近距離爆破開挖管溝對(duì)已建并行管道環(huán)焊縫缺欠的影響研究

趙 巖，周亞薇，趙 珍

1.中國石油天然氣管道通信電力工程有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊 065000

3.廊坊市圖書館，河北廊坊 065000

對(duì)于石方地段不同時(shí)期建設(shè)的并行管道，后建管道如果采用爆破方式開挖管溝，則可能會(huì)影響已建管道的安全。根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)后建管道爆破施工時(shí)通常應(yīng)控制并行間距在20 m以上，且控制爆破產(chǎn)生的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度在14 cm/s以內(nèi)，以消除安全隱患。但在實(shí)際管道建設(shè)中，由于受地形、地物或規(guī)劃等因素限制，管道并行間距常常無法滿足20 m并行凈距；且由于受沿線地質(zhì)條件及環(huán)境因素等影響，往往需要采用爆破方式開挖管溝。此外，在已建管道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫的焊接過程中不可避免地會(huì)保留焊接缺欠；而在運(yùn)行階段，環(huán)焊縫缺欠可能會(huì)受到由內(nèi)壓、地面移動(dòng)、懸空和熱應(yīng)力等載荷帶來的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用，隨著應(yīng)力的波動(dòng)或載荷的變化，建設(shè)期存在的缺欠可能進(jìn)一步增長(zhǎng)。因此，當(dāng)采用爆破方式開挖近距離并行管溝時(shí)，應(yīng)在控制振動(dòng)速度的基礎(chǔ)上，采取定量計(jì)算，科學(xué)合理地評(píng)價(jià)近距離并行管道爆破施工對(duì)已建管道環(huán)焊縫缺欠的影響，從而為已建管道環(huán)焊縫缺欠的維修提出指導(dǎo)意見，并為并行管道爆破施工提供安全保障[1-2]。

1 概述

為避免沿線林區(qū)過度砍伐，中俄原油管道二線工程（漠大二線） 與已建中俄原油管道漠河—大慶段（漠大線，管道基本情況見表1） 并行敷設(shè)間距確定為10 m。根據(jù)漠大二線的初勘資料，全線約1/2路由途經(jīng)地區(qū)為石方或凍土地段，巖石多為全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化的砂巖和花崗巖，主要石方分布范圍內(nèi)依次設(shè)置漠河站、塔河站、加格達(dá)奇站和訥河站。為了縮短工期，并降低施工難度，漠大二線將采用爆破方式進(jìn)行石方段或凍土段管溝開挖。并行凈距小于20 m的管溝爆破開挖在國內(nèi)管道建設(shè)中尚屬首次。

表1 漠大線管道基本情況

本文結(jié)合漠大線的設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行情況，在管道組合應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，采用雙重環(huán)焊縫缺欠評(píng)估法，即通過直接評(píng)估和工程臨界評(píng)估兩個(gè)步驟，確定在執(zhí)行漠大二線的石方爆破施工方案情況下，漠大線全線環(huán)焊縫缺欠的安全可靠程度，并提出缺陷的維修意見，指導(dǎo)管溝爆破施工。

2 管道應(yīng)力分析

正常運(yùn)行情況下，埋地管道所受的荷載主要為管道內(nèi)壓力、土壤約束力和溫差導(dǎo)致的熱膨脹作用力，以及應(yīng)變等引起的彎曲應(yīng)力等。對(duì)于與漠大二線爆破施工段并行的漠大線，除上述應(yīng)力外，還將受到巖土爆破產(chǎn)生的爆破應(yīng)力的作用。

2.1 爆破應(yīng)力

假設(shè)爆破采用毫秒級(jí)延時(shí)爆破，則將其視為點(diǎn)源爆破。PRCI（國際管道研究協(xié)會(huì)） 于1975年資助SWRI（美國西南研究院）針對(duì)埋地爆破對(duì)管道的影響開展了較為系統(tǒng)的研究，特別是小于30 m的情況。SWRI通過收集已有爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并補(bǔ)充完成了103組模擬和全尺寸試驗(yàn)，分別按點(diǎn)源、線源和網(wǎng)格源分類提出了計(jì)算爆破導(dǎo)致的質(zhì)點(diǎn)峰值振速和位移，以及環(huán)向和軸向應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式[3-4]，其中點(diǎn)源爆破的質(zhì)點(diǎn)峰值振速按式（1）計(jì)算：

