料和結(jié)構(gòu)、涵蓋結(jié)構(gòu)周期的不同階段（設(shè)計、制造、操作、維修、延長壽命、故障調(diào)查）的評估標準。

與其他缺陷評估規(guī)范相比，BS：7910 不僅可以評估裂紋的重要性，從而避免因斷裂而失效，還可以將延性裂紋擴展和疲勞裂紋擴展的穩(wěn)定裂紋擴展效應(yīng)納入其中；并且將焊接殘余應(yīng)力、焊縫強度匹配的影響納入斷裂評估中；同時，基于BS：7910標準進行缺陷評估有著豐富的實際工程經(jīng)驗。因此，本節(jié)針對環(huán)焊縫斷裂行為，以BS：7910 為例簡介環(huán)焊縫ECA斷裂評估流程，并分析其要點。

2.1 ECA斷裂評估流程

基于BS：7910的ECA斷裂評估流程為：①對載荷和應(yīng)力進行定義和分類。在對載荷進行分類時，要區(qū)分會導(dǎo)致塑性破壞的載荷和不會導(dǎo)致塑性破壞的載荷，由載荷確定的應(yīng)力為主應(yīng)力P（會導(dǎo)致塑性破壞）和次應(yīng)力Q（不會導(dǎo)致塑性破壞，但在某些情況下當作主應(yīng)力分析）；②根據(jù)公認的標準，如BS 7448、BS EN ISO 15653、BS EN ISO 6892 等，確定材料的拉伸性能和斷裂韌性等數(shù)據(jù)；③明確缺陷的類型、位置和尺寸；④選擇合適的評估級別；⑤根據(jù)管道參數(shù)和實際工程條件計算載荷比Lr和斷裂比Kr；⑥建立FAD圖，繪制評估曲線和評估點；⑦若在使用條件下存在亞臨界裂紋增長機制（疲勞、蠕變等），需要對增長程度進行量化；⑧評估結(jié)果意義的分析；⑨當該級別下的評估點位于不安全區(qū)，并不一定意味著缺陷存在不安全，必要時可采取細化應(yīng)力分析、重新對缺陷進行表征、建立更高級別的FAD圖等手段進行評估；⑩得出結(jié)果，形成報告。

2.2 ECA斷裂評估要點

（1）評估等級的選擇。

根據(jù)可用材料的性能和所需的保守度等，BS：7910評估曲線可分為三個級別：一級評估為常規(guī)評估曲線，相對保守；二級評估為基于材料特性的特定缺陷評估；三級評估為基于特定結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬評估。相比一級評估，二級評估曲線更能反映材料性能差異，對焊縫或熱影響區(qū)的缺陷評估結(jié)果更精確。而三級評估對數(shù)據(jù)和計算的要求更高，綜合推薦選用二級評估建立失效評估曲線。根據(jù)二級評估建立失效評估曲線，相關(guān)公式如下：

式中σY為屈服強度；σU為抗拉強度；E為彈性模量；εref為參考應(yīng)變。

（2）評估時缺陷表征規(guī)則。

缺陷評估時，需要對無損檢測出的缺陷進行簡化表征處理。①確定缺陷類型。環(huán)焊縫缺陷按方向可分為環(huán)向缺陷和軸向缺陷；按位置分為穿透缺陷、內(nèi)表面缺陷、外表面缺陷和埋藏缺陷，如圖2 所示［2］。②對于單個缺陷，一般將其簡化為橢圓形或矩形，用長度和高度表征缺陷尺寸。以埋藏缺陷為例（見圖3），a為缺陷半高、c為缺陷半長、B和p分別為壁厚和缺陷表面距管壁最短距離。③與單個缺陷相比，多個鄰近的缺陷會產(chǎn)生相互作用進而導(dǎo)致更嚴重的影響，因此在進行缺陷評估的時候，應(yīng)將多個缺陷復(fù)合為更大的單個缺陷，復(fù)合規(guī)則詳見BS：7910—2019條例7［8］。

圖2 環(huán)焊縫缺陷類型Fig.2 Types of girth weld defects

圖3 埋藏缺陷尺寸Fig.3 Size of buried defects

（3）缺陷容許尺寸計算。

通過ECA 技術(shù)不但可以評估檢測出的環(huán)焊縫缺陷，還可以根據(jù)實際工程條件得到缺陷容許尺寸，為無損檢測提供依據(jù)。其具體方法為：通過逆向迭代的方法，編寫程序計算焊縫缺陷容許尺寸。即給定初始缺陷尺寸，以微小的尺寸增量進行迭代，在程序運行的每一步中，都結(jié)合相關(guān)公式計算評估點坐標，當坐標點位于評估曲線之內(nèi)時，程序繼續(xù)運行，當評估點恰好位于評估曲線上時，計算停止，此時即可得到缺陷容許尺寸［26］。

