在役天然氣管道缺陷安全評定及有限元分析

李 根，李相蓉

（中國石油西南油氣田公司 輸氣管理處，成都610031）

0 前 言

近年來，管道完整性管理概念已逐步深入人心，并成為國內(nèi)外各管道公司普遍采用的一種系統(tǒng)性安全管理方式[1]。其中，管道缺陷評估技術和管道剩余壽命預測技術是管道完整性管理的重要組成部分。目前，中國石油西南油氣田公司已逐步形成了以公司輸氣管理處環(huán)形天然氣管網(wǎng)為主干，以五大產(chǎn)氣區(qū)域天然氣集輸管網(wǎng)為依托，融采、集、凈化、輸、配氣一體的天然氣地面集輸及配套系統(tǒng)。但目前該天然氣管網(wǎng)主要存在管網(wǎng)建設時間跨度大、管網(wǎng)情況復雜、管道安全現(xiàn)狀參差不齊以及管道沿線地形復雜、人口稠密等特點[2]。因此，正確評價各種缺陷對管道強度、壽命和安全性的影響，對保障天然氣管道的安全運行，避免經(jīng)濟損失和保護生態(tài)環(huán)境都具有重要意義。

1 壓力管道缺陷評價技術發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀20年代，Griffith在研究飛機窗罩玻璃脆斷原因時，提出了能量理論思想，建立了脆斷理論的基本框架；1948年，Irwin發(fā)表了一篇名為“Fracture Dynamic”(斷裂動力學)的文章，標志著斷裂力學作為一門學科正式誕生，Irwin又于1957年提出了應力強度因子（stress intensity factor）的概念，并創(chuàng)立了測量材料斷裂韌性的試驗技術，這標志著線彈性斷裂力學的建立。然而線彈性斷裂力學建立在線彈性力學基礎上，只適用于脆性材料或塑性較差的材料，為了研究塑性材料的斷裂問題，20世紀60年代又產(chǎn)生了斷裂力學的另一個分支—彈塑性斷裂力學。目前，彈塑性斷裂力學研究較為成熟的方法是COD（crack opening displacement）法和 J積分法[3-5]。

1.1 國外壓力管道評價標準的發(fā)展

斷裂力學的發(fā)展為含缺陷設備提供了驗收和檢驗標準，也為設備在役期間產(chǎn)生的各類缺陷提供了理論分析依據(jù)。1971年美國機械工程師學會（ASME）公布了世界上第一部以斷裂力學K因子為基礎的壓力容器缺陷評定標準。隨后，世界各國紛紛開展含缺陷結構完整性評定方法的研究，提出了一些工程評定方法或規(guī)范，并不斷加以修改和完善。

迄今為止，國際上較有權威性的含缺陷結構完整性評定規(guī)范有：歐洲工業(yè)結構完整性評定方法（SINTAP）；美國石油學會標準API 1104《管道及其相關設施的焊接》；英國標準委員會（BSI）頒布的用于評估管道缺陷的最新最完整的英國標準BS 7910《金屬結構中缺陷驗收評定方法導則》；英國中央電力局（CEGB）公布的R/H/R6第3版方法；美國機械工程師協(xié)會頒布的ASME B31G標準；英國燃氣公司和挪威船級社DNV合作制訂的DNV RP-F101《腐蝕管道評估的推薦方法》；以及在ASME B31G基礎上改進獲得的主要用于外部腐蝕管道剩余強度評價的方法RSTRENG(remaining strength of corroded pipe)，其中包括有RSTRENG 0.85面積法、RSTRENG有效面積法和ASME B31G法共3種分析方法，與ASME B31G方法相比較RSTRENG法主要降低了原標準的保守性[6-7]。