式中：U為質(zhì)點(diǎn)峰值振速，cm/s；c為沖擊波在介質(zhì)中的傳播速度，cm/s；P0為大氣壓強(qiáng)，MPa；ρ為土體或巖石的密度，g/cm3；We為爆破藥量，kg；R為爆破距離，m；h為管道壁厚，mm。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為爆破引起的環(huán)向和軸向應(yīng)力同時(shí)達(dá)到最大，采用式（2） 計(jì)算：

式中：σ為環(huán)向或軸向應(yīng)力，MPa；E為鋼管的彈性模量，MPa；n為炸藥的當(dāng)量值，常數(shù)；W為爆破藥量的能量值，J。

根據(jù)漠大二線的石方爆破方案，爆破距離為10 m，允許的爆破振動(dòng)速度為10 cm/s。針對(duì)漠大線的壁厚規(guī)格11.0、12.5、14.2、16.0、17.5 mm，先采用式（1） 根據(jù)允許的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度確定單次爆破藥量，再采用式（2） 計(jì)算爆破引起的附加軸向荷載，結(jié)果見表2。

表2 漠大二線爆破對(duì)漠大線產(chǎn)生的爆破應(yīng)力

2.2 組合應(yīng)力

統(tǒng)計(jì)分析漠大線的歷史運(yùn)行壓力，通過相同月份的出站最高壓力來確定管道內(nèi)壓，同時(shí)結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)的管道沿線壓力曲線，避免高程對(duì)壓力的影響，分別確定不同設(shè)計(jì)工況下環(huán)焊縫所承受的由內(nèi)壓而引起的軸向應(yīng)力；統(tǒng)計(jì)分析漠大線的歷史運(yùn)行溫度，通過相同月份的最低出站溫度確定運(yùn)行溫度，出于保守考慮，采用安裝最高溫度和運(yùn)行最低溫度計(jì)算不同設(shè)計(jì)工況下環(huán)焊縫所承受的由溫差而引起的軸向應(yīng)力；按照GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》 中規(guī)定的內(nèi)壓應(yīng)力和溫差應(yīng)力的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，得到漠大線環(huán)焊縫所承受的由內(nèi)壓和溫差而引起的軸向應(yīng)力結(jié)果，見表3。

對(duì)于應(yīng)變引起的彎曲應(yīng)力，根據(jù)慣性測(cè)量單元IMU監(jiān)測(cè)的結(jié)果，管道環(huán)焊縫處的水平應(yīng)變和垂直應(yīng)變?cè)诓煌瑫r(shí)間段內(nèi)的相應(yīng)值變化不大，應(yīng)變值均能控制在0.1%范圍內(nèi)，管道整體保持穩(wěn)定水平。出于保守考慮，將管道應(yīng)變統(tǒng)一按照0.1%考慮，則焊口處的彎曲應(yīng)力Pb=0.1%×2.06×105=206（MPa）。

將內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力、溫差引起的軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和爆破應(yīng)力統(tǒng)籌考慮為一次薄膜應(yīng)力，參與環(huán)焊縫的工程臨界評(píng)估計(jì)算，得到各個(gè)管段不同設(shè)計(jì)工況的組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，見表3。

表3 漠大二線管道軸向應(yīng)力水平

3 環(huán)焊縫缺欠特征

管道環(huán)焊縫缺欠可以分為體積型和平面型兩類。體積型主要包括夾渣、氣孔、表面凹坑等，平面型主要包括裂紋、未熔合、未焊透以及存在尖銳夾角的咬邊等。兩類缺欠相比，裂紋、未熔合等平面型缺欠更容易造成環(huán)縫斷裂失效[5-8]。本次無損檢測(cè)檢出的環(huán)焊縫異常多為咬邊，且無相鄰缺欠。因此，假定管道環(huán)焊縫缺欠均按內(nèi)表面平面型缺欠考慮，如圖1所示。

采用高精度漏磁內(nèi)檢測(cè)器對(duì)漠大線全線進(jìn)行環(huán)焊縫無損檢測(cè)，結(jié)果顯示漠河站—塔河站環(huán)焊縫缺欠128處、塔河站—加格達(dá)奇站環(huán)焊縫缺欠132處、加格達(dá)奇站—訥河站環(huán)焊縫缺欠693處。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，管道環(huán)焊縫大部分檢出缺欠尺寸均分布在30%壁厚的高度和400 mm的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，全部環(huán)焊縫缺欠高度均未超過50%壁厚，見圖2。

