李强 刘新凌 梁强

广东大鹏液化天然气有限公司

背景

近几年国内发生数起油气管道泄漏或断裂事故，大多发生在连头口或金口位置。虽然这些焊口无损检测结果合格，但是现场焊接作业环境可能存在较大的焊接拘束应力，造成焊缝接头的断裂韧性和焊缝缺陷临界失效尺寸降低。如中缅管道“6·10”环焊缝断裂燃爆事故反映出管道焊接接头在现场作业中可能存在较大的焊接拘束应力。为深入研究分析拘束应力对焊接接头的影响，开展了在拘束状态下含缺陷焊缝的适用性评价，以提升管道安全运行管理水平。

模拟测试

首先通过有限元软件进行管道焊接拘束度模拟计算。其次设计制造一套用于模拟足尺寸连头口自拘束的试验装置（图 1），模拟不同拘束状态下的管道焊接（图 2），并对不同拘束度条件下所得焊缝接头的断裂韧性值（CTOD）进行测试。最后，通过预制焊接缺陷对管道内部施加水压及弯曲载荷，测试含拘束条件下的焊缝部位的爆破压力，评估含缺陷焊缝在特定工况（如滑坡）条件下对弯曲载荷加载速率的敏感性。

图 1 自拘束管道焊接结构

图 2 不同拘束度情况下管道模拟焊接

分析评价

（1）管长1 m～3 m对接接头，随管长增加拘束度逐渐变小。不同拘束度下焊接管道的残余应力随着拘束度的上升而增大，拘束情况对焊接残余应力的影响显著。由0.5 m×0.5 m焊接形成自拘束的结构，焊接残余拉应力最大可达140 MPa，平均应力为105 MPa，严重影响了焊接结构的承载性能。

（2）通过测试分析不同拘束条件下的焊接试样，N含量明显变化。初步推测其应变时效在引入拘束度时发生概率要相对大于自由状态下的焊接。

（3）依据焊接接头断裂韧性测试结果，拘束条件下热影响区的断裂韧性值明显低于自由状态下的断裂韧性值；拘束应力越大，断裂韧性值下降越明显，韧性越差。

（4）在水压及静载作用下，相对于无拘束的管段（水压16 MPa、4 t静载泄漏失效）而言，有拘束管道在水压13.5 MPa、4 t静载作用下即出现管道泄漏失效。说明拘束对管道承受静载的能力影响很大。

（5）在水压及动载作用下，相对于无拘束的管段（水压9 MPa，落锤高度1.4 m开裂失效）而言，有拘束管道在水压9 MPa，落锤高度1.2 m时就发生开裂失效。说明含拘束的焊接结构承受弯曲载荷能力更弱。

启示

（1）管道规划及建设期间，尽可能避免或减少沿山体横坡敷设，防止位移、滑坡导致管道产生较大的变形和轴向应力。山区管道设计时应加大应力计算分析深度，避免出现严重应力集中的管段。

（2）加强管道焊接作业质量管理，避免管道焊接时产生强拘束作业环境。当检测、检验发现管道存在裂纹型焊缝缺陷时，应适当提高缺陷检测评价等级，尽可能减少裂纹缺陷给管道安全运行带来消极影响。

（3）对于可能存在较大拘束度的含缺陷管段，在开展适用性评价时要根据缺陷类型及尺寸、载荷和管材等级等不同情况，设置足够安全系数，避免后期因拘束过大而产生非预期失效。

作者简介：李强，研究生，高级工程师，广东大鹏公司管道完整性评价经理岗位。联系方式：19926449979，liqiang365@163.com。