《管道保護》編輯部： 高鋼級油氣管道是管道領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展趨勢。當(dāng)前，我國高鋼級油氣管道建設(shè)規(guī)模居世界第一，發(fā)展成就舉世矚目。但近年來發(fā)生的幾起管道事故，引起行業(yè)對高鋼級管道環(huán)焊縫問題的高度關(guān)注。國外高鋼級管道應(yīng)用也有環(huán)焊縫失效的案例，并開展了相關(guān)研究。他山之石，可以攻玉。為此，《管道保護》主編朱行之采訪了中國特種設(shè)備檢測研究院副院長何仁洋博士，就國外高鋼級管道環(huán)焊縫失效現(xiàn)狀、研究進展及對我國相關(guān)工作的建議等話題談了自己的看法，現(xiàn)摘要刊登如下。

問：國外高鋼級管道環(huán)焊縫有無失效案例？原因是什么？

答：高鋼級管道環(huán)焊縫失效問題，在10年前就引起美國管道行業(yè)的高度重視。

2008－2009年美國在管道建設(shè)壓力試驗過程中發(fā)生多次高鋼級管道環(huán)焊縫開裂事件。這些事件存在以下共性特征：①鋼級為X70或X80、且管徑大于DN 500。②失效內(nèi)壓低于設(shè)計工作壓力。③失效焊縫根焊和熱焊采用纖維素焊條焊接或是經(jīng)過返修的自動焊焊縫。④焊前預(yù)熱和層間溫度控制不到位。⑤焊后無損檢測時間不足24 h，大部分焊縫存在延遲裂紋。⑥多為不等厚過渡、連頭口、錯邊等應(yīng)力集中焊口。美國將這些失效機理歸結(jié)為氫致開裂（HAC），主要理由是：①采用纖維素焊條，導(dǎo)致焊縫氫含量增加。②無損檢測時間不足24 h，導(dǎo)致焊后延遲裂紋未能被檢測出來。③不等厚過渡、連頭口、錯邊等原因?qū)е碌木植繎?yīng)力集中。隨后美國管道和危險物品安全管理局（PHMSA）發(fā)布了兩份公告，一是要求在鋼管制造過程中，嚴(yán)格控制管材化學(xué)成分、管材屈服和拉伸強度，縮小材料成分及性能波動范圍（ADB―09―01公告）；二是要求在管道安裝過程中，優(yōu)化不等厚接頭設(shè)計、減少錯邊量、嚴(yán)格焊接及檢測過程質(zhì)量控制、減少組對及焊接殘余應(yīng)力等（ADB―10―03公告）。

在采取上述措施后，美國新建高鋼級管道環(huán)焊縫失效事件仍不斷發(fā)生，且呈現(xiàn)出不同的失效特征。比 如， 2014―2015年，美國發(fā)生典型管道環(huán)焊縫失效事件6起，其中4起發(fā)生在服役初期、 2起發(fā)生在水壓試驗期間； 2起為高頻電阻焊鋼管、 4起為螺旋縫埋弧焊鋼管； 1起為材質(zhì)X52， 4起為材質(zhì)X70， 1起為X70―X80過渡焊。 X70管道的4起失效焊口全部采用手工電弧焊焊接， X70―X80過渡失效焊口為藥芯焊絲填充和蓋面。這6起失效事件，具有以下共同特征：①其中5起不存在焊接缺陷。②鋼管化學(xué)成分、強度符合要求；③組對、焊接及檢測符合API 1104―2013要求。④由于地面沉降等因素，導(dǎo)致普遍存在彎曲載荷。⑤焊縫拉伸強度和韌性符合要求，失效為塑性斷裂，而非脆性斷裂。目前分析認(rèn)為，這6起事件失效的原因主要與焊縫低強匹配、熱影響區(qū)軟化和局部附加載荷有關(guān)。主要理由有：①在ADB―09―01公告后，鋼管制造企業(yè)嚴(yán)格控制管材屈服強度值波動范圍，實際管材屈服強度更接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限，導(dǎo)致真實管材屈服強度遠(yuǎn)高于最小屈服強度，造成實際環(huán)焊縫為低強匹配。②鋼管制造采用低合金化，主要依靠控軋控冷技術(shù)來保證管材強度，這導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)氫致開裂敏感性降低、熱影響區(qū)軟化敏感性增加。③在管道實際建造和運行過程中，軸向應(yīng)力普遍存在。

問：國外高鋼級管道環(huán)焊縫相關(guān)研究進展如何？

答：為了研究和解決環(huán)焊縫失效問題，美國管道行業(yè)19家單位啟動工業(yè)聯(lián)合研究項目（JIP），旨在解決高鋼級管道焊接問題，完善規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為高鋼級管道工程應(yīng)用提供支持。同時國際管道聯(lián)合會也加大研究力度，針對高鋼級管道擬重新制定拉伸強度測試標(biāo)準(zhǔn)、重新制定屈服強度取值定義、完善焊接缺陷的評價方法等，希望從技術(shù)上降低環(huán)焊縫失效的風(fēng)險。

