楊 明， 劉玉卿， 高 琦， 張振永， 王慧慶

（1. 國家管網(wǎng)集團西部管道有限責(zé)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(shè)高速發(fā)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(wěn)運行的形勢下， 近些年發(fā)生了多起環(huán)焊縫失效事故[1]，給國家、 社會和企業(yè)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(zhèn)， 中緬天然氣管道沿邊坡埋地敷設(shè)管段因持續(xù)降雨引發(fā)公路邊坡下陷側(cè)滑被擠斷， 導(dǎo)致天然氣泄漏引發(fā)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(fā)生環(huán)焊縫失效、燃爆事故， 造成24 人受傷[3]。

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

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定

油氣管道線路部分因地區(qū)等級、 強度設(shè)計系數(shù)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(shè)計系數(shù)管段的連接， 例如不同地區(qū)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(shè)計， 變壁厚鋼管對接時， 在內(nèi)壁側(cè)進行壁厚過渡處理。

對比國內(nèi)外常用的標(biāo)準(zhǔn)GB 50251—2015《輸氣管道設(shè)計規(guī)范》、 ASME B31.8—2016《氣體傳輸與分配管道系統(tǒng)》、 CSA Z662—2015《油氣管道系統(tǒng)》、 AS 2885.1—2012 《管道 天然氣和石油管道 第1 部分： 設(shè)計和建造》、ГОСТР 55989-2014 《干線管道設(shè)計規(guī)范》 等，可以看出， 中國、 美國、 加拿大以及澳大利亞各國規(guī)范對于等內(nèi)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(yīng)呈錐形， 如圖1 所示； 俄羅斯的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)沒有進行明確規(guī)定， 根據(jù)俄羅斯博烏管道的焊接規(guī)程， 變壁厚管道的焊接除了有倒角式內(nèi)坡口外， 還有錐孔式坡口。

圖1 倒角式內(nèi)坡口示意圖

變壁厚環(huán)焊縫采用的倒角式內(nèi)坡口， 存在以下問題： ①存在較嚴(yán)重的應(yīng)力集中； ②焊縫成形較差， 容易產(chǎn)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(huán)焊縫上發(fā)生失效[4-7]。

2 研究內(nèi)容

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

圖2 錐孔型內(nèi)坡口結(jié)構(gòu)示意圖

本研究通過借鑒國內(nèi)外研究成果和工程經(jīng)驗， 以輸送壓力為12 MPa 的西四線 （吐魯番—中衛(wèi)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(huán)焊縫， 采用錐孔型內(nèi)坡口， 進行變壁厚環(huán)焊縫坡口方案設(shè)計研究， 使變壁厚鋼管實現(xiàn)等壁厚焊接， 改善當(dāng)前油氣管道變壁厚環(huán)焊縫因幾何形狀變化產(chǎn)生的應(yīng)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(huán)焊縫的焊接質(zhì)量和承載能力， 提升西四線 （吐魯番—中衛(wèi)段） 管道本質(zhì)安全水平， 指導(dǎo)并應(yīng)用于管道工程建設(shè)。

3 變壁厚鋼管環(huán)焊縫內(nèi)坡口設(shè)計

3.1 西四線變壁厚鋼管環(huán)焊基本情況

西四線 （吐魯番—中衛(wèi)段） 直管-直管變壁厚環(huán)焊基本情況匯總見表1。

表1 西四線（吐魯番—中衛(wèi)段） 直管-直管變壁厚環(huán)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(qū)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(shè)計原則

錐孔型內(nèi)坡口的結(jié)構(gòu)型式主要包括兩個關(guān)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(qū)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(guān)，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(nèi)坡口方案。

錐孔型內(nèi)坡口方案設(shè)計， 即結(jié)構(gòu)尺寸L 和θ的設(shè)計， 應(yīng)遵循以下原則： ①適應(yīng)施工現(xiàn)場的焊接要求； ②不影響環(huán)焊縫的無損檢測； ③不影響管道內(nèi)檢測； ④顯著改善應(yīng)力集中（在此指因幾何形狀變化產(chǎn)生的應(yīng)力集中）。

3.3 方案設(shè)計

3.3.1 現(xiàn)場焊接要求

現(xiàn)場焊接時， 內(nèi)焊機漲緊器的漲靴、 內(nèi)對口器的漲靴對錐孔型內(nèi)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(nèi)焊機中自帶漲緊器， 不需要使用內(nèi)對口器， 只考慮內(nèi)焊機漲靴對錐孔型內(nèi)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(nèi)坡口幾何尺寸無關(guān)。

