高钢级天然气管道环焊缝断裂问题探讨

国内高钢级天然气管道环焊缝失效案例主要表现为沿焊缝金属的脆性断裂特征,环焊缝断裂失效的原因主要与焊缝冲击韧性低、变壁厚连接位置的局部应力集中、危害性面型缺陷等相关。通过重点分析自保护药芯焊丝的环焊缝金属冲击韧性、不等壁厚环焊缝接头局部应力集中的影响因素,提出了相应的失效控制要素和措施建议。     

高钢级管道环焊缝承载能力全尺寸试验研究

针对含缺陷的X80管道环焊缝,利用全尺寸弯曲试验、力学性能测试和失效评估分析等方法对环焊缝缺陷失效的类型及其承载能力进行了研究和分析,结果表明：试验钢管环焊缝在轴向载荷作用下管道内表面的缺陷在弯曲及内压作用下扩展至管道外表面,从而引发管道泄漏。管道内表面缺陷的开裂方式为可控的延性裂纹扩展形式;钢管弯曲至环焊缝泄漏过程中,钢管母材最大轴向拉伸应变为1.06%,全尺寸试验结果与计算结果一致性较好,可以确定管道的拉伸应变为0.79%。     

高钢级管道环焊缝的应变集中特性研究

当管道穿越地质灾害多发地区时,可能会受到较大的位移作用。管道环焊缝处的结构特性及材料特性使其在位移作用下,将会产生局部的应变集中并发生开裂,从而影响管道的应变能力。因此,研究管道环焊缝处的局部应变特性,对于管道的安全评价具有重要意义。研究采用有限元模拟,结合材料损伤模型的方法进行,分析了低匹配及热影响区软化的高匹配环焊缝的应变分布。结果表明:对于低匹配环焊缝,应变集中的位置处于热影响区与焊缝交界的外表面。对于热影响区软化的高匹配环焊缝,应变集中位置会随位移及内压的变化而变化。内压对环焊缝应变集中程度具有重要影响,并可以显著降低管道的应变能力。     

高钢级管道环焊缝缺陷修复问题初探

近年来众多油气输送管道及沿线站场设施环焊缝失效事故表明,焊缝缺陷是引发管道失效的一个重要因素。通过分析8起典型的环焊缝失效案例,发现高钢级(X 70、X 80)管道发生失效的主要模式为断裂,而焊缝未熔合缺陷是高钢级管道环焊缝发生失效的主要原因。输送管道环焊缝开挖检测结果表明,环焊缝主要存在焊接缺陷和外观几何缺陷两种,多为叠加出现。通过现场调研发现,站场设施环焊缝存在对接材质不同、壁厚不等及对接结构多样等特点,其失效原因也更复杂。国内外环焊缝修复标准调研分析表明,国内尚无专门针对高钢级管道修复的行业标准,现有的关于环焊缝缺陷修复的企业标准之间存在较大矛盾和差异。最后,针对油气输送管道和站场设施环焊缝问题提出了应开展环焊缝缺陷修复技术可靠性验证试验、失效机理和失效控制措施等方面的研究,为解决工程现场问题奠定理论基础。     

高钢级管道环焊缝缺陷容限尺寸数值分析

采用数值模拟方法研究了X70和X80管道的缺陷容限尺寸和抗断裂能力。研究结果表明,缺陷容限尺寸与焊接接头匹配性能有着密切的联系,无论是气孔容限尺寸还是裂纹容限尺寸,都随匹配系数的增加而增加,即高匹配的焊接接头具有较高的缺陷容限尺寸。缺陷容限尺寸数值大小反映了管道的抗断裂能力的高低,对于高钢级管道环焊缝,当采用高匹配焊接接头时,其缺陷容限尺寸比低匹配焊接接头要大,高匹配焊接接头具有较好的抗断裂能力。     

