基于正交试验的管道环焊缝风险排查方案研究.pdf

完整性管理李新战等：基于正交试验的管道环焊缝风险排查方案研究油气田地面工程 https:/基于正交试验的管道环焊缝风险排查方案研究李新战1邹亚飞1王荡1陈杭2王晓黎31国家管网集团西气东输公司甘陕输气分公司2中国石油长庆油田分公司第十采油厂3大庆油田设计院有限公司摘要：油气管道环焊缝是管道系统的重要组成部分。近年来，管道环焊缝质量问题日益突显，为保障油气管道安全平稳高效运行，各油气管道管理单位组织开展管道环焊缝风险质量排查，但排查及治理存在工作量大、复评缺陷点位占比不高、排查效率低等问题。为提高风险排查效率，以历史管道环焊缝开挖复拍数据为研究对象，系统性分析其质量影响因素，以提高缺陷焊口开挖准确率为考核指标，引入正交试验法，通过对各类影响因素进行分析比对，识别质量影响的主要因素。分析结果表明，管道环焊缝开挖准确率影响因素敏感度由大至小顺序为：内检测异常程度施工标段底片复评等级焊口类型变壁厚，通过构建环焊缝开挖优化模型，对进一步提升管道环焊缝排查效率具有指导意义。关键词：油气管道；环焊缝；正交试验；失效；风险排查Research on Risk Investigation Scheme for Pipeline Girth Welds Based on OrthogonalExperimentsLI Xinzhan1，ZOU Yafei1，WANG Dang1，CHEN Hang2，WANG Xiaoli31Gansu-Shaanxi Gas Transmission Branch of West-East Gas Transmission Company，PipeChina2No.10 Oil Production Plant of Changqing Oilfield Company，CNPC3Daqing Oilfield Design Institute Co.，Ltd.Abstract：Girth weld of oil and gas pipeline is an important component of the pipeline system.In re-cent years，the quality issue of pipeline girth welds has become increasingly prominent.In order to en-sure the safe，stable，and efficient operation of oil and gas pipelines，various oil and gas pipeline man-agement units have organized risk and quality inspections of pipeline girth welds.However，there areproblems of large workload in pipeline girth weld inspection and treatment，low proportion of re-eval-uated defect points，and low inspection efficiency.In order to improve the efficiency of risk inspec-tion，this study takes historical girth weld excavation retest data as the research object，the factors af-fecting the quality of pipeline girth welds are systematically analyzed，takes improving the accuracy ofdefect welds excavation as the assessment indicator，the orthogonal experimental method is introduced.By analyzing various influencing factors，the main factors that affect the quality of girth welds are identi-fied.The analysis results indicate that the sensitivity of the factors affecting the accuracy of pipeline girthweld excavation is in the order of degree of internal detection anomalyconstruction sectionlevel offilm repetitiontype of weld seamvariable wall thickness.By constructing an optimization model forgirth weld excavation，it has guiding significance for further improving the efficiency of pipeline girthweld inspection.Keywords：oil and gas pipelines；girth welds；orthogonal experiment；lose efficacy；risk investigation截 至 2022 年 底，我 国 已 建 成 油 气 长 输 管 道15.5104km，其中天然气管道约 9.3104km，原油管道约 3.2104km，成品油管道约 3.0104km1。