LNG管道裂紋缺陷產生原因分析及安全評估

基金項目：國家重點研發計劃（批準號：2022YFC3006300，2022YFC3006301）資助的課題。

作者簡介：張曉兵（1992-），工程師，從事壓力管道完整性管理工作。

通訊作者：王濤（1993-），工程師，從事壓力管道完整性管理工作，15210275918@163.com。

引用本文：張曉兵，宋宗杰，王濤，等.LNG管道裂紋缺陷產生原因分析及安全評估[J].化工機械，2024，51（2）：304-309.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402021

摘 要 對LNG管道在檢維修期間發現的裂紋超標缺陷進行了裂紋形成原因推斷分析，針對裂紋缺陷的成因提出了裂紋缺陷潛在的失效模式，并進行了基于一次成型裂紋的斷裂與塑性失效安全評價和基于疲勞裂紋擴展失效的安全評價，對含裂紋缺陷LNG管道的后續運行提供了處理建議，為相似類型的管道裂紋超標缺陷的安全評價和處理提供參考。

關鍵詞 LNG管道 裂紋 斷裂失效 疲勞失效 安全評價

中圖分類號 TQ055.8+1" "文獻標志碼 B" "文章編號 0254?6094（2024）02?0304?06

某LNG接收站在管道檢維修期間發現，位于LNG儲罐罐頂的上進液管道閥門套袖和管道連接焊縫處存在4處超標面型裂紋缺陷，裂紋位于焊口閥門側，通過對缺陷區域外表面焊縫和熱影響區進行滲透檢測，排除了外表面裂紋的可能性。考慮到管道后續運行的安全性，對管道的裂紋成因進行推斷分析，對管道進行安全評價，并對管道的后續運行提出處理建議。

1 管道及裂紋信息

管道為LNG接收站LNG儲罐的進液管線，其基本信息如下：

管道名稱 DN 1 000進液管

管道材質 A358?304/304L

管道規格 ?1 016 mm×12.7 mm

工作介質 液化天然氣

設計壓力 1.75 MPa

設計溫度 -196/65 ℃

工作壓力 0.0～1.0 MPa

工作溫度 -163/-150 ℃

在管線罐頂閥門套袖和管道連接焊縫處底部存在4處超標面型裂紋缺陷，裂紋位于焊口閥門側，其中1處為橫向裂紋（即平行于焊縫方向），另外3處為縱向裂紋（即垂直于焊縫方向），通過對缺陷區域外表面焊縫和熱影響區進行滲透檢測，排除了外表面裂紋的可能性，通過超聲波斜平掃查發現裂紋位置情況如圖1所示，裂紋尺寸見表1。

2 缺陷成因分析

2.1 管道施工和安裝環節

在儲罐和管束施工安裝期間，DN 1 000管道閥門套袖和管道連接屬于現場不等厚焊接，故該焊縫存在較高的應力集中[1]。管道組對、焊接工藝和焊接參數的選擇都將影響該焊縫的焊接質量，可能加劇該環焊縫的應力集中水平[2]。現場調查發現，該閥門位置無豎向支撐，閥門重量（閥體和執行機構總重約6.2 t）作用于管道上（圖2），為投產前試壓和安全生產運行環節裂紋的出現提供了條件。

分析管道上該環焊縫建設期安裝施工焊接后的射線拍片結果（圖3），可以看出：射線照片顯示管道6～7點鐘位置不存在缺陷，但是不排除剛產生的裂紋類缺陷可能較小且處于閉合狀態，用射線檢測很難發現的可能性[3];儲罐修復期間，射線檢測發現，裂紋出現在管材熱影響區和母材處，推測該焊道預制時，根焊過程背面氬氣保護不到位，線能量過高，背面焊縫和熱影響區、母材部分燒損嚴重，以及可能組對時出現嚴重錯邊和未焊透導致延遲裂紋的情況[4，5]，所以，該位置超標缺陷可能是施工安裝期間根部焊接不良引起的。

2.2 管道投產前試壓環節

DN 1 000管道在施工安裝完成、無損檢測合格后，會開展投產前水壓試驗，測試管道耐壓和密封性能。水壓試驗壓力為1.5倍設計壓力，即2.625 MPa。水壓試驗后，壓縮空氣吹掃并做氣密性試驗，試驗后氮氣吹掃干燥，水壓試驗期間，較高的內壓可能導致環焊縫處無損檢測未發現的微小缺陷增大或擴展。由于無水壓試驗后的焊縫無損檢測報告，因此無法證實環焊縫缺陷情況。