基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价

现行管道设计标准大多遵循传统的基于应力的设计准则,当管材出现屈服和应变强化时,基于应力的设计准则便不再适用。为了有效开展基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价,需要解决驱动力的应变表征和失效准则确定两个关键问题。通过对含环焊缝根部裂纹的高钢级管道进行有限元分析,得到基于应变的裂纹扩展驱动力,研究了缺陷尺寸、强度匹配及压力等因素对环焊缝应变能力的影响;对比分析了两种管道环焊缝断裂失效准则并明确其适用性。分析结果表明：缺陷尺寸不仅影响裂纹扩展阻力,而且影响裂纹扩展的驱动力,裂纹深度较长度对基于应变裂纹驱动力的影响更为明显;高匹配焊接的环焊缝具备更强的应变能力,承载能力也相应增强;错边和变壁厚等根部不连续会削弱环焊缝的承载能力;基于裂纹失稳扩展失效准则评价的是极限应变能力,对环焊缝的断裂韧度要求很高,建议选择基于断裂韧度准则的评价方法。所得结论可为高钢级管道环焊缝应变能力评估提供技术参考。     

大管径、高钢级天然气管道环焊缝焊接技术

唐山LNG外输管道是与规划建设中的中俄东线天然气管道、涿州—永清天然气管道等项目的互联互通工程,管道沿线主要地貌为沿海滩涂、连片鱼塘、水网、软土地基、果园和农田等,该工程采用了单管自重超过10 t、外径1 422 mm、X80钢级管道,焊接施工难度大、质量要求高,以往的半自动、手工焊等环焊工艺不能完全满足工程的需要。为此,基于X80钢管的环焊接头技术要求,结合该工程地貌特点和施工人力资源情况,提出了以管道环焊缝自动焊为主要焊接方法的环焊缝焊接工艺方案,并设计、确定了焊接坡口形式,优选了焊接材料和焊接设备,拟定了焊接施工管理措施。焊接工艺评定结果表明:所提出环焊缝焊接工艺获得的焊接接头、强度、韧性、硬度、低倍金相等理化性能试验结果均满足相关标准和设计的要求。该工程项目现场焊接实践证明,采用所提出的环焊缝焊接工艺进行焊接施工,焊接质量优良、施工效率高,从施工质量管控过程中总结出的质量管控关键点,可以为后续油气管道工程建设的焊接施工管理提供借鉴。     

高钢级油气管道环焊缝接头性能及质量控制

在介绍管道环焊缝特点及重要性的基础上,分析了典型化学成分X80钢管自保护药芯焊丝半自动焊(FCAW-S)和熔化极气体保护焊(GMAW)环焊缝接头的关键力学性能。结果表明,无论采用FCAW-S还是GMAW方法并匹配相应级别焊丝进行环焊缝焊接,其接头的抗拉强度均满足标准要求。FCAW-S和GMAW环焊接头热影响区的韧性分散性大于焊缝,但是FCAW-S环焊接头焊缝的冲击吸收能量容易出现低值而导致不满足标准要求,而GMAW环焊接头焊缝和热影响区的冲击韧性均满足标准要求。强度匹配和焊接缺陷对管道环焊缝接头性能和承载能力有重要影响。为了保证管道运行安全,需要加强环焊缝焊接质量控制。     

大管径、高钢级天然气管道环焊缝焊接技术

唐山LNG外输管道是与规划建设中的中俄东线天然气管道、涿州—永清天然气管道等项目的互联互通工程，管道沿线主要地貌为沿海滩涂、连片鱼塘、水网、软土地基、果园和农田等，该工程采用了单管自重超过10 t、外径1 422 mm、X80钢级管道，焊接施工难度大、质量要求高，以往的半自动、手工焊等环焊工艺不能完全满足工程的需要。为此，基于X80钢管的环焊接头技术要求，结合该工程地貌特点和施工人力资源情况，提出了以管道环焊缝自动焊为主要焊接方法的环焊缝焊接工艺方案，并设计、确定了焊接坡口形式，优选了焊接材料和焊接设备，拟定了焊接施工管理措施。焊接工艺评定结果表明：所提出环焊缝焊接工艺获得的焊接接头、强度、韧性、硬度、低倍金相等理化性能试验结果均满足相关标准和设计的要求。该工程项目现场焊接实践证明，采用所提出的环焊缝焊接工艺进行焊接施工，焊接质量优良、施工效率高，从施工质量管控过程中总结出的质量管控关键点，可以为后续油气管道工程建设的焊接施工管理提供借鉴。     

