歐新偉 馮文興 劉 洋 陳朋超 任波濤

1. 國家管網集團北方管道公司, 河北 廊坊 065000;2. 中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售東部分公司, 上海 200122;3. 中國石油天然氣集團有限公司, 北京 100007

0 前言

油氣輸送管道在日常運營過程中,面臨著各種因素引起的安全問題,管道的安全狀況既與管道本體有關(如管道材質及其焊縫狀態(tài)),也與外部因素有關(如外部荷載[1])。施工過程中受焊接技術水平限制和現場施工質量管控不嚴等因素影響,導致部分管道投產運行后存在各種環(huán)焊縫質量缺陷[2-3]。據不完全統(tǒng)計,中國石油自2011年以來已發(fā)生9起管道環(huán)焊縫開裂事故[4-5]。與其他事故相比,環(huán)焊縫開裂事故具有突發(fā)性強、不可預知和泄漏量大等特點,易造成環(huán)境破壞和人員傷亡。尤其是部分管道存在搶修困難、停輸要求嚴格和環(huán)境敏感點多等問題,一旦發(fā)生事故,及時搶修存在較大挑戰(zhàn),同時產生的后果也不可預估[5-7]。因此,有效識別焊縫質量風險,進行質量管控,對管道的安全管理具有重要意義。

2017年中緬天然氣管道(國內段)發(fā)生泄漏燃爆事故后,中國石油對2007年后建成投產的管線開展了環(huán)焊縫質量安全排查,排查內容包括資料排查、建設期射線底片排查、數據對齊、內檢測信號復核、設計符合性排查等,對識別出的問題焊口,通過現場開挖驗證及時消除隱患。根據數據對齊結果,篩選出部分無施工安裝記錄、無檢測報告和無建設期射線底片的“三元”焊口(統(tǒng)稱為疑似黑口)。由于該類焊口信息缺失,對其質量狀況認識不全面,潛在的風險隱患未被及時識別,因此管道的安全運行存在較大的不確定性。目前,各管道運營企業(yè)都在進行疑似黑口排查[8],排查管道建設過程中遺留的、未被識別的質量風險。本文介紹了如何通過數據對齊進行疑似黑口排查、黑口類型確認及開挖確認流程等,并對在現實工作中的應用給出指導建議。

1 數據對齊

數據對齊是以管道的特征標識(閥門、三通、彎頭)為起始點，比對每一根管節(jié)長度，通過管長最小差將焊口建設期數據與內檢測數據對齊匹配。理想狀態(tài)下(即施工資料記錄完整、順序正確)，施工資料中焊縫編號與內檢測焊縫編號是一一對應[9]。但是，在編制施工資料時，由于人為因素導致不能完全保證施工資料記錄的完整性和順序的正確性，故需要采取以下匹配策略。

1)查找特征點，確定施工資料焊縫與內檢測數據中焊縫的匹配起點。

2)根據施工資料焊縫的單根管長與內檢測數據中焊縫的單根管長(相對距離)進行差值匹配，誤差小于0.1 m則可認為是同一焊縫。

3)通過焊縫上下游匹配的相關性，可確定誤差大于0.1 m的焊縫是否匹配。

4)在匹配過程中，可通過單根管長小于10 m的焊縫的匹配關系(可作為硬點)，驗證某一段數據匹配的正確性。

數據對齊流程見圖1。

圖1 數據對齊流程圖Fig.1 Data alignment process

2 疑似黑口的類型及確認流程

2.1 疑似黑口的類型

數據對齊成果中,存在焊口施工安裝記錄與內檢測記錄不匹配的情況,根據對應結果的不同,疑似黑口分為截管、合管和焊縫缺失等情況。

2.1.1 截管

截管是在施工過程中把1根長管替換為多個短管,替換前后管長一致,截管示意見圖2。截管發(fā)生后,如果對新形成的焊口均開展了無損檢測,對缺陷進行了識別,并對問題焊口提前采取措施,將不會對管道的安全產生影響。但是,由于各種原因,大部分管段發(fā)生截管之后,對新形成的焊口未開展無損檢測,缺陷未被及時識別,潛在風險未被排查,給管道的安全運營帶來極大隱患。