随着油气管道建设的飞速发展，对油气管道的安全可靠性提出了更高的要求。油气长输管道是由大量钢管或管件焊接组成，因此环焊缝是油气长输管道DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.01.00844第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/完整性管理系统的重要组成部分，由于管道建设时期现场焊接施工环境、质量及技术水平限制等因素，导致管道环焊缝有可能存在几何结构变形、材料不连续及焊接缺陷等问题。因此，环焊缝通常是管道结构中最薄弱的环节 2-3。国内外大量油气管道安全事故统计分析结果显示，油气管道环焊缝缺陷是引起管道失效的主要原因，尤其是在结构比较复杂的油气管道系统中，环焊缝失效的可能性更高。根据美国管道运输安全办公室的统计结果，19851996 年期间，环焊缝失效导致的管道事故占油气管道事故总数的 204。根据 PHMSA 报告，20102018 年，美国 X70 及以上钢级管道共计发生了 10起环焊缝失效事故5。近年来，在油气管道试压阶段及投产运行初期先后累计发生了约 30 起管道环焊缝开裂和泄漏事故，其中 70%以上的事故是由环焊缝质量缺陷引起的6。此外，油气输送站场管道环焊缝失效事故也时有发生7。为了保障油气管道的安全运行，必须定期对管道环焊缝进行缺陷检测，通过对缺陷定量、定性分析，开展安全评价工作，既可以有效避免重特大油气管道失效事故的发生，又可以充分发挥油气管道的承载运输能力，由于管道环焊缝数量巨大，排查任务艰巨，通过对已有的环焊缝排查数据进行分析，确定油气管道环焊缝缺陷的主要影响因素，为今后油气管道环焊缝缺陷排查提供参考，以解决环焊缝排查精准度不高的问题。1管道环焊缝失效原因大量研究表明，管道环焊缝的失效受多种因素而非单一因素影响8。管道建设时期发生的环焊缝失效，主要原因为变壁厚、错变量超标、强力组对等引起的应力集中、施工中的吊装和下沟、连头和返修施工不符合要求、焊接缺陷和焊缝韧性低、无损检测结果偏差、不遵守焊接工艺要求等。油气管道运行期发生的环焊缝失效，主要原因为承受外部地面位移荷载作用、不等壁厚连接引起的应力集中和焊缝韧性低等9-10。环焊缝失效通常是由 2 个或 2 个以上失效因素叠加造成的结果，环焊缝失效的原因总体上可以归纳为以下几个方面11-13：外部附加载荷：地质灾害（滑坡等）、强力组对、管道曲率与管沟形状不相符；变壁厚环焊缝处产生集中：现场不等壁厚内坡口处理困难；焊接接头韧性达不到标准要求：现场焊接工艺执行不严格；焊接缺欠超标及私自返修：缺陷漏检、错判及私自返修等。2管道环焊缝风险排查油气管道环焊缝质量风险排查主要通过梳理油气管道环焊缝基础数据信息，主要包括环焊缝相关竣工资料、建设期 X底片、内检测管节列表以及漏磁内检测信号数据，通过对管道基础资料排查、焊图 1管道环焊缝缺陷排查流程Fig.1 Pipeline girth weld defects inspection flow45完整性管理李新战等：基于正交试验的管道环焊缝风险排查方案研究油气田地面工程 https:/口对齐排查、底片复评、漏磁内检测信号复评，将存在可疑点的环焊缝作为开挖目标焊口，主要包括存疑焊口，黑口、底片存疑焊口及内检测异常焊口，通过对目标焊口开挖复拍，并依据复评结果确定焊口总体质量状况。排查流程如图 1所示。3管道环焊缝排查难点（1）管道环焊缝数量庞大，基础资料核查难度大。平原地带敷设的管道，平均每千米约有 90个，在人口稠密地区及地形复杂的区域，环焊缝数量还会有所增加，导致管道环焊缝基础资料复评工作量大。（2）环焊缝失效通常是多种因素叠加的结果，大量研究表明，管道发生环焊缝失效的原因包括焊接缺陷、环焊缝性能不合格、变壁厚或错边、焊接接头低强匹配及各种因素导致的附加载荷，环焊缝排查需要作为系统工程从多个纬度进行排查，由表及里，找出隐藏缺陷。（3）在大量的开挖检测数据中筛选出具有裂纹缺陷的焊口信息，并对焊口特征进行分析，确定裂纹焊口产生的内外在因素，总结裂纹焊口产生规律，并据此精准制定开挖原则和计划，提高开挖的准确率，节约开挖成本。4管道环焊缝排查方案优化由 于 影 响 环 焊 缝 失 效 的 因 素 较 多，通 过 对20172022 年已开挖西气东输二线甘肃、陕西段2 569 道环焊缝数据进行分析，明确影响环焊缝失效的主要影响因素，为避免全面试验，同时又不失一般性，采用正交试验的方法研究各因素对环焊缝质量的影响14-15，确定各影响因素的主次顺序，为以后环焊缝的精准开挖检测提供理论参考。