為解決高鋼級管道環焊縫失效難題，提升中國油氣管道安全性，系統分析了管道環焊縫失效的影響因素，發現管道環焊縫失效是

附載入荷、缺陷、效能劣化以及應變集中綜合作用

的結果。引起環焊縫應變集中的最關鍵原因是不等壁厚（包括鋼管幾何尺寸問題導致的錯邊），以及焊縫或熱影響區軟化導致的低強匹配問題。

管道環焊縫失效原因

大量研究表明，管道在試壓和執行前期發生環焊縫失效的原因包括

環焊縫焊接缺陷、環焊縫效能不合格、變壁厚或錯邊、焊接接頭低強匹配

以及各種因素

導致的附載入荷

。

01

環焊縫焊接缺陷

由於管道焊接工藝、焊接條件、操作等原因，環焊縫記憶體在

氣孔、夾渣、裂紋、未熔合

等缺陷，在應力作用下裂紋在缺陷處萌生及擴充套件，造成環焊縫失效。

02

環焊縫效能不合格

環焊縫效能不合格主要指焊縫或熱影響區的衝擊韌性不符合要求。較高的韌性可以延緩甚至阻止裂紋啟裂及擴充套件。若環焊縫韌性不足與低強匹配同時存在，管道承受軸嚮應力時則更易發生失效。

03

變壁厚或錯邊

管道變壁厚焊接容易產生焊接缺陷，且在受力時容易形成應力集中。幾乎所有的結果都顯示環焊縫失效與軸嚮應力有關，無論焊縫是否有缺陷都是如此。錯邊是管道對接中普遍存在的情況，幾乎所有焊口兩側都存在不同程度的錯邊。錯邊的存在客觀上減少了環焊縫有效承載面積，容易形成應力集中。

01

焊接接頭低強匹配以及附載入荷

很多帶有環焊縫焊接缺陷的管道在執行過程中並未發生環焊縫失效事故，這表明焊接缺陷並非環焊縫失效的充分條件。

05

綜合分析結果

大量研究表明，管道環焊縫失效是

附載入荷、缺陷、效能劣化

以及

應變集中

綜合作用的結果。其中，附載入荷與應變集中是直接原因，也是必要條件。缺陷、不等壁厚、焊縫及熱區低匹配等是引起應變集中、裂紋萌生的因素，也是環焊縫失效的內在因素，這些因素單獨存在時不是失效的必要條件，但卻是加速管道環焊縫失效的重要因素。韌性不足，也是加速應變集中區域失效的重要因素。