1.2 國內(nèi)壓力管道評價標準現(xiàn)狀

雖然我國對缺陷安全評定的研究起步較晚，但發(fā)展較為迅速。1984年頒布了我國第一部以COD理論為基礎的 《壓力容器缺陷評定規(guī)范》（CVDA-84方法）。1995年我國又制定了以J積分為基礎的國產(chǎn)鋼種的壓力容器安全評定規(guī)程SAPV-95。為了進一步提高我國壓力容器的管理水平和技術檢測水平，國家質(zhì)量技術監(jiān)督局鍋爐壓力容器檢測中心決定將SAPV-95修改并升級為國家標準，2004年頒布了GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》[8]。另一方面，2000年美國石油學會頒布了針對在役石化設備的API 579《合乎使用》規(guī)程，國內(nèi)也同樣依據(jù)該標準制定了石油行業(yè)標準SY/T 6477—2000《含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》[9]。兩者評價方法基本相同，主要從腐蝕缺陷角度探討了管道剩余強度的評價方法[10]。

2 在役天然氣管道缺陷安全評定實例

2.1 在役天然氣管道狀況

中石油西南油氣田公司輸氣管理處北內(nèi)環(huán)支線（玉成—煎茶）于2008年5月建成投產(chǎn)，管道規(guī)格φ610 mm×7.1 mm，管道材質(zhì)X70鋼，管線長度26.33 km，設計壓力4.0 MPa，運行壓力2.67 MPa，設計輸氣量600萬m3/天，運行輸氣量為232萬m3/天。

2.2 管道漏磁檢測

北內(nèi)環(huán)支線于2011年11月進行了漏磁檢測，共發(fā)現(xiàn)了4 388處金屬損失特征，其中深度為20%～29%壁厚的金屬損失缺陷11處，最深的特征深達壁厚的26%，這些特征分布在整個管道上，大約36%的管節(jié)被報告含有金屬損失；管道異常發(fā)現(xiàn)凹陷785處，環(huán)焊縫異常8處。管道外表面裂紋缺陷的形狀如圖1所示。缺陷深度達壁厚26%處的缺陷特征見表1。

圖1 管道外表面裂紋缺陷形狀

表1 管道外表面缺陷的基礎數(shù)據(jù)

2.3 實際工況條件下缺陷安全評定

該缺陷為表面裂紋，經(jīng)軸向及徑向長度的計算，其等效長度2c=32 mm，管道壁厚B=7.1 mm，缺陷深度為壁厚的26%，計算裂紋深度a=1.846 mm。X70管線直徑D內(nèi)=610 mm，運行壓力p=2.67 MPa。按COD法對缺陷進行評估，X70管線的性能參數(shù)見表2，取COD安全系數(shù)為2。

表2 X70管線的性能參數(shù)

式中：F—表面修正系數(shù)；

φ—表面裂紋的第二類橢圓積分。

將a=1.846 mm，c=16 mm，B=7.1 mm帶入上式即可得到表面裂紋等效尺寸a=3.96 mm。

管道周向工作應力

因 σ/σs=117.37/483=0.243≤0.86， 故可按D-M模型下的COD公式進行計算。根據(jù)COD計算公式，有

而允許值 [δc]=δc/nδ=0.06/2=0.03 mm， δc為COD安全系數(shù)。可見δ≤δc，所以該處裂紋是安全的，不會擴展。如果缺陷為表面缺陷或體積型缺陷則要按照GB/T 19624—2004中相應的面缺陷判定準則進行相應的安全評定計算。

2.4 管道缺陷有限元分析

同樣對于北內(nèi)環(huán)支線（玉成—煎茶）這一處深度達管道壁厚26%的表面裂紋缺陷進行ANSYS建模分析，并將該處的表面裂紋缺陷按照穿透裂紋處理，這樣相當于加大了此處缺陷安全評定的安全系數(shù)，使得評定結構更為保守、安全。

建立管道模型，取管道長度為15 m，直徑D=610 mm，厚度 B=7.1 mm。鑒于其 B/D≈0.011，屬于薄壁容器，采用ANSYS單元庫中的shell181單元，并進行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為12 000個，網(wǎng)格劃分及材料屬性如圖2所示。

圖2 北內(nèi)環(huán)支線（玉成—煎茶）管段網(wǎng)格圖

在管壁05:30位置開32 mm穿透裂紋模型，當管道內(nèi)工作壓力為2.67 MPa時，可以計算出管道外壁應力為119 MPa，這與公式（4）計算出的117.37 MPa相吻合。裂紋缺陷尖端的應力云圖如圖3所示。從圖3可以看出，裂紋尖端處的應力集中最大，達到247 MPa，但仍小于X70管線鋼的屈服強度483 MPa。這說明缺陷處應力仍處于彈性變形階段，在此種工況條件下，裂紋缺陷安全，這與COD方法的計算結果相互吻合。