4.1正交试验设计正交试验法又称正交试验设计，是一种利用数理 统 计 的 方 法 研 究 多 因 素、多 水 平 的 试 验 方法16-17，将其应用于管道环焊缝失效影响因素分析的步骤如下：（1）拟定环焊缝开挖优选方案的考核指标，以反映环焊缝开挖点位选择的精准性。（2）分析影响环焊缝的主要特征指标，确定影响因素和水平，并设计正交试验表。通过对已开挖复评数据进行分析，计算出各方案的缺陷焊口比率。（3）对正交数据进行直观分析和指标平均计算分析，由极差判断出不同影响因素对试验指标影响的主次关系，得出环焊缝开挖复评的最优方案。环焊缝失效的因素较多，主要分析施工标段、焊口类型、管道壁厚变化量、焊缝底片复评等级、内检测异常程度 5 个主要因素对管道环焊缝的影响，其中 4个因素设计 4个水平，1个因素设计 2个水平，得到正交试验设计的5因素水平表（表1），进而设计了 L20（2144）型混合正交表，共 20套试验方案。表 1影响因素与水平Tab.1 Influencing factors and levels水平abcd因素施工标段（A）1516172焊口类型（B）返修口连头口碰死口普通口变壁厚（C）是否底片复评等级（D）1234内检测异常程度（E）正常轻微严重较严重本试验含有 5个因素，如果进行全面试验，可产生 244个试验条件，试验条件较多，无法顺利完成，而通过正交试验，根据正交试验表“均匀分散、整齐可比”的设计原则，可选择 L20（2144）型混合正交表，共需对 20 组试验数据进行统计分析。设计的正交试验及数据分析结果如表 2所示。表 2正交试验结果Tab.2 Orthogonal test results因素AaaaabbbbccccddddbbddBabcdabcdabcdcabdababCabbaababbaabbbaaababDabdcbaabcdbacdcdcdabEabcdcdbabadcadcaabba焊口总数3340000081007401020001不合格焊口数1160000011006101010000不合格焊口比率/%33.3347.060000013.580085.7125.000100.00050.00000046第 43卷第 1期（2024-01）油气田地面工程 https:/完整性管理4.2正交试验结果分析为研究管道环焊缝各影响因素对开挖不合格焊口比率的影响程度，对试验结果进行极差分析。定义变量Kij、kij、Rj，Kij表示第j因素i水平的所有试验结果的总和，kij是Kij的平均值。依据Kij的大小表征j因素i水平的不合格焊口比率总和，Kij最大时，所对应的j因素i水平组合是最优解。通过此方法，可以找出所有因素的最优水平，即可得到提高缺陷焊口开挖比率的最优组合18。Rj表示第j因素的极差，即第j因素各水平值的最大差值：Rj=max(kaj,kbj,.,kij)-min(kaj,kbj,.,kij)（1）在本次正交试验中，Rj表示第j因素的水平变动时，不合格焊口比率的波动值。Rj值越大，表示j因素变化时不合格焊口发现比率越大。因此依据Rj的大小就可以判断各因素对于不合格焊口比率的敏感顺序。根据表 2中的正交试验结果，以不合格焊口比率作为评价指标，分析得到表 3。表 3正交试验结果分析数据Tab.3 Orthogonal test results analysis data水平KajKbjKcjKdjkajkbjkcjkdjRj敏感顺序优水平因素A0.8040.090 41.107 11.50.2010.022 60.276 80.3750.352内检测异常程度施工标段底片复评等级焊口类型变壁厚AcB0.888 80.313 60.857 20.8860.222 20.078 40.214 30.221 50.144BaC0.6760.742 40.16 90.185 60.017CbD0.466 81.170 801.20.116 70.292 700.30.3DdE0.553 60.376 40.251.857 20.138 40.094 10.062 50.464 30.4Ed由表 3可知，不同因素的不合格焊口比率极差之间存在比较明显的差别，通过对试验结果进行极差分析可确定各影响因素对管道环焊缝不合格焊口比率影响的大小，极差越大，表明该因素在不同水平下，相应的不合格焊口比率之间差异大，该因素对不合格焊口比率的影响也越大，是主要因素。反之，极差越小，该因素对不合格焊口比率的影响也越小，是次要因素。内检测异常程度对应的不合格焊口比率极差最大，变壁厚对应的不合格焊口比率极差最小，说明内检测异常程度对不合格焊口比率影响最大，变壁厚对不合格焊口比率影响最小。根据Rj的值可以看出，内检测异常程度的变化对不合格焊口比率的变化影响最大，其次是施工标段、底片复评等级、焊口类型、变壁厚。5管道环焊缝质量开挖验证结合正交试验分析得出的管道环焊缝开挖验证最优试验组合，对现已开挖的环焊缝缺陷进行反向验证，选取最优组合下的环焊缝进行验证，已开挖完成西二线甘陕段 2 569 道环焊缝中符合最优组合条件下的开挖点共 3处，基本信息如表 4所示。