目前上述研究還未形成最終結(jié)論，但已達(dá)成一些共識，主要包括：①現(xiàn)行鋼管制造規(guī)范（API 5L）和現(xiàn)場焊接規(guī)范（API 1104）不能保證真實環(huán)焊縫具有良好的塑性。②管材實際強度過高，導(dǎo)致真實焊接接頭為低強匹配，環(huán)焊縫成為最薄弱環(huán)節(jié)。③要系統(tǒng)考慮管材煉鋼，鋼管制造，焊接方法及工藝評定，管道設(shè)計、安裝及服役條件一致性等諸因素，對管道最終真實性能和安全的影響。

此外，美國愛迪生焊接研究所在2006年的一份研究報告中指出：①X80/X100焊接接頭設(shè)計應(yīng)采用過強匹配原則，為確保焊縫實際強度高于母材強度，工程中會選擇更高等級的焊材，即X80選擇X90，甚至X100鋼級的焊材，如X80選擇E9018M或E101T1 ―GM等焊材，這種方法提高了焊縫強度，但往往導(dǎo)致韌性下降。②X80/X100焊縫的實際屈服強度、韌性對焊接冷卻速度(與焊接線能量、預(yù)熱溫度、預(yù)熱溫度和層間溫度等有關(guān))極為敏感，冷卻速度的細(xì)微變化，可能會導(dǎo)致焊縫強度和韌性發(fā)生較大變化，有可能造成實際焊縫呈低強匹配，也有可能造成焊縫高強度、低韌性。因此，高鋼級管道焊接過程控制要非常嚴(yán)格，且非常重要。

在標(biāo)準(zhǔn)修訂方面，由美國石油工程師學(xué)會(API)和美國氣體協(xié)會(AGA)組建的油氣管道現(xiàn)場焊接聯(lián)合技術(shù)委員會正在考慮對API 1104進行修訂、改版。此次修訂的重大變化有：①可能將API 1104進行拆分，分為普通管材和高鋼級管材兩部分。②對高鋼級管道的強度匹配、熱影響區(qū)軟化問題，提出應(yīng)對措施。③對API 1104―2013的一些模糊、籠統(tǒng)的表述和規(guī)定進行修改。

問：對我國高鋼級管道應(yīng)用及研究有何建議？

答：從國外研究來看，高鋼級管道焊接與傳統(tǒng)低鋼級管道焊接存在較大差異、且難度較大。美國高鋼級管道失效案例與我國中緬天然氣管道事故、泰青威管道事故有相似之處，但也不完全相同。比如， 2010 年以后，美國的6起失效案例，大多是沿?zé)嵊绊憛^(qū)的塑性斷裂，而國內(nèi)幾起事故全部為貫穿焊縫縱斷面的脆性斷裂。當(dāng)前，我國管道行業(yè)已經(jīng)認(rèn)識到國內(nèi)高鋼級管道環(huán)焊縫焊接及檢測方面存在的不足，政府監(jiān)管部門對此也非常重視，國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)批示，要求市場監(jiān)管總局牽頭開展高鋼級天然氣輸送管道焊接及檢測標(biāo)準(zhǔn)研究。目前市場監(jiān)管總局委托中國特檢院牽頭，聯(lián)合高校、研究院所和中石油、中石化、中海油等相關(guān)單位，組建了聯(lián)合研究項目組，編制專項研究方案，啟動了相關(guān)研究工作。因此，結(jié)合國內(nèi)實際情況，建議做好以下工作。

（1）集中全行業(yè)力量開展聯(lián)合攻關(guān)，加快高鋼級管道強度匹配、焊接及檢測、基于應(yīng)變的斷裂評價等方面的研究工作，揭示失效機理及主要影響因素，優(yōu)化焊接及檢測工藝，完善焊接、缺陷評定、質(zhì)量管控相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（2）針對在役高鋼級管道，首先要考慮原焊接工藝、施工質(zhì)量、失效案例等因素，進行風(fēng)險辨識和風(fēng)險評估，按照風(fēng)險評估結(jié)果，有序開展環(huán)焊縫隱患排查。高風(fēng)險部位要加強地質(zhì)災(zāi)害管理、應(yīng)力分析和應(yīng)力監(jiān)測，同時結(jié)合高后果區(qū)管理等要求，提升風(fēng)險管控和應(yīng)急處置能力，防范重特大事故發(fā)生。

（3）對新建高鋼級管道工程，首先要提高認(rèn)識，要按照全生命周期完整性管理的思路，從規(guī)劃設(shè)計、管材制造、焊接工藝、焊接過程控制、無損檢測、施工與設(shè)計一致性等方面進行優(yōu)化和控制，引入第三方監(jiān)督機制，加強管道安裝質(zhì)量管控，切實提升管道本質(zhì)安全水平。

（4）對于高鋼級管材等新材料、新工藝的使用，應(yīng)按照《特種設(shè)備安全法》要求，由監(jiān)管部門組織經(jīng)技術(shù)評審合格后，方可投入生產(chǎn)和使用。

簡介：何仁洋，博士，研究員，中國石油大學(xué)（北京）研究生兼職導(dǎo)師，中國特種設(shè)備檢測研究院副院長，國家市場監(jiān)管總局壓力管道安全技術(shù)中心主任，國家市場監(jiān)管總局油氣管道工程技術(shù)研究中心副主任，“國務(wù)院政府特殊津貼”獲得者。長期從事油氣管道等壓力管道安全檢驗檢測評價技術(shù)服務(wù)工作。主要研究方向為油氣管道失效分析、檢驗監(jiān)測、腐蝕與防護、風(fēng)險評價、綠色延壽、完整性管理等安全保障技術(shù)。