現有應對措施及面臨問題

01

自動焊+嚴格的無損檢測

大量對比研究表明，

採用自動焊的焊縫質量及效能顯著優於半自動焊、手工焊

。因此，在近年的管道建設中，全自動焊接工藝及技術得到廣泛推廣應用。

02

提高管材質量標準

● 化學成分

管材的化學成分對於環焊熱影響區的強韌性起關鍵性的作用，同時合金過渡對環焊縫的強韌性也有一定影響。

● 拉伸效能

在拉伸效能方面，為便於實現焊接接頭的等強匹配與高強匹配，自中俄東線開始，結合中國自身生產控制水平，對管材的強度範圍進行了更加嚴格的限制。

根據直縫埋弧焊鋼管拉伸效能實物統計結果（表1）可知：與橫向相比，

縱向具有較低的屈服強度和抗拉強度，這有利於環焊縫形成等強以及過強匹配。

表1 直縫埋弧焊鋼管拉伸效能強度統計表

● 幾何尺寸

在幾何尺寸方面，為適應現場自動焊接的要求，對鋼管管端不圓度、周長差等提出了嚴格要求。

03

消除不等壁厚焊接

為消除不等壁厚焊接的不利影響，中俄東線北段首次在彎管、管件產品上採用內錐孔型坡口，使對接部分成為等壁厚對接。

04

管道環焊縫質量提升面臨的主要問題

圍繞上述方向進一步提升管道環焊縫質量的難度加劇，仍存在以下問題：

為改善管材的可焊性，進一步優化合金元素的方向不明確。

為實現過強匹配，進一步加嚴管材強度區間面臨困難。

進一步改善鋼管不圓度及周長差的難度極大。

為改善管材的可焊性，進一步優化合金元素的方向不明確。

環焊縫接頭實現高強韌性匹配難度仍較大。

新型管材開發

01

技術思路

提高結構承載能力的方法至少有兩種：

一是提高材料自身的強韌性；另一種是增加結構的有效尺寸，如厚度

。對於管道環焊縫，目前所有研究均著眼於提高材料自身的強韌性。在此提出一種結構增強（圖1）的方法：對管端進行增材加厚，再進行管端機械精加工，大幅提高管端精度；透過增厚的管端大幅提高環焊縫承載面積，達到結構補強效果，使環焊縫及熱影響區的承載能力大幅提升，實現高強高韌匹配。

圖1 新型管材對接示意圖

02

試驗產品開發

基於上述思路進行試驗鋼管的開發。選用的試驗鋼管為用於中俄東線南段專案的X80、D1219mm×22mm鋼管。採用埋弧焊堆焊的方式進行管端增厚，堆焊過程中嚴格控制熱輸入，以控制電弧熔化母材的深度，避免管端變形。

● 幾何尺寸

精加工完畢後（圖2），管端加厚部分壁厚為26。4mm，較鋼管原始壁厚增加了20％。對兩個管端不圓度、周長進行測量，管端不圓度均小於0。5mm，管端外周長分別為3852。5mm、3853。0mm，周長差為0。5mm。

圖2 精加工後的新型管材試驗鋼管實物圖

● 理化效能試驗

透過理化效能試驗觀察管端加厚部分的宏觀形貌（圖3），可見，採用堆焊方法制成的加厚層與母材之間形成完全的冶金結合。

圖3 新型管材理化效能試驗鋼管管端加厚部分宏觀形貌圖

● 焊接接頭承載能力

為模擬新型管材環焊接頭的承載能力，從管端取兩塊試板進行組對焊接，焊接坡口為非對稱的雙V坡口，焊接方式為手工電弧焊。焊接完成後，以對接焊縫為中心，從焊接接頭取橫向拉伸試樣，拉伸試樣的標距不小於80mm，在標距中心55mm範圍內保留加厚層；試驗時，將引伸計夾持在加厚部分，測量在拉伸試驗過程中加厚層的形變情況，透過裝置位移近似測量標距範圍內金屬在拉伸過程中的形變情況（圖4）。試樣最終斷裂於標距內的非加厚部分（圖5）。

圖4 新型管材換焊接頭拉伸試驗過程的變形—力曲線

圖5 新型管材環焊接頭拉伸試樣及斷裂位置圖

結果表明：

在受拉伸載荷過程中，當載荷較小時，整個試樣發生彈性變形，而加厚的焊接接頭彈性變形很小，這表明變形被分散到其它區域；隨著載荷的增加，試樣變形與載荷的關係偏離直線，即試樣發生了塑性變形；雖然隨著載荷增加，試樣的塑性變形量快速增加，但加厚部分僅發生少量的塑形變形，非加厚部分承擔了載荷引起的絕大部分變形。

結論

1）

管道環焊接頭失效是載荷以及在載荷作用下

環焊接頭區域性應力、應變集中

的結果，

缺陷、不等壁厚、焊縫或熱區低匹配等是引起應變集中、裂紋萌生的重要因素。

2）

目前，透過自動焊工藝、嚴格的無損檢測及提高管材的技術質量要求，

管道環焊接頭質量已得到大幅提升

。進一步提升高鋼級管道環焊接頭安全性面臨技術瓶頸和挑戰，主要表現為：

管材效能和幾何尺寸精度的提升空間越來越小，實現環焊接頭尤其是熱影響區高強韌性匹配、高彎曲抗力的難度仍較大。

3）

設計開發了一種管端具有

增厚、增強層的新型管材

，其管端具有極高的幾何尺寸精度，管端周長差、不圓度均接近於0，

大幅提高管道應對外載以及應變的能力

，可為現場高效對接、提高焊接質量提供良好的條件，顯著提升管道安全性。

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