圖1 圓周方向的內(nèi)表面缺欠

圖2 環(huán)焊縫異常尺寸分布

4 環(huán)焊縫缺欠評(píng)估

對(duì)于管道環(huán)焊縫的缺欠評(píng)估，管道缺欠評(píng)價(jià)手冊(cè)（PipelineDefectAssessmentManual，簡(jiǎn)稱PDAM）推薦首先采用由歐洲管道研究協(xié)會(huì)（European Pipeline Research Group，簡(jiǎn)稱EPRG） 研究得到的EPRG指南。EPRG指南分為3個(gè)等級(jí)的評(píng)估，包含了基于施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定的驗(yàn)收準(zhǔn)則和基于適應(yīng)性分析原理制定的缺欠可接受極限。其中，等級(jí)1根據(jù)焊接驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定缺欠的可接受尺寸；等級(jí)2和等級(jí)3基于適用性原理制定缺欠的尺寸極限，等級(jí)2和等級(jí)3規(guī)定的可接受尺寸要大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。對(duì)于不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或者EPRG指南中規(guī)定的缺欠驗(yàn)收準(zhǔn)則的環(huán)焊縫缺欠，采用BS 7910規(guī)定的流程進(jìn)行工程臨界評(píng)估（Engineering Critical Assessment，簡(jiǎn)稱ECA）[9-12]。為了確定并行管道近距離爆破施工對(duì)在役漠大線環(huán)焊縫的安全影響，特結(jié)合PDAM的評(píng)估流程制定了包含直接評(píng)估和工程臨界評(píng)估的雙重環(huán)焊縫缺欠評(píng)估法。

4.1 直接評(píng)估

根據(jù)PDAM規(guī)定的缺欠可接受準(zhǔn)則（見表4），將檢測(cè)到的環(huán)焊縫缺欠按照缺欠高度分為4類。以此為原則進(jìn)行環(huán)焊縫缺欠的直接評(píng)估。以塔河站—加格達(dá)奇站的管段為例，評(píng)估不合格的缺欠總數(shù)共計(jì)778個(gè)。

表4 單個(gè)平面缺欠的可接受極限尺寸

4.2 工程臨界評(píng)估 （ECA）

針對(duì)直接評(píng)估不合格的缺欠，開展基于BS 7910的ECA評(píng)估，以確定其在特定運(yùn)行工況和載荷作用下環(huán)焊縫的安全可靠性。工程臨界評(píng)估方法以斷裂力學(xué)原理為基礎(chǔ)，是一種以失效評(píng)估圖（Failure Assessment Diagram，簡(jiǎn)稱FAD） 為依據(jù)展開的適用性評(píng)價(jià)方法。失效評(píng)估圖通過應(yīng)力分析和材料分析，將斷裂韌性比和載荷比作為失效評(píng)估圖的兩個(gè)重要決定性因素。FAD圖上有兩條分界線，一條是失效評(píng)定曲線，為彈塑性斷裂評(píng)定準(zhǔn)則；另一條是以Lr=Lr（max）為邊界的截止線，是塑性破壞評(píng)定準(zhǔn)則。對(duì)于含缺欠結(jié)構(gòu)的給定狀態(tài)，通過計(jì)算相應(yīng)的韌性比Kr和載荷比Lr，得到FAD中的評(píng)價(jià)點(diǎn)A（Lr，Kr）。如果評(píng)價(jià)點(diǎn)A落在邊界線之內(nèi)，則該結(jié)構(gòu)狀態(tài)是安全的；否則，結(jié)構(gòu)不安全 （ 見圖3）[13-16]。

針對(duì)不同管段的設(shè)計(jì)工況，結(jié)合焊口處確定的組合應(yīng)力水平分析結(jié)果，針對(duì)每一個(gè)待評(píng)估缺欠分別計(jì)算其參考應(yīng)力、斷裂韌性、韌性比、載荷比以及Lr截止線 （Lr，max）， 通過繪制FAD圖進(jìn)行基于斷裂力學(xué)的工程臨界評(píng)估。對(duì)塔河站—加格達(dá)奇站的管段評(píng)估結(jié)果顯示，直接評(píng)估不合格的778個(gè)環(huán)焊縫缺欠中，仍有211個(gè)環(huán)焊縫評(píng)價(jià)點(diǎn)位于FAD的邊界線之外，即不安全區(qū)域（見圖4、表5），這些點(diǎn)被認(rèn)為ECA評(píng)估不合格。