高钢级管道环焊缝断裂韧性与裂尖拘束关系

基于细观损伤力学理论,采用数值仿真方法建立了单边缺口拉伸与单边缺口弯曲的环焊缝裂纹扩展阻力数值仿真计算模型,针对低强、等强以及高强3种焊缝强度匹配条件,分别计算了面内、面外耦合拘束条件下以裂纹尖端张开位移为表征的环焊缝断裂韧性,比较了不同裂尖拘束参数描述断裂韧性与拘束关联的合理性。结果表明,采用应力三轴度所建立的拘束—断裂韧性关联性较差,而采用裂尖等效塑性区面积作为拘束参数能够较好描述面内、面外拘束对材料断裂韧性的影响。因此,建立了以裂尖等效塑性应变等值线围成区域面积作为拘束参数,用以表征面内、面外拘束与环焊缝断裂韧性的统一关联;进一步采用宽板拉伸试验结果与全尺寸管道环焊缝的有限元计算结果验证了建立的拘束—韧性关联的稳健性。     

高钢级管线钢管环焊缝高强匹配研究

对于环焊焊缝性能来说,焊缝金属屈服强度是管线设计的一个关键因素。介绍了钢管母材与焊缝金属的匹配关系及钢管母材屈服强度的分布曲线,论述了影响高强匹配焊缝金属屈服强度的因素,最后提出了高强匹配时焊缝金属屈服强度最小值的确定方法。     

基于主曲线法的高钢级管道环焊缝韧性表征

为了寻求高钢级管道环焊缝韧性的准确表征试验方法,对现有的冲击韧性与断裂韧性转化关系方法进行了对比分析,明确了不同方法的适用范围和限制条件。开展了X80管线钢半自动焊环焊缝的断裂韧性试验,并采用主曲线法对管线钢环焊缝的韧性进行了表征。结果表明,曲线法能够较好地描述高钢级管道环焊缝韧脆转变区的韧性离散情况,高钢级管道环焊缝可以采用基于主曲线的韧性表征方法。     

高钢级管线钢环焊缝强度匹配与安全评价

简要介绍了管道焊缝强度理论,重点介绍了国内外管道环焊缝匹配和管道安全评价及缺陷容限的研究情况,通过对管道环焊缝的强度匹配及其安全评价方法的研究,对失效评定参量的确定进行了分析和讨论。分析指出,管道环焊缝强度匹配的选择和应用影响着焊接接头质量,同时不等匹配形成的性能差异对焊缝中裂纹扩展驱动力大小也有明显的影响。     

腐蚀作用下高钢级管道延性断裂可靠性分析与研究

针对输气管道易发生长程裂纹扩展问题,在修正管道止裂韧性预测公式的基础上,根据同一制管批次内钢管夏比冲击功的平均值和标准差,统计高斯分布特征计算裂纹止裂和裂纹扩展的钢管数量占比,并通过管道裂纹扩展组合确定止裂概率,进而对管道进行可靠性分析。结果表明,采用1.8的修正系数可将90%的裂纹扩展点和100%的裂纹止裂点分开,计算的止裂韧性值满足单根钢管的止裂要求;可通过提高夏比冲击功的平均值或改变标准差实现止裂钢管数量占比的提高;8根钢管判定原则下比5根钢管判定原则下对应的运行年限少1～3 a,说明采用8根钢管判定原则计算管道可靠性更加保守;当管道位于一级二类地区及以上时,延性断裂引发的管道失效风险更大,当管道位于二级地区及以下时,强度失稳引发的管道失效风险更大。     

