为解决高钢级管道环焊缝失效难题，提升中国油气管道安全性，系统分析了管道环焊缝失效的影响因素，发现管道环焊缝失效是 附加载荷、缺陷、性能劣化以及应变集中综合作用 的结果。引起环焊缝应变集中的最关键原因是不等壁厚（包括钢管几何尺寸问题导致的错边），以及焊缝或热影响区软化导致的低强匹配问题。
管道环焊缝失效原因
大量研究表明，管道在试压和运行前期发生环焊缝失效的原因包括环焊缝焊接缺陷、环焊缝性能不合格、变壁厚或错边、焊接接头低强匹配以及各种因素导致的附加载荷。
01
环焊缝焊接缺陷
由于管道焊接工艺、焊接条件、操作等原因，环焊缝内存在气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷，在应力作用下裂纹在缺陷处萌生及扩展，造成环焊缝失效。
02
环焊缝性能不合格
环焊缝性能不合格主要指焊缝或热影响区的冲击韧性不符合要求。较高的韧性可以延缓甚至阻止裂纹启裂及扩展。若环焊缝韧性不足与低强匹配同时存在，管道承受轴向应力时则更易发生失效。
03
变壁厚或错边
管道变壁厚焊接容易产生焊接缺陷，且在受力时容易形成应力集中。几乎所有的结果都显示环焊缝失效与轴向应力有关，无论焊缝是否有缺陷都是如此。错边是管道对接中普遍存在的情况，几乎所有焊口两侧都存在不同程度的错边。错边的存在客观上减少了环焊缝有效承载面积，容易形成应力集中。
01
焊接接头低强匹配以及附加载荷
很多带有环焊缝焊接缺陷的管道在运行过程中并未发生环焊缝失效事故，这表明焊接缺陷并非环焊缝失效的充分条件。
05
综合分析结果
大量研究表明，管道环焊缝失效是附加载荷、缺陷、性能劣化以及应变集中综合作用的结果。其中，附加载荷与应变集中是直接原因，也是必要条件。缺陷、不等壁厚、焊缝及热区低匹配等是引起应变集中、裂纹萌生的因素，也是环焊缝失效的内在因素，这些因素单独存在时不是失效的必要条件，但却是加速管道环焊缝失效的重要因素。韧性不足，也是加速应变集中区域失效的重要因素。
现有应对措施及面临问题
01
自动焊+严格的无损检测
大量对比研究表明，采用自动焊的焊缝质量及性能显著优于半自动焊、手工焊。因此，在近年的管道建设中，全自动焊接工艺及技术得到广泛推广应用。
02
提高管材质量标准
● 化学成分
管材的化学成分对于环焊热影响区的强韧性起关键性的作用，同时合金过渡对环焊缝的强韧性也有一定影响。
● 拉伸性能
在拉伸性能方面，为便于实现焊接接头的等强匹配与高强匹配，自中俄东线开始，结合中国自身生产控制水平，对管材的强度范围进行了更加严格的限制。
根据直缝埋弧焊钢管拉伸性能实物统计结果（表1）可知：与横向相比，纵向具有较低的屈服强度和抗拉强度，这有利于环焊缝形成等强以及过强匹配。
表1 直缝埋弧焊钢管拉伸性能强度统计表
● 几何尺寸
在几何尺寸方面，为适应现场自动焊接的要求，对钢管管端不圆度、周长差等提出了严格要求。
03
消除不等壁厚焊接
为消除不等壁厚焊接的不利影响，中俄东线北段首次在弯管、管件产品上采用内锥孔型坡口，使对接部分成为等壁厚对接。
04
管道环焊缝质量提升面临的主要问题
围绕上述方向进一步提升管道环焊缝质量的难度加剧，仍存在以下问题：
- 为改善管材的可焊性，进一步优化合金元素的方向不明确。
- 为实现过强匹配，进一步加严管材强度区间面临困难。
- 进一步改善钢管不圆度及周长差的难度极大。
- 为改善管材的可焊性，进一步优化合金元素的方向不明确。
- 环焊缝接头实现高强韧性匹配难度仍较大。
新型管材开发
01
技术思路
提高结构承载能力的方法至少有两种：一是提高材料自身的强韧性；另一种是增加结构的有效尺寸，如厚度。对于管道环焊缝，目前所有研究均着眼于提高材料自身的强韧性。在此提出一种结构增强（图1）的方法：对管端进行增材加厚，再进行管端机械精加工，大幅提高管端精度；通过增厚的管端大幅提高环焊缝承载面积，达到结构补强效果，使环焊缝及热影响区的承载能力大幅提升，实现高强高韧匹配。
图1 新型管材对接示意图
02
试验产品开发
基于上述思路进行试验钢管的开发。选用的试验钢管为用于中俄东线南段项目的X80、D1219mm×22mm钢管。采用埋弧焊堆焊的方式进行管端增厚，堆焊过程中严格控制热输入，以控制电弧熔化母材的深度，避免管端变形。
● 几何尺寸
精加工完毕后（图2），管端加厚部分壁厚为26.4mm，较钢管原始壁厚增加了20％。对两个管端不圆度、周长进行测量，管端不圆度均小于0.5mm，管端外周长分别为3852.5mm、3853.0mm，周长差为0.5mm。
图2 精加工后的新型管材试验钢管实物图
● 理化性能试验
通过理化性能试验观察管端加厚部分的宏观形貌（图3），可见，采用堆焊方法制成的加厚层与母材之间形成完全的冶金结合。
图3 新型管材理化性能试验钢管管端加厚部分宏观形貌图
● 焊接接头承载能力
为模拟新型管材环焊接头的承载能力，从管端取两块试板进行组对焊接，焊接坡口为非对称的双V坡口，焊接方式为手工电弧焊。焊接完成后，以对接焊缝为中心，从焊接接头取横向拉伸试样，拉伸试样的标距不小于80mm，在标距中心55mm范围内保留加厚层；试验时，将引伸计夹持在加厚部分，测量在拉伸试验过程中加厚层的形变情况，通过设备位移近似测量标距范围内金属在拉伸过程中的形变情况（图4）。试样最终断裂于标距内的非加厚部分（图5）。
图4 新型管材换焊接头拉伸试验过程的变形—力曲线
图5 新型管材环焊接头拉伸试样及断裂位置图
结果表明：在受拉伸载荷过程中，当载荷较小时，整个试样发生弹性变形，而加厚的焊接接头弹性变形很小，这表明变形被分散到其它区域；随着载荷的增加，试样变形与载荷的关系偏离直线，即试样发生了塑性变形；虽然随着载荷增加，试样的塑性变形量快速增加，但加厚部分仅发生少量的塑形变形，非加厚部分承担了载荷引起的绝大部分变形。
结论
1） 管道环焊接头失效是载荷以及在载荷作用下环焊接头局部应力、应变集中的结果，缺陷、不等壁厚、焊缝或热区低匹配等是引起应变集中、裂纹萌生的重要因素。
2） 目前，通过自动焊工艺、严格的无损检测及提高管材的技术质量要求，管道环焊接头质量已得到大幅提升。进一步提升高钢级管道环焊接头安全性面临技术瓶颈和挑战，主要表现为：管材性能和几何尺寸精度的提升空间越来越小，实现环焊接头尤其是热影响区高强韧性匹配、高弯曲抗力的难度仍较大。
3） 设计开发了一种管端具有增厚、增强层的新型管材，其管端具有极高的几何尺寸精度，管端周长差、不圆度均接近于0，大幅提高管道应对外载以及应变的能力，可为现场高效对接、提高焊接质量提供良好的条件，显著提升管道安全性。
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