圖3 壓力2.67 MPa時裂紋尖端應力云圖

若提高工作壓力，使得管道達到設計壓力4.0 MPa，管道裂紋缺陷尖端應力云圖如圖4所示。從圖4可以看出，當管道升壓后，外表面及缺陷裂紋尖端處應力均增大，分別達到170 MPa和371 MPa，但仍處于線彈性變形范圍內(nèi)，仍然安全。這說明若此段管道升壓至設計壓力，此處裂紋缺陷仍然處于安全可控水平。

圖4 壓力升至4.0 MPa時裂紋尖端應力云圖

3 特殊條件下天然氣管段受力分析

管道在服役過程中不但受到內(nèi)壓的作用，還受到外力的作用，管道在橫穿公路時，在通車的過程中將受到上方土石方下陷的強制位移載荷。本研究運用ANSYS軟件研究土石方下陷對受內(nèi)壓管道應力分布的影響，仍取管道長度15 m，直徑D=610 mm，厚度B=7.1 mm。

ANSYS模型如圖2所示。對管道施加土石方下陷所帶來的位移載荷，得出在下陷71 mm時管道底部的拉應力將達到材料的屈服強度，如圖5所示，而與之相對應的管道的上半部將產(chǎn)生壓應力。通過以上數(shù)值分析的結果可以得出，裂紋分布在管道的底部更為危險，且下陷位移超過71 mm時，管道底部將發(fā)生塑性變形。

圖5 下陷位移為71 mm時管道底部應力分布

4 結 語

根據(jù)西南油氣田公司輸氣管理處的管道實際狀況，可以發(fā)現(xiàn)在管道現(xiàn)有運行壓力條件下，表面裂紋、埋深裂紋以及表面缺陷在未達到一定尺寸時并不會影響管道的安全平穩(wěn)運行。對管道安全運行具有影響的為體積型缺陷，因此在管道的生產(chǎn)、運輸、安裝等過程中一定要避免對管道的第三方破壞，形成體積型缺陷，為管道安全運行埋下安全隱患。

另一方面，通過對特殊地理條件下的管道受力分析，若管道段發(fā)生71 mm的垂度位移，則管道下方拉應力已達管道的屈服強度。若在此處存在缺陷將非常危險，所以一定要在管道保護工作中加強特殊地理條件處的巡查力度，保障天然氣管道的安全平穩(wěn)運行。

［1］Q/SY 1180.1—2009，管道完整性管理規(guī)范 第1部分：總則［S］.

［2］王毅輝，李勇，蔣蓉，等.中國石油西南油氣田公司管道完整性管理研究與實踐［J］.天然氣工業(yè)，2013，33（03）：78-83.

［3］李國成，劉仁桓.壓力容器安全評定技術基礎［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［4］曲文卿，張彥華，張鵬.油氣管道缺陷評定方法的發(fā)展［J］.油氣儲運，2002，21（07）：3-8.

［5］夏鋒社，淡勇，陳聰.在役油氣輸送管道體積型缺陷安全評定方法［J］.化工機械，2011，38（03）：269-272.

［6］王旭東，徐杰，孫冬柏，等.國外油氣管道缺陷評估方法評介［J］.機械工程材料，2009（04）：6-9.

［7］劉俊，霍立興，張玉鳳.SINTAP標準和BS7910標準中FAD圖評定方法橫坐標求解方法的比較及分析［J］.焊接學報，2006，27（01）：97-100.

［8］GB/T 19624—2004，在用含缺陷壓力容器安全評定［S］.

［9］SY/T6477—2000，含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法［S］.

［10］鐘群鵬，李培寧，李學仁，等.國家標準《在用含缺陷壓力容器安全評定》的特色和創(chuàng)新點綜述［J］.管道技術與設備，2006（01）：1-5.