基于应变的高钢级管道环焊接头失效评定方法

基于应变的失效评定图程序（Strain Based Failure Assessment Diagram,SBFAD）可以提高大范围屈服条件下的管道及环焊接头的断裂评估准确性。本文构建了含缺陷的X80管道环焊接头数值分析模型,详细阐释了SBFAD方法及其评估曲线的影响因素,明确了不同等级评估曲线的应用场景,并基于X80管道环焊接头的实测力学性能定量评估了含缺陷的X80管道环焊接头临界应变承载能力。研究结果表明：(1) Budden提出的SBFAD方法按照评估曲线的不同,可分为Option 1、Option 2和Option 3,其修订后的Option 1M和Option 2M曲线的非保守性大幅降低。BS 7910提供的Option 2要比基于Budden修订的Option 2M曲线的评估结果更为激进。(2)基于SBFAD方法中的Option 2曲线评估较大尺寸的缺陷可能会呈现非保守的结果。材料的应变硬化指数（n）值对Option 2曲线几乎没有影响,而随着n值的减小,Option 3曲线会缓慢上移,随着n值的增大,SBFAD曲线的截止线值呈明显递减趋势。(3)现有的Option 2曲线...     

高钢级管材及复合补强管道

1·高钢级管材的应用随着输送压力的提高,世界范围内管道用管钢级一直在向高强度及超高强度发展。使用高钢级管材是提高管道设计压力的主要途径;同时,在同样的设计压力下,使用高强度管材可减少管材的消耗量。据统计,世界范围内用于油气输送管道的钢材年消耗量超过1000×104t,管材成本占管道建设总投资的30%~35%,因此近年来对优质高钢级管材的使用受到关注。德国于1985年研制成功X-80管道钢管,并于1992~1993年用X-80钢管铺设了长达250km的天然气管道,输送压力为10MPa,迄今运行正常。加拿大于20世纪90年代初也成功地研制出X-80钢管,并在国内…     

高钢级管道全尺寸气体爆破试验技术研究

为了全面掌握高钢级管道止裂韧性预测方法,对高钢级管道全尺寸气体爆破试验技术进行了研究。在设计试验流程、钢管排布、传感器安装和数据采集等方案的基础上,对Φ1 422 mm X80钢级螺旋缝埋弧焊管进行了压力13.3 MPa的全尺寸气体爆破试验。结果显示,管道全尺寸爆破试验顺利实施,裂纹扩展速度、减压波等数据采集技术可靠,测试结果准确,与理论计算结果一致性较好。结果表明,我国已攻克并掌握全尺寸气体爆破试验关键技术,进一步提升了管道断裂控制研究方面的能力。     

高钢级天然气管道爆炸危害影响分析

冲击波、热辐射是天然气管道爆炸的主要危害形式。目前的研究手段主要是理论模型并结合小尺寸试验,缺乏全尺寸试验数据的验证,具有一定风险。基于高钢级管道的全尺寸气体爆破试验,对试验过程中的冲击波压力、热辐射通量进行了采集、分析和研究,并结合理论模型对试验结果进行分析。研究结果表明:随着与起爆点距离的增大,冲击波压力、热辐射通量迅速衰减;垂直方向相同位置上的热辐射通量值较高,而冲击波压力则差异较小;根据试验结果计算的热辐射安全距离为124.9 m,大于冲击波危害的安全距离;根据静态火球模型计算出的热辐射危害半径为147.6 m,与试验结果相差不大。     

从2006年国际管道会议看高钢级管道建设

简要介绍了2006年国际管道会议的情况.重点介绍近4年来国外X80、X100、X120钢级的研究开发、生产、建设的进展情况以及目前存在的问题.针对完整性管理、高温轧制工艺(HTP)、高钢级管线钢的韧性止裂、基于应变的设计以及抗大变形钢的开发等做了概括性论述.对国内高钢级管线钢及钢管的研发、管道工程应用以及管道完整性管理等方面的工作提出了建设性的意见.