由于投產前，管道采用水作為壓力試驗介質，可能會殘留有微量腐蝕管道元素氯離子，由于此處位置屬于水平段且管內壁可能有焊縫余高，容易積液且不容易清除，焊道和管壁殘留了微量氯離子，試壓后在管道內密封存有空氣的狀態下放置一段時間（可能30天或更長時間），在焊接殘余應力和微量氯離子的作用下形成了由于應力腐蝕產生的裂紋源[6]。所以，該焊縫處存在由氯離子引起304/304L管道腐蝕的可能性。

2.3 投產后首次預冷工藝環節

投產后，將通過預冷工藝對DN 1 000管道采用低溫氮氣進行多次分階段的低溫冷卻，保證管道處于-160 ℃的低溫狀態，為該上進液管線提供低溫條件。在預冷環節，相關工作人員反映管道可能存在收縮移位情況，并伴隨有響聲。此時，管道將承受溫變載荷，會加大該管道環焊縫處的應力。低溫條件下，管材的抗開裂性能也會降低，有導致出現裂紋的可能性。該裂紋可通過斷裂評估，保證管道在承載條件下，受力不超過啟裂韌度，管道將能安全運行。根據LNG接收站運行經驗，該階段形成缺陷的可能性較高，尤其是不等厚的焊接區域。由于無相關無損檢測或監測等證明材料，該預冷階段是否形成了裂紋，無法證實。本次修復過程中，相鄰的罐頂DN 1 000下進液管道閥門套袖和管道連接焊縫，無損檢測未發現存在超標缺陷。其他LNG儲罐相同位置檢測也未發現存在超標缺陷。

2.4 生產運行作業環節

在投產后的生產運行期，DN 1 000管道存在LNG卸料進液和非進液兩個時間段。在無卸料的非進液時間段，DN 1 000管道內存在不滿管的LNG液體，管道內由于溫變，會存在氣液兩相情況，上進液管道會比下進液管道更為嚴重。在卸料進液時間段，由于可能產生的水力學波動（水錘效應），DN 1 000管道會出現瞬時高壓情況。現場卸料時，相關工作人員在該位置能聽到管道較大的響聲（持續時間約10 min左右）。該環焊縫位于罐頂，該位置無壓力表，無法得知該環焊縫的壓力波動情況。通過核查卸料口的壓力監控歷史記錄表，最高壓力波動達0.5 MPa。可能因為突然停泵、管閥等因素產生的“水錘現象”會造成對管系的疲勞損傷。可以推斷：在閥門重量和壓力波動載荷作用下，循環往復的進液會對管道環焊縫形成低周疲勞開裂（疲勞裂紋）[7，8]。不過，由于該位置位于罐頂，該缺陷處本身內壓較小，水錘效應會比罐側二層平臺小很多。

此外，管道內存在氣液兩相狀態，非卸料期間管道頂部溫度可能高于管道底部，形成了環向不均勻應力狀態，通過對其他罐進液管道相同位置的測量發現，管道頂部溫度要比底部高30 ℃，該管段通過噴液管進行溫度平衡，噴液管未動作時，管道頂部溫度比底部高，噴液情況下溫度趨于平衡。不均勻的溫變引起環向不均勻變形，且焊縫距離閥門較近，閥門剛度較大，約束了溫度變形[9]。重力引起管道焊縫底部承受不均勻的彎曲載荷，在內壓、溫變、自重和振動載荷的反復循環作用下，有疲勞開裂的可能性[10，11]。

從該環焊縫3處軸向裂紋可判斷，影響裂紋擴展的載荷主要為管道環向方向應力，疲勞可能是裂紋形成或擴展的主要原因之一[12，13]。從投產到2022年2月，卸料總次數60余次，該儲罐平均每月進液1次。

2.5 儲罐火災事故導致管束下沉

2020年儲罐罐側平臺著火，引發儲罐管束發生下沉，DN 1 000管道最大下沉量達100 mm，導致管道在軸向上產生拉力，加劇了該處應力集中程度，有促進裂紋增長的可能性。