圖2 截管示意圖Fig.2 Schematic diagram of pipe cutting

2.1.2 合管

合管是在施工過程中把多個短管替換為1根長管,替換前后管長一致,合管示意見圖3。合管完成后如果對新形成焊口進行無損檢測和缺陷識別,也能消除合管帶來的風險。

圖3 合管示意圖Fig.3 Schematic diagram of pipe combing

2.1.3 焊縫缺失

焊縫缺失是部分內檢測環(huán)焊縫查找不到與之匹配的焊口施工安裝記錄,無法查找對應的施工信息,焊縫缺失示意見圖4。不能確定在建設期是否對該類焊口開展了缺陷檢測,在開展內檢測之前,焊口的質量狀況不明確。

2.2 疑似黑口的確認流程

對篩選出的疑似黑口,需要進一步排查和確認,避免產生誤識別和過度開挖。疑似黑口識別和銷項流程見圖5。

圖5 疑似黑口識別和銷項流程圖Fig.5 Suspected black hole identification and sales process

1)查原始內檢測信號,確定是否存在原始信號誤判為環(huán)焊縫的情況。

2)查焊口附近的歷史資料,確定是否存在因改線、管體修復、設備更新改造等原因而新增的焊口。

3)對于經第1)、2)步確認的有內檢測記錄、無施工記錄焊口,查該焊口附近的無損檢測報告、射線底片、AUT掃查圖,是否存在焊口遺漏的情況。若該焊口附近有檢測報告和底片的焊口數量大于施工記錄數量,則施工記錄組卷過程中可能漏掉了焊口C,并利用制管焊縫與環(huán)焊縫交點間距等信息進一步核實,若無法證明焊口C有無損檢測報告、射線底片、AUT掃查圖的,定性為疑似黑口。若該焊口附近有檢測報告和底片的焊口數量小于施工記錄數量,且無法證明焊口C有無損檢測報告、射線底片、AUT掃查圖的,定性為疑似黑口。

4)進入開挖復檢階段的疑似黑口,應同時開挖其上游和下游相鄰的焊口,以確保開挖位置的準確性。根據開挖結果，確認是否為黑口。

3 關鍵技術

3.1 時鐘方位信息提取

在管道施工建設期,按照要求需對全部焊口進行無損檢測,獲得的射線底片是焊口的一種有效信息載體[10]。由于底片上會記錄焊口缺陷信息及上下游管段螺旋焊縫與焊口相交位置,可得到焊口交角間距信息。將內檢測信號數據在專用軟件(如PipeImage等)中加載顯示,可以讀取時鐘方位和交接間距長度等信息，并與建設期焊口交角間距進行比對,可以進行焊口的精確匹配。交角間距可通過式(1)進行計算獲得:

L=πD(Δx+Δy/60)/12

(1)

當存在多道焊口的交角間距都比較接近時,需要擴大焊口對齊范圍,通過上下游焊口的交角間距信息進一步確認。

3.2 現場定位

內檢測實施過程中,同步開展慣性導航測量,借助發(fā)球筒和參考點的位置信息,可以解算得到每道焊口的坐標。內檢測數據定位實質是采用地面標記將長輸管道按1 km左右分段,以減少里程輪定位的累積誤差[11-12]。由于檢測器里程輪打滑[13]及地面地形、農作物、建筑物等影響,利用內檢測數據定位會造成一定偏差[14-16],現場實施過程中需要根據現場和焊口開挖具體情況判斷疑似黑口可能偏移的方向。可利用管道一些特征點(三通、彎頭、閥門)作為參照物進行地面定位,削減地面定位的誤差[17-20]。

對于未做過慣性導航測量的管道,可以查找建設期焊口坐標,將其轉換成可以現場使用的坐標,進行現場定位;也可以從PipeImage等軟件中讀取環(huán)焊縫的里程值,與內檢測開展過程中管道沿線參考點的里程值進行比對,找出距離疑似黑口最近的參考點,通過拉尺等方式進行精確定位、查找。