2.3 考慮焊縫強度失配的ECA評估方法

焊縫的強度失配是影響裂紋擴展及斷裂失效的重要因素［27］，在ECA 評估中，BS：7910—2019 附錄中新添加了關(guān)于考慮焊接接頭強度失配的ECA斷裂評估方法。考慮焊縫強度失配的ECA 斷裂評估流程與常規(guī)ECA 斷裂評估流程最大的區(qū)別在于失效評估圖的建立與載荷比Lr的計算。考慮焊縫強度失配的失效評估圖建立流程如下：

（1）計算強度失配系數(shù)M。M一般定義為焊縫金屬的屈服強度與母材金屬的屈服強度之比［28］。

（2）確定強度失配的極限載荷FMe。根據(jù)不同的裂紋情況，F(xiàn)Me的計算在BS：7910—2019附錄P中給出了具體的求解方式。

（3）計算等效材料的應(yīng)變硬化指數(shù)NM如下：

（4）計算強度失配條件下塑性破壞截止線Lr，max：

（5）建立失效評估曲線f(Lr)。該部分需要考慮焊縫與母材是否為連續(xù)屈服材料，對高鋼級管道而言，一般焊縫與母材均為連續(xù)屈服材料，因此f(Lr)的計算公式如下：

式中EW、EP分別為焊縫和母材的彈性模量。

（6）根據(jù)實際工況，計算載荷比Lr和斷裂比Kr，建立評估點。需要注意考慮強度失配的接頭，斷裂比Kr計算公式不變，見表2，載荷比Lr的計算為：

3 ECA技術(shù)在油氣管道環(huán)焊縫中的應(yīng)用及其問題探討

3.1 ECA技術(shù)在油氣管道環(huán)焊縫中的應(yīng)用

通過ECA技術(shù)可以確定焊縫中缺陷的驗收值，合理挖掘焊縫的承載潛力，達到安全經(jīng)濟的目的，因此在油氣管道迅速鋪設(shè)的今天，ECA技術(shù)在該領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）利用ECA技術(shù)建立缺陷驗收標準和對已有缺陷進行安全評定。在荔灣3-1項目海底管道項目中，通過ECA技術(shù)對海底管道環(huán)焊縫的表面缺陷和內(nèi)部缺陷的臨界尺寸進行評估，建立海底管道對接環(huán)焊縫的缺陷接收標準，達到降低海管焊接返修率、縮短施工周期的目的［29］。高喆惠［26］等對管道環(huán)焊縫和螺旋焊縫表面裂紋缺陷進行安全評定，定量分析了管道缺陷處的安全裕度，并結(jié)合評定方法，通過迭代給出了最大運行壓力下焊縫缺陷容限尺寸，為管道的安全運行和維護提供了理論指導(dǎo)。李明［30］等基于BS：7910 對服役多年的X70 鋼管道的環(huán)焊縫埋藏裂紋缺陷進行安全評價，結(jié)果表明，埋藏裂紋缺陷均在標準允許范圍，管道可以安全運行。

（2）利用ECA 技術(shù)明確不同缺陷的危害程度，分析ECA 各參數(shù)對缺陷的驗收值敏感性大小。張世濤等［31］在給定裂紋尺寸、載荷條件下，針對國產(chǎn)高鈮X80管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋、埋藏裂紋進行二級安全評定，明確了對于相同尺寸的表面裂紋和埋藏裂紋，表面裂紋的危險性要大于埋藏裂紋。姚乾瑜等［32］對埋藏裂紋進行了2A級斷裂評估，并應(yīng)用敏感度函數(shù)和敏感度因子的方法，分析了斷裂韌性、主應(yīng)力和材料力學(xué)性能對極限裂紋尺寸的影響，并得到了各自的敏感度值。

（3）在給定初始裂紋缺陷尺寸前提下，確定環(huán)焊縫最低要求斷裂韌性值。失效評估曲線中不同階段代表不同的失效模式，隨著裂紋擴展，可能發(fā)生脆性斷裂失效、延性斷裂失效、塑性失穩(wěn)失效等，失效模式主要取決于材料的斷裂韌性。因此，可以通過確定環(huán)焊縫的斷裂韌性，使環(huán)焊縫不發(fā)生脆性斷裂失效，從而獲得環(huán)焊縫最低要求斷裂韌性值。