從儲罐及其附屬設備設施安全適用性評價報告和過火修復期現場拆除管道保冷層時的完好狀況，可以推斷過火導致的高溫并未傳遞到DN 1 000管道，因過火受熱管道變形引起的裂紋缺陷可排除。

2.6 儲罐修復環節

儲罐修復期間，對下沉的豎向管束進行了復位修復，并在DN 1 000管道上應力較大位置和該焊縫處安裝了應變監測設備，并進行了多次射線和超聲無損檢測，檢測結果表明裂紋缺陷尺寸未發生變化。

通過應變監測結果發現由應變監測數據換算得到的管道環向應力波動情況，最大應力變化為10.49 MPa，且應力水平降低。

由于缺陷形成并非單一原因，可能為多個環節共同作用形成，因此進行綜合分析，并對成因進行優先級別排序：

a. 管道施工焊接階段形成缺陷，在水壓試驗和預冷階段缺陷張開增大，形成一次成型缺陷。

b. 管道缺陷由施工焊接形成，在水壓試驗和預冷階段張開增大，在投產運行階段繼續發生疲勞擴展，為一次載荷成型+二次疲勞擴展。

c. 管道焊縫缺陷由氯離子等引起的腐蝕開裂（可能性較小）。

3 專項檢驗

為了確認管道缺陷附近的材質情況，對管道硬度和鐵素體含量進行測量。管道鐵素體含量檢測結果未見異常，管道硬度檢測結果未見異常。

使用手持式三維掃描儀對閥門附近管道進行掃描建立三維模型，管道輪廓幾何尺寸分析如圖4所示。分析結果顯示管道的圓度良好，未發生運行過程中因閥門重量導致的橢圓化變形情況。

為了驗證管道環向是否存在溫度分布不均勻情況，通過對其他罐進液管道循環保冷過程中溫度進行測試，發現管道循環保冷時溫度約為-110～-80 ℃，管道焊縫位置頂部溫度比底部溫度高30 ℃左右。

4 合于使用評價

4.1 潛在失效模式及評價方法

依據缺陷成因分析結果，該DN 1 000進液管道4條裂紋的失效模式可能為：

a. 因瞬時承載力超高導致局部塑性失效或裂紋啟裂斷裂失效。

b. 因循環載荷裂紋疲勞擴展失效。

c. 載荷作用下裂紋形成或擴展的3種情況。在焊接或預冷工藝環節形成的一次裂紋;投用后生產運行環節反復循環載荷作用下形成的二次裂紋;一次裂紋和二次裂紋兩種情況的組合結果。

4.2 基于一次成型裂紋的斷裂與塑性失效安全評價

4.2.1 斷裂與塑性失效評價條件

取最大操作壓力1.0、2.4 MPa（即1.3倍設計壓力和溫差應力等效轉化得到的內壓0.1 MPa）兩種工況進行計算，-163 ℃作為評價溫度計算條件。

4.2.2 4處裂紋缺陷評價

對于表面裂紋，根據GB/T 19624—2019[14]中附錄D確定拉伸載荷裂紋形狀系數和彎曲載荷裂紋形狀系數，然后根據裂紋形狀系數分別計算一次應力強度因子和二次應力強度因子。計算出缺陷合于使用評價的斷裂比和載荷比（表2）。

將缺陷編號為fl1、fl2、fl3、fc1的缺陷評價點坐標值（Lr，Kr）標注于通用失效評定圖上，如圖5所示。從圖中可以看出，在給定的3年使用周期（至2025年1月1日）內，在兩種計算工況下（最大操作壓力為1.0 MPa和2.4 MPa），缺陷評價點均位于失效評定曲線安全區域以內。

4.3 基于裂紋疲勞擴展失效的安全評價

4.3.1 載荷變動范圍及頻次

裂紋缺陷管線上的載荷變動范圍及頻次列于表3。

4.3.2 缺陷所在部位交變應力幅值

根據裂紋處應力分析和《化工容器設計》[15]計算內外壁溫差應力分布，并按照GB/T 19624—2019[14]中規定應力變化范圍的計算方法，計算確定應力變化范圍。