表 4现场开挖验证结果分析Tab.4 Analysis of field excavation verification results焊口编号XQ-DK031G-M001-RXQ-DI024+M001-W-RXQ-DH003-M008-RW管径/mm1 2191 2191 219壁厚/mm2218.422总缺陷类型未熔合未熔合内凹评价结果不合格合格不合格对符合要求的 3 处环焊缝开挖点位进行验证，经射线及超声检测，显示其中 2道焊口为不合格焊口，不合格焊口比率 66.67%，与平均不合格焊口率相比，不合格焊口发现率显著提升。经服役适用性评价，2道不合格焊口缺陷均可接受，说明大多数环焊缝缺陷尚未发展至严重情况。通过对管道环焊缝开挖特征及结果进行统计分析，确定影响环焊缝质量的主要影响因素，构建环焊缝质量分析模型，可有效提升不合格焊口发现比率，提升环焊缝风险排查效率，及时发现隐患并通过恰当的修复方法消除隐患。6结论（1）通过对已开挖复评的 2 569 道环焊缝数据为基础，研究了不合格焊口在综合因素影响下的发现比率，以不合格焊口率为评价指标，综合考虑5 个方面影响因素：施工标段、焊口类型、变壁厚、底片复评等级、内检测异常程度，进行了 4因素 4 水平及 1 因素 2 水平混合正交优化试验，得到各影响因素对不合格焊口比率的影响程度。（2）对不合格焊口比率影响因素敏感度由大至小为：内检测异常程度底片复评等级施工标段焊口类型变壁厚，不合格焊口比率最优组合为17 施工标段、返修口、内检测较严重、底片复评4级。（3）油气管道环焊缝基数大，每千米管道约80100 个环焊缝，且环焊缝质量受多种复杂因素影响，在开展管道环焊缝质量分析时，需从管道建设期开始，收集完善各项基础资料，建立完善的数47完整性管理李新战等：基于正交试验的管道环焊缝风险排查方案研究油气田地面工程 https:/据库，按照各施工标段对收集到的各类数据进行统计分析，确定影响环焊缝质量的主要因素及特征指标，应用过程中可结合现场实际，合理调整各影响因素及特征指标。（4）油气管道环焊缝的焊接工艺较为复杂，焊接质量易受到其他因素的影响，如焊接环境、材料质量以及焊接工艺细节等因素都会影响管道焊接质量，环焊缝的焊接质量直接影响管道安全运行的效率与质量，由于同一施工标段的施工区域环境及人员管理具有相近性，可按照各施工标段对环焊缝质量数据进行统计分析，在分析影响环焊缝质量的几个重要因素后，建立环焊缝质量分析模型，为以后采取针对性的措施提升环焊缝开挖不合格焊口发现比率，提升环焊缝开挖工作效率有着重要意义。参考文献1 高振宇，张慧宇，高鹏2022年中国油气管道建设新进展J国际石油经济，2023，31（3）：16-23GAO Zhenyu，ZHANG Huiyu，GAO Peng New progressin Chinas oil and gas pipeline construction in 2022JInter-national Petroleum Economics，2023，31（3）：16-232 赵金兰，雷俊杰，王高峰，等油气输送管道对接环焊缝缺陷检测分析J焊管，2013，36（11）：43-47ZHAO Jinlan，LEI Junjie，WANG Gaofeng，et alDetec-tion analysis of oil and gas transportation pipeline butt jointcircumferential weld defectsJ Welded Pipe and Tube，2013，36（11）：43-473 李谦益，逯燕玲，朱建国油气输送管道的焊接施工质量控制J焊接技术，2004，33（3）：63-65LI Qianyi，LU Yanling，ZHU JianguoWelding construc-tion quality control of oil and gas transportation pipelineJWelding Technology，2004，33（3）：63-654 陈安琦，马卫锋，任俊杰，等高钢级管道环焊缝缺陷修复问题初探J天然气与石油，2017，35（5）：12-17CHEN Anqi，MA Weifeng，REN Junjie，et al Study onrehabilitation of high grade steel pipeline girth weld defectsJNatural Gas and Oil，2017，35（5）：12-175 陈小伟，张对红，王旭油气管道环焊缝面临的主要问题及应对措施J油气储运，2021，40（9）：1072-1080CHEN Xiaowei，ZHANG Duihong，WANG Xu Mainproblems and countermeasures of girth welds of oil and gaspipelinesJOil&Gas Storage and Transportation，2021，40（9）：1072-10806 任俊杰，马卫锋，惠文颖，等高钢级管道环焊缝断裂行 为 研 究 现 状 及 探 讨 J 石 油 工 程 建 设，2019，45（1）：1-5REN Junjie，MA Weifeng，HUI Wenying，et al Re-search status and prospect on fracture behaviour of butt girthwelds in high grade