楊合建 邢曉永

國家管網(wǎng)集團(tuán)（福建）應(yīng)急維修公司

摘要：本文針對工業(yè)園區(qū)在役管道因軟弱地基和外部載荷變化等多因素造成的屈曲變形，進(jìn)行宏觀檢測、無損檢測、理化性能及周邊環(huán)境變化綜合分析，確定屈曲變形產(chǎn)生主要原因，提出隱患治理和風(fēng)險消減措施，為工業(yè)園區(qū)內(nèi)類似管道失效分析和本質(zhì)安全管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：屈曲變形；拉伸實驗；刻槽錘斷；內(nèi)弧側(cè)；外弧側(cè)

某天然氣管道設(shè)計壓力7.5 MPa，常年運(yùn)行壓力4 MPa～6 MPa，2006年建成，當(dāng)時通過某區(qū)域水田，為淤泥質(zhì)軟基。由于地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，該區(qū)域于2014年規(guī)劃建成工業(yè)園區(qū)。周邊環(huán)境變化包含工業(yè)園區(qū)建筑物、覆土、公路、車輛動載等。該屈曲彎管上游兩側(cè)建筑載荷對稱擠壓軟基，使彎管上游直管段受到平衡的推力，相當(dāng)于固支。

2019年6月，在進(jìn)行管線內(nèi)檢測過程中，發(fā)現(xiàn)1處約10%變形量的信號嚴(yán)重異常點。經(jīng)開挖驗證為屈曲變形，位于55°彎頭本體上（水平彎），實測最大變形量為44.5 mm（11%），同年7月，該變形彎管完成不停輸換管。

1  缺陷管體檢測與分析

為進(jìn)一步明確缺陷成因，結(jié)合周邊自然環(huán)境變化，從宏觀檢測、無損檢測、理化性能和綜合分析等方面，對缺陷管體進(jìn)行檢測與分析。

1.1  宏觀檢測

屈曲位于熱煨彎頭外弧側(cè)，原環(huán)氧粉末防腐層完全脫落，內(nèi)弧側(cè)防腐層局部脫落，其他未完全脫落的防腐層存在環(huán)向裂紋（圖 1）。熱煨彎頭全長約3.4 m，其中彎管長約3.2 m，對接直管長250 mm，彎曲角27.6°。

在彎管外表面標(biāo)記軸向等間距分布的環(huán)套，相鄰環(huán)套軸向間隔100 mm。采用直尺投影法測量每個環(huán)套水平直徑，采用軟尺測量周長，并計算圓度，計算證明彎管變形后直徑和圓度出現(xiàn)了不均勻現(xiàn)象，其中屈曲處和下游變形較大，屈曲上游變形較小，計算結(jié)果如圖 2所示。

圖 1 熱煨彎頭防腐層形貌

圖 2 彎管圓度變化

采用游標(biāo)卡尺對屈曲高度和寬度進(jìn)行測量。屈曲環(huán)向分布于外弧側(cè)1:00至5:00，最大高度位于3:00，高約28 mm，屈曲軸向?qū)挾燃s60 mm～80 mm（圖 3）。屈曲寬度沿環(huán)向從中間到兩邊逐漸增大，屈曲高度沿環(huán)向從中間到兩邊逐漸降低。

圖 3 屈曲幾何特征測量

在屈曲部位畫等距網(wǎng)格，環(huán)向網(wǎng)格線以15分鐘為間隔，軸向網(wǎng)格線以20 mm為間隔（圖 4）。采用超聲波測厚儀對17×15個點進(jìn)行了壁厚測量，結(jié)果見圖 5，與未變形處相比，屈曲處壁厚增大。

圖 4 屈曲處壁厚測量網(wǎng)格

圖 5 屈曲處壁厚云圖

1.2  無損檢測

依據(jù)SY/T 4109―2005《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測》，對熱煨彎頭環(huán)焊縫和屈曲部位進(jìn)行磁粉、超聲檢測和射線檢測，均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。對熱煨彎頭取樣，取樣位置如圖 6所示，進(jìn)行化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能檢測。檢測表明，直管段、上游環(huán)焊縫、彎管直管段、外弧側(cè)、內(nèi)弧側(cè)、屈曲處的力學(xué)性能符合要求。將屈曲處與未屈曲部位的力學(xué)性能進(jìn)行對比，屈曲處材料屈服強(qiáng)度增高，硬度增大，韌性下降，但相關(guān)力學(xué)性能仍高于標(biāo)準(zhǔn)。