4.3.3 平面缺陷擴展計算與評價

首先評價裂紋是否會擴展;其次當計算表明裂紋會發生擴展時，依據計算得到的交變應力幅值、疲勞裂紋擴展公式參數進行疲勞裂紋擴展分析，確定出擴展后的裂紋可通過基于GB/T 19624—2019的常規斷裂力學評價所對應的評價時間點，從而得到自2022年1月起的剩余壽命。由于2.4 MPa下的應力變化范圍大于1.0 MPa下的相應結果，所以僅就2.4 MPa載荷進行分析。

計算當最大操作壓力為2.4 MPa時，編號為fl1、fl2、fl3和fc1的缺陷擴展隨時間變化趨勢如圖6所示，由圖可知缺陷在給定3年使用周期內未發生擴展。

5 結論與建議

5.1 結論

根據裂紋斷裂與塑性失效理論，對4處超標缺陷進行了安全評價，將缺陷編號為fl1、fl2、fl3、fc1的缺陷評價點坐標值（Lr，Kr）標注于通用失效評定圖上，在給定的3年使用周期內，在兩種計算工況條件下（最大操作壓力取1.0 MPa和2.4 MPa），4處缺陷評價點均位于失效評定曲線安全區域以內。依據GB/T 19624—2019，滿足合于使用條件。

在斷裂與塑性失效評價基礎上，通過對4處超標缺陷進行基于裂紋疲勞擴展失效的安全評價，得出缺陷擴展隨時間的變化趨勢圖。從趨勢圖中可以得出，在給定的3年使用周期內，兩種計算工況條件下（最大操作壓力為1.0 MPa和2.4 MPa），4處缺陷不會發生擴展。

5.2 建議

建議在該位置安裝應力或應變監測系統、溫度監測和振動監測系統，監測缺陷處應力狀況、溫度和振動變化情況，以便判斷裂紋是否擴展。

加強對存在超標缺陷的管道環焊縫定期抽檢頻次，尤其是修復投產前的首次預冷、首次投產等生產工藝環節，必須進行焊縫缺陷無損檢測，并結合監測系統分析判斷管道焊縫超標缺陷安全情況，以確保裂紋安全性。

參 考 文 獻

[1] 仲偉秋，姜鵬賓，逯云芳.不等厚管對接焊接缺陷的應力集中影響[J].低溫建筑技術，2013，35（2）：71-73.

[2] 覃榮維.工藝管道施工過程中的質量控制[J].現代物業（上旬刊），2013，12（4）：60-61.

[3] 劉春生.淺談壓力容器焊縫及其附近微小裂紋的檢測[J].黑龍江科技信息，2008（30）：32.

[4] 邱建.延遲裂紋的產生機理及防止措施[J].科技資訊，2008（36）：78.

[5] 李明祥，張兵憲，張云龍，等.工藝參數對304不銹鋼焊接接頭組織性能的影響[J].熱加工工藝，2021，50（1）：53-57.

[6] 張堯，王建剛.304不銹鋼應力腐蝕行為研究[J].當代化工研究，2022（16）：127-129.

[7] 侯杰耀.淺析低溫條件下304不銹鋼基本力學性能[J].南方農機，2020，51（17）：105-107.

[8] 吳圣川，李存海，張文，等.金屬材料疲勞裂紋擴展機制及模型的研究進展[J].固體力學學報，2019，40（6）：489-538.

[9] 陳勇，徐育烺，李勤濤，等.304不銹鋼管道環焊縫熱力耦合有限元模擬[J].焊管，2020，43（12）：22-27.

[10] 王東坡，龔寶明，吳世品，等.焊接接頭與結構疲勞延壽技術研究進展綜述[J].華東交通大學學報，2016，33（6）：1-14.

[11] 朱姣，鐘振前，于學亮，等.304不銹鋼焊接管開裂原因分析[J].物理測試，2021，39（5）：48-53.

[12] 張高，馬衛鋒，羅金恒，等.17管干式除塵器焊縫裂紋失效分析[J].焊管，2014，37（1）：53-57.

[13] 張宏，吳鍇，劉嘯奔，等.直徑1422 mm X80管道環焊接頭應變能力數值模擬方法[J].油氣儲運，2020， 39（2）：162-168.

[14] 國家市場監督管理總局中國國家標準化委員會. 在用含缺陷壓力容器安全評定：GB/T 19624—2019[S].北京：中國標準出版社，2019.

[15] 王志文，蔡仁良.化工容器設計[M].3版.北京：化學工業出版社，2005：183-185.

（收稿日期：2023-04-25，修回日期：2024-03-14）