steel pipelinesJPetroleum Engineer-ing Construction，2019，45（1）：1-57 赵新伟，李鹤林，罗金恒，等油气管道完整性管理技术 及 其 进 展 J 中 国 安 全 科 学 学 报，2006，16（1）：129-135ZHAO Xinwei，LI Helin，LUO Jinheng，et alManagerialtechnique for integrity of oil and gas pipeline and its progressJChinaSafetyScienceJournal，2006，16（1）：129-1358 张振永高钢级大口径天然气管道环焊缝安全提升设计关键J油气储运，2020，39（7）：740-748ZHANG Zhenyong Key factors for safety improvement de-sign of girth weld in high-grade large diameter natural gaspipelinesJOil&Gas Storage and Transportation，2020，39（7）：740-7489 左鹏亮，赵红岩，吕源，等油气输送管道环焊缝失效原因分析及预防J焊管，2022，45（5）：58-64ZUO Pengliang，ZHAO Hongyan，LYU Yuan，et alFail-ure analysis and prevention of girth weld failure on oil and gaspipeline JWelded Pipe and Tube，2022，45（5）：58-6410 雷铮强，戴联双，王富祥，等高钢级管道环焊缝裂纹失效分析J焊接，2022（4）：59-64LEI Zhengqiang，DAI Lianshuang，WANG Fuxiang，et alCrack failure analysis of girth weld in high-grade steel pipe-linesJWelded，2022（4）：59-6411 戴联双在役高强钢管道环焊缝裂纹内检测与安全性评价技术研究D天津：天津大学，2020DAI LianshuangResearch on the girth weld cracks inlineinspection and safety assessment of in-service high strengthpipelinesDTianjin：Tianjin University，202012 杨辉，王富祥，陈健，等油气管道环焊缝缺陷适用性评价现状与展望J天然气工业，2020，40（2）：135-139YANG Hui，WANG Fuxiang，CHEN Jian，et al Cur-rent status and prospect of fitness-for-service evaluation onthe girth weld defects in oil and gas pipelinesJ NaturalGas Industry，2020，40（2）：135-13913 王海涛，李仕力，陈杉，等高钢级天然气管道环焊缝断裂问题探讨J石油管材与仪器，2020，6（2）：49-52.WANG Haitao，LI Shili，CHEN Shan，et alFracture ofgas pipeline girth welds with high grade steelJPetroleumTubular GoodsInstruments，2020，6（2）：49-52.14 侯化国，王玉民正交试验法长春：吉林人民出版社，1985：1-22HOU Huaguo，WANG YuminOrthogonal test methodMChangchun：JilinPeoplesPublishingHouse，1985：1-22（下转第 56页）48完整性管理侯丽娜等：油田站场完整性管理效能评价指标油气田地面工程 https:/Industry，2019，48（9）：2071-207511 侯丽娜，李远朋，闫伟，等油气田管道及站场完整性 管 理 体 系 构 建 及 融 合 方 法 J 油 气 田 地 面 工 程，2021，40（3）：63-69HOU Lina，LI Yuanpeng，YAN Wei，et alConstructionand integration method of oil and gas field pipeline and sta-tion integrity management systemJOil-Gas Field SurfaceEngineering，2021，40（3）：63-6912 王小爽油田管道完整性管理实践与应用J油气田地面工程，2023，42（7）：42-45WANG Xiaoshuang Practice and application of oilfieldpipeline integrity managementJ Oil-Gas Field SurfaceEngineering，2023，42（7）：42-45.13 