3.2 環(huán)焊縫缺陷評估中應(yīng)用ECA技術(shù)相關(guān)問題

在管道建設(shè)中采用ECA對環(huán)焊縫進行評估，可以避免部分缺陷被返修，從而加快管線鋪設(shè)進度［33］。但國內(nèi)應(yīng)用管道環(huán)焊縫ECA 技術(shù)尚存在一些問題，分述如下：

（1）環(huán)焊縫缺陷的精確識別。環(huán)焊縫缺陷檢測主要依靠無損檢測技術(shù)進行，在實際檢測過程中，不同檢測技術(shù)對同一缺陷的類型、尺寸、位置描述中有時會存在偏差；而且管道內(nèi)檢測時對于環(huán)焊縫異常信號很難進行準確識別及判定。因此，如何精確定義缺陷及處理檢測時偏差是應(yīng)用ECA 進行缺陷評估過程中亟需解決的問題。

（2）環(huán)焊縫性能的精確表征。FAD圖的建立基于環(huán)焊縫的力學(xué)性能指標。由于環(huán)焊縫內(nèi)部存在根焊、填充焊、蓋面焊、粗晶區(qū)、細晶區(qū)和熔合區(qū)等多種不同的組織部位；而且不同管道的焊接工藝規(guī)程不同，在實際焊接過程中焊接參數(shù)也會發(fā)生變化，使得環(huán)焊縫的性能特征復(fù)雜多樣；同時進行缺陷評價時需要考慮性能實驗所得管道材料參數(shù)取值的代表性，且必要時需要商定適當?shù)母郊影踩禂?shù)。因此，對于環(huán)焊縫性能的精確表征將是ECA技術(shù)的研究重點。

（3）載荷應(yīng)力參數(shù)的確定。在油氣管道鋪設(shè)到運營階段，作用于管道環(huán)焊縫上的載荷是多種多樣的，由此產(chǎn)生的應(yīng)力包括施工過程中裝配應(yīng)力、錯邊等引起的彎曲應(yīng)力、焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、外部土體移動導(dǎo)致的附加應(yīng)力等，而這類參數(shù)的確定是進行ECA評估的前提條件。

（4）優(yōu)化參數(shù)計算方程和缺陷表征準則。BS：7910 等相關(guān)標準對環(huán)焊縫不同類型缺陷都給出了相應(yīng)的應(yīng)力強度因子和參考應(yīng)力方程，即不需要進行相關(guān)的有限元分析就可以利用FAD 分析。但部分極限載荷或參考應(yīng)力解來自于2D 有限元分析，有時會偏于保守［34-36］。利用計算能力快速增長的有限元方法將會是優(yōu)化參數(shù)計算方程的途徑之一。不同F(xiàn)AD標準中的缺陷再表征規(guī)則各不相同，但其科學(xué)依據(jù)并不明確，值得進一步研究。

（5）基于應(yīng)變的ECA技術(shù)研究。以往的管道多采用基于應(yīng)力的設(shè)計要求，即管道的環(huán)向應(yīng)力不得超過設(shè)計系數(shù)與鋼管標準規(guī)定的最低屈服強度的乘積，并且現(xiàn)行大多數(shù)ECA相關(guān)規(guī)范均是基于應(yīng)力建立的。而對于可能發(fā)生大塑性變形的地震區(qū)和永凍帶的管道，則是基于應(yīng)變設(shè)計的，即對管道容許拉伸應(yīng)變進行規(guī)定。此時基于應(yīng)力的ECA 技術(shù)將不再適用，需要基于應(yīng)變對環(huán)焊縫進行評估，國內(nèi)對這方面研究較少。

4 結(jié)論

（1）環(huán)焊縫是長輸油氣管道的薄弱環(huán)節(jié)，其失效主要是由缺陷與載荷共同作用下引起的開裂。利用ECA 技術(shù)來評估焊縫中各種缺陷的適用性是保證管道安全運行、降低運營成本的關(guān)鍵。

（2）ECA 技術(shù)基于“合于使用”的思想，采用斷裂力學(xué)的方法分析缺陷對環(huán)焊縫的影響，具有安全經(jīng)濟可靠的特點。基于塑性破壞和斷裂雙判據(jù)的FAD法是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的缺陷評估方法。推薦基于BS： 7910 對長輸油氣管道環(huán)焊縫進行缺陷評估和建立缺陷驗收標準。

（3）利用ECA技術(shù)對環(huán)焊縫缺陷的評估方法近些年取得了較大的進步，最新的BS： 7910—2019中已將強度失配納入到評估過程中。但是，在進行ECA評估時仍應(yīng)注意載荷應(yīng)力參數(shù)的確定、缺陷的精確識別、環(huán)焊縫性能指標的表征以及基于應(yīng)變的ECA技術(shù)等方面的問題。