圖3 含缺欠金屬結(jié)構(gòu)失效評(píng)價(jià)原理示意

圖4 環(huán)焊縫缺欠的工程臨界評(píng)估

表5 ECA評(píng)估不合格的環(huán)焊縫缺欠數(shù)量

4.3 缺欠再評(píng)估

由于上述ECA評(píng)估過程中，選用的組合應(yīng)力在確定過程中均為保守取值，尤其是彎曲應(yīng)力計(jì)算時(shí)將管道應(yīng)變統(tǒng)一按照0.1%取值，可能導(dǎo)致最終的軸向組合應(yīng)力過于保守，從而使得未通過上述ECA評(píng)估的缺欠樣本量較大。因此，針對(duì)未能通過上述ECA評(píng)估的211個(gè)環(huán)焊縫評(píng)價(jià)點(diǎn)，分別查找對(duì)應(yīng)的實(shí)際IMU應(yīng)變監(jiān)測(cè)值，調(diào)整彎曲應(yīng)力及組合應(yīng)力后，對(duì)環(huán)焊縫評(píng)價(jià)點(diǎn)進(jìn)行缺欠再評(píng)價(jià)。

采用與上述ECA評(píng)估相同的流程，在漠河站—塔河站、塔河站—加格達(dá)奇站和加格達(dá)奇站—訥河站管段分別使用焊口實(shí)際應(yīng)變值進(jìn)行環(huán)焊縫缺欠的再評(píng)估時(shí)，各焊口處的彎曲應(yīng)力顯著降低。通過繪制FAD圖，初次未通過ECA評(píng)估的211個(gè)環(huán)焊縫缺欠中，3個(gè)管段分別有4個(gè)、7個(gè)和5個(gè)點(diǎn)位于FAD的不安全區(qū)域內(nèi)（見圖5），圖例中點(diǎn)號(hào)即為對(duì)應(yīng)的焊口編號(hào)。

圖5 漠大線環(huán)焊縫缺欠再評(píng)估FAD圖

由此，結(jié)合漠大二線管溝爆破條件下作用于漠大線環(huán)焊縫的組合應(yīng)力分析，通過漠大線環(huán)焊縫的直接評(píng)估和工程臨界評(píng)估，包括采用真實(shí)應(yīng)變監(jiān)測(cè)值開展的ECA再評(píng)估等缺欠評(píng)估，結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)漠大二線管溝爆破施工時(shí)，位于再評(píng)估FAD不安全區(qū)域內(nèi)的16道漠大線焊口的安全性不符合基于斷裂力學(xué)的工程臨界評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，需要采取措施，以防止施工過程中管道失效事故的發(fā)生。

5 結(jié)論及建議

通過對(duì)內(nèi)壓、溫差引起的軸向應(yīng)力，應(yīng)變引起的彎曲應(yīng)力和允許的爆破振動(dòng)速度條件下爆破應(yīng)力等載荷水平分析，根據(jù)PDAM制定基于斷裂力學(xué)的包括直接評(píng)估和適用性評(píng)估的雙重環(huán)焊縫缺欠評(píng)估法。在一系列科學(xué)的計(jì)算分析基礎(chǔ)之上，認(rèn)為漠大二線石方段爆破施工將對(duì)漠大線漠河站—訥河站管段16處環(huán)焊縫產(chǎn)生安全威脅。由此，明確了漠大二線近距離管溝爆破施工對(duì)漠大線環(huán)焊縫缺欠的安全影響，為漠大線環(huán)焊縫缺欠的維修提出了指導(dǎo)性意見，也為國內(nèi)首條近距離爆破施工的漠大二線管道提供了技術(shù)保障。對(duì)于存在安全隱患的16道焊口，建議開挖核實(shí)焊口缺欠，采用RT或UT等無損檢測(cè)方法進(jìn)一步查清缺陷的類型和尺寸，進(jìn)一步評(píng)估其安全可靠性；或在施工中加強(qiáng)關(guān)注，進(jìn)一步限定爆破振動(dòng)速度或采用非爆破作業(yè)開挖管溝方式施工。