环焊缝钢管在内压与弯曲联合作用下全尺寸疲劳与爆破试验对压力安全裕度的影响

《Welding in the World》：Full-scale fatigue and burst testing of girth-welded steel pipe under combined internal pressure and bending has consequences for pressure safety margins

　　

碳氢化合物输送管道（hydrocarbon transmission pipelines）的战略作用在当今毋庸置疑。这种作用既可在国家内部体现，也可在邻国之间、乃至更广泛的区域、大陆及洲际层面体现。此类管道发生事故，不仅会对国内、也会对更广阔区域造成严重干扰。高压天然气输送管道的关键要素通常是环焊缝（girth welds）。本文旨在介绍在环焊缝上施加循环内压（cyclic internal pressure）并叠加外部弯曲应力（external bending stress）的全尺寸管道疲劳与爆破试验。研究人员开发了一套独特的试验系统，对包含经无损检测（NDT）未发现不可接受缺陷的环焊缝以及含人工缺陷（artificial flaws）的4米长管道段进行了试验。人工切槽（artificial notches）位于环焊缝的热影响区（HAZ），并沿管道纵向轴线布置、横穿环焊缝。试验施加了10万次疲劳循环，内压在最大允许操作压力（MAOP）的60%至100%之间变化，弯曲应力为MAOP产生的轴向应力的2至8倍。试验结果通过内压-时间关系及爆破压力值进行评估。基于特征压力值，计算了“简单”安全系数（safety factor）与重新评估的安全系数，以评估和比较管道段及环焊缝中缺陷的风险。

论文解读：环焊缝钢管在内压与弯曲联合载荷下的全尺寸疲劳与爆破试验及其压力安全裕度影响

一、研究背景与问题提出

碳氢化合物输送管道在现代能源基础设施中承担着不可替代的战略角色，其安全运行不仅关系国家内部能源供应，也影响跨境乃至洲际能源传输的稳定性。管道一旦发生事故，可能造成大范围供能中断和严重的环境与安全后果。在高压天然气输送管道中，环焊缝（girth welds）是结构完整性的关键环节。失效数据分析表明，由施工缺陷和材料不连续性导致的失效在环焊缝中发生的频率显著高于管体其他部位。匈牙利高压天然气输送系统的失效数据同样显示，在全部运行周期内，焊接失效所占比例最高，且焊接失效通常发生在运行初期的数十年内，而腐蚀失效概率则随运行年限增长而上升。

在管道施工过程中，管段常承受外部载荷，导致环焊缝区域产生过度的局部或较大范围弯曲应力。运行期间，内压变化及交通引起的土体移动等环境因素又造成循环载荷。这些载荷与环焊缝中材料不连续性的耦合作用，对环焊缝的运行寿命产生显著影响，裂纹可能萌生、扩展并最终导致断裂。此外，现有多种管道失效或爆破压力估算方法（包括理论、解析、流变及经验方法）之间存在显著差异，其根本原因在于方法精度、材料全局与局部性能差异以及局部应力状态确定等方面的不确定性，这为运营方带来了额外的风险。因此，开展全尺寸试验对于验证断裂力学方法、评估含缺陷环焊缝的真实承载能力具有不可替代的价值。

二、研究内容与核心发现

本研究旨在实现双重目标：其一，开发一套适用于全尺寸管道段在内压与弯曲联合载荷条件下进行循环内压与外部静载弯曲试验的专用系统；其二，对12个无缺陷及含人工切槽（artificial notches）的管道段在联合载荷下的全尺寸试验结果进行系统呈现，并基于“简单”安全系数与重新评估的安全系数讨论结果的意义与适用性。

试验结果表明，所有经受疲劳试验的管道段均完好承受了10万次循环载荷，疲劳阶段未对管道段及环焊缝质量造成显著改变。所有12个管道段均通过了6小时1.5倍MAOP（95 bar）的水压试验。无人工切槽管道段（Y1–Y6）的失效均发生在管体而非环焊缝，爆破压力显著高于操作压力。周向切槽管道段（Y7、Y9、Y10、Y12）中除Y12外，失效均发生在管体；而Y12在切槽处失效，压力显著低于其他周向切槽案例。含轴向切槽管道段（Y8、Y11）的失效均发生在切槽处，爆破压力显著低于其他无切槽及含切槽管道段。