圖 6 理化性能取樣示意圖

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對直管段、彎管直段管體和屈曲部位材料進(jìn)行化學(xué)成分分析、氮（N）元素分析和金相組織、晶粒度分析，金相分析取樣，相關(guān)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)焊縫金相組織無異常，屈曲部位的金相組織發(fā)生變形，屈曲部位與非屈曲部位的組織一致，均為PF+B粒+少量P，晶粒度均為10～11級。

2  綜合分析

屈曲彎管周邊公路2010～2011年建成，2013年進(jìn)行的第一次內(nèi)檢測未發(fā)現(xiàn)屈曲，2014年工業(yè)園區(qū)建成，2019年進(jìn)行的第二次內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)屈曲。在形成彎管屈曲的時間段內(nèi)，主要的環(huán)境變化是工業(yè)園區(qū)的建設(shè)，因此可以判斷，屈曲應(yīng)是在工業(yè)園區(qū)建設(shè)過程中逐步形成。

一般來說，彎管發(fā)生失效的可能影響因素有管段材料性能、管道運(yùn)行工況變化、下游公路的影響、工業(yè)園區(qū)建筑施工影響以及彎管處淤泥質(zhì)軟基等因素。通過以上分析，彎管本體、環(huán)焊縫及直管段理化性能檢驗結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，管段材料性能未發(fā)現(xiàn)異常，該類因素可以排除。管道運(yùn)行工況長期低于設(shè)計壓力，流速低于10 m/s，滿足管道內(nèi)氣壓波動，管道運(yùn)行工況變化因素也可以排除。公路建成之后2013年進(jìn)行的第一次內(nèi)檢測未發(fā)現(xiàn)屈曲變形，車輛動載對下游管道產(chǎn)生的垂直向下載荷不會造成彎管的實際屈曲形成，因此，公路建設(shè)和車輛動載因素也被排除。

從時間維度分析，屈曲應(yīng)是在工業(yè)園區(qū)建設(shè)過程中逐步形成的。分析屈曲彎管周邊建筑活動情況，建筑施工等載荷擠壓軟基向周圍移動，下游管段與2號樓距離最近，受軟基移動的影響向遠(yuǎn)離2號樓方向偏移，在管系約束情況下，使彎管受到彎矩及軸向載荷作用。因此，2號樓的建設(shè)造成彎管屈曲可能性最大。

3  結(jié)語

外部載荷擠壓地下軟基可以引起管道局部偏移，偏移過程中局部應(yīng)力集中造成管道失效的概率很大。因此，在線路日常巡護(hù)過程中，應(yīng)加強(qiáng)工業(yè)園區(qū)管線地面環(huán)境和建設(shè)作業(yè)情況的監(jiān)測，包括地面沉降、第三方施工等，若發(fā)現(xiàn)異常的環(huán)境變化，應(yīng)及時進(jìn)行風(fēng)險分析，采取必要的預(yù)防措施。若無有效措施，也可考慮換管或改線，徹底解決隱患。同時加強(qiáng)對地質(zhì)情況和彎管應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，掌握彎管的服役狀態(tài)。對于其他處于軟基中的管道，沿線的建筑工程也會帶來類似風(fēng)險，應(yīng)開展專項隱患排查，確保管道本質(zhì)安全。

作者簡介：楊合建，1982年生，本科，國家管網(wǎng)集團(tuán)（福建）應(yīng)急維修有限責(zé)任公司焊接經(jīng)理，主要從事大型LNG接收站檢維修、應(yīng)急搶修、長輸石油天然氣管道不停輸開孔封堵、帶壓焊接、設(shè)備設(shè)施完整性管理相關(guān)工作。聯(lián)系方式：13799667213，13799667213@139.com。