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

對于錐孔型內(nèi)坡口， 考慮兩種方案：

（1） 當(dāng)厚壁管內(nèi)的內(nèi)焊機漲靴， 漲緊于厚壁管的已切削區(qū)域時， 如圖3 （a） 所示， 要求L0/2≤L。

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

當(dāng)前我國應(yīng)用的全自動內(nèi)焊機主要有CRC、 熊谷以及CPP900 內(nèi)焊機。 通過調(diào)研，漲靴在不同區(qū)域時Φ1 422 mm 管段常用內(nèi)焊機的旋轉(zhuǎn)盤+兩側(cè)漲靴， 以及錐孔型內(nèi)坡口尺寸允許范圍見表2 和表3。

圖3 內(nèi)焊機漲靴漲緊于厚壁管示意圖

表2 內(nèi)焊機的漲靴在厚壁切削區(qū)時錐孔型內(nèi)坡口尺寸允許范圍

表3 內(nèi)焊機的漲靴在厚壁未切削區(qū)時錐孔型內(nèi)坡口尺寸允許范圍

漲靴在厚壁未切削區(qū)時， L+L1的范圍為定值， 錐孔長度L 與壁厚過渡角有關(guān)： 當(dāng)θ=14°時取最小值， 當(dāng)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(qū)域， 另3/4 漲靴寬度漲緊于厚壁管原始內(nèi)壁， 如圖4 所示。 CRC、熊谷和CPP900 內(nèi)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(qū)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(wèi)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(yīng)采用射線探傷對全自動超聲波檢測進行復(fù)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(huán)焊縫采用該種焊接方式時， 應(yīng)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(guī)范進行評判。

（1） AUT 檢測

全自動焊一般采用AUT 檢測， 對應(yīng)錐孔型內(nèi)坡口+雙V 形復(fù)合型坡口。 經(jīng)計算， 45°激發(fā)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(qū)， 膠片以焊縫中心對稱布置， 焊縫中心線兩側(cè)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(huán)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(huán)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(huán)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(nèi)檢測的要求

結(jié)合Φ1 422 mm 鋼管內(nèi)檢測器的通過性能指標(biāo)， 變壁厚的錐孔型內(nèi)坡口的錐孔長度與壁厚過渡角對Φ1 422 mm 鋼管內(nèi)檢測器的通過性能沒有影響。

3.3.4 顯著改善應(yīng)力集中

（1） 應(yīng)力集中系數(shù)計算

應(yīng)力集中系數(shù)定義為結(jié)構(gòu)應(yīng)力與名義應(yīng)力之比， 表征局部彎曲導(dǎo)致的應(yīng)力增長水平。 研究表明， 結(jié)構(gòu)應(yīng)力是決定結(jié)構(gòu)疲勞壽命的關(guān)鍵因素[11-14]。

應(yīng)力集中系數(shù)f 的表達(dá)式為[8]

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

σb——透壁彎曲應(yīng)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(huán)焊縫應(yīng)力集中的敏感性， 可知： 增大錐孔長度L 可以改善變壁厚環(huán)焊縫的應(yīng)力集中； 減小壁厚過渡角θ 可以改善變壁厚環(huán)焊縫應(yīng)力集中； 增大錐孔長度能夠顯著改善變壁厚環(huán)焊縫的應(yīng)力集中， 減小壁厚過渡角對改善變壁厚環(huán)焊縫應(yīng)力集中的效果不明顯。

因此， 設(shè)計過程中主要通過增大錐孔長度來改善變壁厚環(huán)焊縫應(yīng)力集中。 因改變壁厚過渡角對應(yīng)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(nèi)坡口，焊縫區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)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(yīng)力集中所需的最小錐孔長度

3.3.5 錐孔型內(nèi)坡口方案

綜合考慮現(xiàn)場焊接、 無損檢測、 改善應(yīng)力集中、 內(nèi)檢測等4 方面要求以及坡口加工效率和質(zhì)量， 初步選擇直管-直管變壁厚錐孔型內(nèi)坡口方案如下。

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

（2） 若采用CPP900 內(nèi)焊機， 建議漲靴漲緊于厚壁管的原始內(nèi)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(jié)束語

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

采用錐孔型內(nèi)坡口可以使變壁厚鋼管環(huán)焊縫實現(xiàn)等壁厚焊接， 有利于降低變壁厚環(huán)焊縫因截面幾何形狀變化產(chǎn)生的應(yīng)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(huán)焊縫無損檢測的檢出率， 對提高變壁厚鋼管環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量、 提升管道本質(zhì)安全具有重要的意義。