三、关键技术方法

研究人员基于文献综述及既有结论，开发了独特的全尺寸试验系统。该系统由两套增压系统（分别适用于100 bar疲劳试验和700 bar爆破试验）及一套自行设计的外部弯曲加载系统组成，采用三点弯曲（3PB）配置，将被测环焊缝定位于管道段中部以获得最大弯曲应力。试验管道段由P355NH无缝钢管（外径114.3 mm，壁厚5.6 mm，长度4 m）制成，环焊缝采用手工金属电弧焊（MMAW）在工业条件下完成。人工切槽使用手持角磨机加工，最大标称宽度2 mm，分别位于环焊缝热影响区（周向切槽，模拟外部咬边和未熔合）或垂直于环焊缝对称布置（轴向切槽，模拟第三方轴向损伤）。疲劳试验中内压在MAOP的60%至100%间循环变化，频率0.2 Hz，叠加弯曲应力为MAOP轴向应力的2、4、6、8倍。试验过程中持续监测内压与挠度变化，爆破试验以每秒记录内压值。

四、研究结果分述

试验系统与配置： 研究开发的试验系统能够对全尺寸管道段施加循环内压与叠加外部弯曲载荷，3PB配置可转换为四点弯曲（4PB）配置，转换需对结构部分构件进行加强。

疲劳试验结果： 所有经受疲劳的管道段均承受了10万次循环载荷，该载荷幅值代表实际运行条件，循环次数约为实际运行工况估算值的两倍。内压-时间曲线在整个过程中保持稳定，仅存在初始和最终瞬态；挠度-时间曲线与内压变化完全吻合，叠加弯曲载荷大小对挠度幅值起决定性作用。

爆破试验结果： 无人工切槽管道段（Y1–Y6）失效模式相似，但均未发生在环焊缝处，爆破压力显著高于操作压力。周向切槽管道段（Y7、Y9、Y10、Y12）除Y12外在管体失效，与切槽深度和叠加弯曲应力大小无关；Y12在切槽处失效，压力显著降低。轴向切槽管道段（Y8、Y11）在切槽处失效，爆破压力显著低于其他管道段。

安全系数评估： 基于爆破压力与MAOP之比计算的“简单”安全系数（SF）显示，管体失效管道段具有较大裕度（SF=6.97–7.30），而切槽失效管道段的安全系数显著较低（SF=3.91、5.44和2.38）。为消除“过度设计”效应，研究人员依据EN 1594标准第7.2.1条采用反向计算方法，以设计系数f₀=0.72和f₀=0.5分别求得压力值p_0.72=222.5 bar和p_0.5=154.5 bar，进而计算重新评估的安全系数（SF_0.5和SF_0.72）。重新评估的安全系数更真实地反映了被测管道的完整性，清晰表明质量不合格或受损的环焊缝，尤其在复杂载荷条件下，存在显著的超额风险；部分工况下安全系数接近或低于1.0，即已越过失效“红线”。

五、讨论与结论

研究表明，按所需质量生产并承受可接受叠加载荷的环焊缝具有高承载能力，该能力涵盖循环载荷和复杂载荷。然而，重新评估的安全系数清楚表明，质量不合格或处于受损状态的环焊缝，尤其在复杂载荷条件下，指示出显著的超额风险。安全系数越接近1.0，超额风险越高；部分配置中环焊缝已越过指示失效的“红线”，即安全系数降至1.0以下。据此可以确定，匈牙利天然气输送系统中此前发生的损伤事件均发生在质量不可接受的环焊缝和/或承受显著更高过载的环焊缝处。研究结果证实了全尺寸试验的重要性，并确认近期应继续规划、准备和实施进一步的全尺寸试验。未来研究建议对含环焊缝的管道段施加更高的叠加弯曲轴向应力（如最大内压轴向应力的八倍），并测试更深、更长和/或更宽的人工切槽，以进一步拓展研究边界。定量试验结果适用于试验条件所定义的工况，但观察到的趋势与既往研究结果相结合，可为更广泛的工况范围提供参考信息。