中俄东线天然气管道环焊缝断裂韧性的确定

    中俄东线黑河-长岭段干线工程冬季施工不可避免，施工中，管道在吊装下沟时，在合理布置吊管机吊点间距的情况下，其轴向应力值最高可达屈服强度的80％，管道环缝与轴向应力正好相交，成为管道吊装下沟过程中的最薄弱环节。考虑到管道沿线最冷月平均气温为－25.5 ℃，在此温度下进行吊装作业可能发生管道环缝低温脆性断裂的情况，因此环缝低温韧脆问题需要特别关注，即环缝不仅需要满足管道运行阶段不起裂韧性要求，还要满足施工期间吊装过程中不发生低温脆性断裂的要求。对于油气管道环焊缝的断裂韧性，在以往我国西气东输一线、西气东输二线等工程中，均是参照管体焊缝提出的，该韧性值为国内经验做法，缺乏理论支持。目前，中石油体系文件没有对断裂韧性值提出具体规定，仅要求夏比冲击试验温度和冲击吸收功值由设计文件规定。中国石油管道局工程有限公司针对中俄东线黑河—长岭段干线准1 422 mm管道的环焊缝断裂韧性指标，通过对比分析国内外标准要求及近期最新的科研成果，结合理论计算进行分析和确定，确保管道环焊缝施工及服役安全性。 
    在环缝断裂韧性指标方面，我国标准GB/T31032—2014《钢质管道焊接及验收》和SY/T 0452—2012《石油天然气金属管道焊接工艺评定》给出了环缝低温韧性的要求。国外标准中，ISO 13847—2013《石油和天然气工业·管道输送系统·管道焊接》、美国标准API 1104—2013《管道和相关设施的焊接》、澳大利亚标准AS 2885.2—2007《气体与石油液体管道第2部分：焊接》及俄罗斯标准ГОСР 55989—2014《干线管道设计规范》均对环焊缝低温韧性有规定。研究人员综合上述因素认为：国内外标准对环焊缝断裂韧性要求基本一致，即在试验温度下，3个试样夏比冲击吸收功平均值≥40 J，单个试样最低值≥30 J；对于试验温度，除俄罗斯要求为－20～－40 ℃，其余标准均要求在最低设计温度下进行环焊缝冲击试验；这些标准均是对不同钢级钢管环焊缝冲击韧性的最低要求，在应用于实际项目中时，还需要根据工程实际进行论证。
    中国石油股份有限公司“油气管道环焊缝质量控制关键技术研究”课题组，针对X80钢管环焊缝进行了不起裂韧性指标研究，并对环焊接头的质量影响因素进行了研究与分析。结合管道服役状况，采用数值模拟计算方法，通过宽板拉伸试验、系列温度夏比冲击试验等进行了验证与校核，提出了X80管道环焊缝的夏比冲击韧性CVN指标，即焊缝和熔合线处的最小平均值为50 J，最小冲击吸收功单值为38 J。
    通过对比分析国内外标准对环焊缝冲击韧性的要求，并利用失效评估图FAD计算了本工程含缺陷环焊缝不起裂韧性指标，结合相关课题研究成果，确定了中俄东线黑河-长岭段干线准1 422 mm的X80M管道环焊缝韧性指标，具体要求如下：对于焊缝全尺寸试样，每组（3个）试样的夏比冲击吸收功平均值应不小于50 J；单个试样的冲击吸收功值最小值应不小于38 J。由于中俄东线黑河-长岭段一般段埋地管道夏比冲击试验温度取－10 ℃，而环焊缝在埋地工况下的环境条件与管体一致，所以为保证环焊缝在运行期间的韧性要求，应进行与管体相同温度即－10 ℃下的夏比冲击试验，并满足上述指标要求。
    需要指出的是，在管道施工阶段整体吊装下沟时，管道环焊缝与轴向应力正好相交，管道吊装下沟过程中环焊缝受一定的拉应力。因此，在吊装下沟过程中，必须控制好吊点间距和吊装力，以控制环焊缝所受的纵向应力水平，并防止吊管机倾覆和滚管事故发生。为避免冬季施工（尤其是吊装下沟）管道环焊缝低温脆性开裂风险，同时根据不同焊接工艺下的环焊缝韧脆转变温度情况，合理确定寒冷条件下的管道吊装下沟温度下限值，在进行焊接工艺评定时，应进行环焊缝韧脆转变温度曲线测定，并提供0，－10，－20，－30，－45 ℃和－60 ℃下的夏比冲击吸收功值，并根据最终的试验结果确定吊装下沟的温度下限值。
    研究成果不仅确保中俄东线天然气管道环焊缝施工及服役安全性，同时也为我国类似管道工程合理选择环焊缝性能参数提供参考。