杨洪丽，贾明德，陈文贤，等基于 RBI的站场完整性评价技术研究J石油工业技术监督，2020，36（4）：57-60YANG Hongli，JIA Mingde，CHEN Wenxian，et alRe-search on station integrity evaluation technology based onRBIJ TechnicalSupervisioninPetroleumIndustry，2020，36（4）：57-6014 王金江，王舒辉，张来斌基于数字孪生的压气站场设 备 风 险 智 能 决 策 系 统 J 天 然 气 工 业，2021，41（7）：115-123WANG Jinjiang，WANG Shuhui，ZHANG LaibinAn in-telligent decision-making system for compressor stationequipment risk based on digital twinsJ Natural Gas In-dustry，2021，41（7）：115-12315 俞辉辉LOPA 方法在输气站设计阶段安全完整性等级定级的应用J石油化工建设，2021，43（5）：163-165YU HuihuiApplication of LOPA method in safety integrityrating of gas transmission station design stageJPetroleumand Chemical Construction，2021，43（5）：163-16516 张宝良，张维智，张飞鹏，等油田站场完整性管理技术探析J油气田地面工程，2020，39（6）：72-77.ZHANG Baoliang，ZHANG Weizhi，ZHANG Feipeng，et al Exploration of integrity management technology foroilfield stationsJ Oil-Gas Field Surface Engineering，2020，39（6）：72-77.17 冯庆善，王学力，李保吉，等长输油气管道的完整性管理J管道技术与设备，2011（6）：1-5.FENG Qingshan，WANG Xueli，LI Baoji，et alIntegri-ty management of long-distance oil and gas pipelinesJPipeline Technology and Equipment，2011（6）：1-5.作者简介侯丽娜：工程师，2015 年毕业于长江大学石油工程专业，从 事 管 道 站 场 完 整 性 管 理 研 究 工 作，13281881731，新疆克拉玛依市胜利路 87 号新疆油田工程技术研究院，834000。收稿日期2023-09-12（编辑李娜）（上接第 48页）15 刘振学实验设计与数据处理2 版北京：化学工业出版社，2015：66-79LIU Zhenxue Experiment design and data processingM2nd edBeijing：Chemical Industry Press，2015：66-7916 戴乾生，汪玉春，殷平正交试验设计在管道扩建优化设计中的应用J天然气工业，2011，31（8）：90-93.DAI Qiansheng，WANG Yuchun，YIN PingApplicationof orthogonal design in optimal pipeline extension projectJNatural Gas Industry，2011，31（8）：90-93.17 黄坤，王怡佳，李新战，等基于正交试验的仰角式油 水 分 离 器 结 构 参 数 优 化 J 石 油 与 天 然 气 化 工，2014，43（3）：241-245.HUANG Kun，WANG Yijia，LI Xinzhan，et al Struc-ture parameters optimization of the inclined oil-water sepa-rator based on orthogonal designJ Chemical Engineeringof Oil&Gas，2014，43（3）：241-245.18 秦双双，王莹莹，刘云迪，等基于正交试验的气密特殊螺纹油管接头密封性能研究J石油矿场机械，2023，52（2）：1-8.QIN Shuangshuang，WANG Yingying，LIU Yundi，et alResearch on sealing performance of gas-tight special threadtubing joint based on orthogonal testJ Oil Field Equip-ment，2023，52（2）：1-8.作者简介李新战：工程师，硕士研究生，2012 年毕业于西南石油大学 油 气 储 运 工 程 专 业，从 事 管 道 完 整 性 管 理 工 作，18717324511，陕西省西安市未央区凤城八路西北国金中心 D座 8楼，710021。收稿日期2023-08-12（编辑李娜）56