3.3 現場測量

為驗證開挖點是否為疑似黑口,焊口被開挖之后,需測量焊口的時鐘方位信息,并與內檢測結果數據比對。由于螺旋焊縫與環(huán)焊縫交點位置的不固定性,以及現場環(huán)境的復雜性,導致在讀取部分焊口的時鐘方位時存在較大的困難,影響信息的獲取。借助螺旋焊縫時鐘位置和環(huán)焊縫時鐘位置變化1 h情況,通過推算,可以計算出時鐘位置,計算見式(2)～(3):

L=πD/(12tgα)

(2)

L′=π(D+2d)/4

(3)

在現場借助拉皮尺等方式,可準確確定螺旋焊縫與環(huán)焊縫交點的時鐘位置。

4 典型開挖

由于疑似黑口建設期信息的缺失,導致缺少對焊口施工狀況及所承受的外部載荷等的了解,不清楚焊接狀況是否滿足標準體系規(guī)定的要求。同時,由于內檢測本身對缺陷檢測、識別的局限性,尤其是對管道運行具有極大危險性的環(huán)焊縫裂紋型缺陷,

某管道的疑似黑口開挖之后,在環(huán)焊縫上發(fā)現存在補強鋼圈,并且鋼圈底部有未焊縱縫的情況。經原施工單位反饋,該焊口為最后一道組對焊口,為減少組對應力,在焊口附近增加澆筑了錨固墩,同時,為了提高焊口的抗撕裂能力,在該焊口上加焊了一圈補強圈。疑似黑口開挖情況見圖6。

圖6 疑似黑口開挖情況照片Fig.6 Suspected black hole excavation

裂紋缺陷對管道的安全影響較大,如不及時處理,很容易發(fā)生泄漏燃爆事故。某焊口開挖檢測發(fā)現50 mm疑似裂紋,復檢發(fā)現焊縫6點鐘位置存在70 mm長的裂紋見圖7。割口后的實驗室測試顯示,環(huán)焊縫外表面有氣孔和焊渣缺陷,內表面有打磨痕跡，打磨位置發(fā)現多處裂紋缺陷。失效分析結果顯示:焊縫6點鐘位置含有裂紋、焊渣、氣孔、未熔合等多種缺陷；沿缺陷打開后,局部位置剩余壁厚小于1 mm；焊接熱裂紋和局部應力集中導致的變形組織明顯。

圖7 焊口裂紋缺陷照片Fig.7 Photo of weld crack defect

5 結論

疑似黑口存在較多的不確定性,為驗證其是否存在安全隱患,各管道運營企業(yè)都在花費大量人力、物力進行排查,通過數據對齊、信息提取、開挖驗證等技術手段,進行疑似黑口的準確識別。同時，按照預防為主,防消結合的方針,采取必要的處置措施,及時消除隱患,保障管道本體安全,降低疑似黑口的泄漏風險,確保管道安全平穩(wěn)運行。結合疑似黑口的排查,提出如下建議。

1)加強建設期施工質量管理。加強對施工過程中質量監(jiān)督管理,堅決避免不符合規(guī)定要求的工序,尤其是對“金口”“連頭口”等特征焊口進行組對時,更要嚴格要求,要對所有的焊口都進行射線檢測,從源頭上避免疑似黑口的存在,確保質量合格。

2)建設期開展環(huán)焊縫安全隱患排查。在管道投產之前,開展環(huán)焊縫安全隱患排查,能確保缺陷早識別、隱患早消除,避免將隱患帶到運營期,降低隱患治理成本,減小管道失效的風險。

3)推進標準的制修訂。目前數據對齊標準Q/S GD0502—2016《管道完整性數據對齊規(guī)范》規(guī)定,通過采取管長最小差進行數據對齊,而開挖結果顯示,施工資料中記錄的管長與實際管長不一致的情況普遍存在,最高相差超過6 m,嚴重影響數據對齊結果的準確性。建設期射線底片中會記錄環(huán)焊縫上下游制管焊縫與環(huán)焊縫相交位置,測量交點處間距與內檢測環(huán)焊縫時鐘方位間距比對,能較準確地進行數據對齊,更準確地識別疑似黑口。

4)支持焊口風險評估。在焊口風險評估中,針對焊口是否為疑似黑口,可以給予不同的權限比重,確保評估結果更能反應實際情況。