在役含缺陷壓力管道安全評(píng)定方法

陳永利　唐文慶　種玉寶（大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院　遼寧大連）

在役含缺陷壓力管道安全評(píng)定方法

陳永利唐文慶種玉寶
（大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院遼寧大連）

國(guó)內(nèi)外幾種典型的含缺陷壓力管道安全評(píng)定的方法，以含超標(biāo)缺陷壓力管道為例，重點(diǎn)闡述我國(guó)對(duì)在役含缺陷壓力管道安全評(píng)定的方法和過程。

壓力管道缺陷安全評(píng)定方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

壓力管道是生產(chǎn)、生活中廣泛使用的可能引起燃爆或中毒等事故、危險(xiǎn)性較大的特種設(shè)備。由于種種原因，我國(guó)相當(dāng)數(shù)量的管道存在各種各樣的缺陷，需要進(jìn)行安全評(píng)定的超標(biāo)缺陷管道數(shù)量眾多。而結(jié)構(gòu)中的缺陷并不都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用，不加區(qū)分地對(duì)管道進(jìn)行修復(fù)，不僅會(huì)增加成本，而且有時(shí)不恰當(dāng)?shù)男迯?fù)反而會(huì)進(jìn)一步損害材料，使材料性能下降乃至產(chǎn)生新的缺陷。因此，對(duì)在役管道缺陷進(jìn)行安全評(píng)定具有重要意義。在檢驗(yàn)與安全評(píng)定相結(jié)合的情況下，不但可以保障管道安全，而且可以避免大量含缺陷管道不必要的更換和返修。

一、常用壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)范

近年來，國(guó)際上廣泛將缺陷評(píng)定及安全評(píng)定稱之為完整性評(píng)定或合乎使用評(píng)定，它不僅包括超標(biāo)缺陷的安全評(píng)估，還包括環(huán)境（介質(zhì)與溫度）的影響和材料退化的安全評(píng)估。按合乎使用原則建立的結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)及其相應(yīng)的工程安全評(píng)定規(guī)程（或方法）越來越成熟，已在國(guó)際上形成了一個(gè)分支學(xué)科，在廣度和縱深方面均取得了重大進(jìn)展。在廣度方面，新增了高溫評(píng)定、各種腐蝕評(píng)定、塑性評(píng)定、材料退化評(píng)定、概率評(píng)定和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等內(nèi)容；在縱深方面，彈塑性斷裂、疲勞、沖擊動(dòng)載和止裂評(píng)定、極限載荷分析、微觀斷裂分析以及無損檢測(cè)技術(shù)等均取得很大進(jìn)展。

1.以斷裂力學(xué)J積分為判據(jù)的評(píng)定方法

對(duì)于含缺陷的管道，通常采用斷裂力學(xué)方法進(jìn)行失效分析。根據(jù)J積分?jǐn)嗔褏⒘慷a(chǎn)生的計(jì)算方法，在理論上和試驗(yàn)研究中都被廣泛應(yīng)用。采用J積分的評(píng)定方法不僅可評(píng)判管道所含裂紋的啟裂，而且還可以進(jìn)行裂紋擴(kuò)展的計(jì)算。通過含缺陷管道在載荷作用下產(chǎn)生的斷裂推動(dòng)力J積分與管道材料抗斷裂阻力（JR阻力曲線）的比較，可以判斷裂紋的啟裂與失穩(wěn)。

2.歐洲缺陷評(píng)定方法SINTAP

1996年，歐洲委員會(huì)為建立一個(gè)統(tǒng)一的合乎使用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，于1999年完成了歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法（Structural Integrity Assessment Procedure），簡(jiǎn)稱SINTAP。SINTAP是對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行合于使用評(píng)定的一種方法，涉及脆斷領(lǐng)域和塑性破壞，以及二者之間的相互作用。根據(jù)可以獲得的材料信息量，SINTAP給出了不同的分析級(jí)別。高級(jí)別分析比低級(jí)別分析需要更多的信息，但得到的分析結(jié)果反而更保守。不可接受的結(jié)果并不表明分析的失敗，而應(yīng)該是將分析級(jí)別推向更高級(jí)別。若低級(jí)別的分析足以證明結(jié)構(gòu)安全，則沒必要進(jìn)行更高級(jí)別的分析。SINTAP是國(guó)際上應(yīng)用最普遍的方法。

3.英國(guó)R6評(píng)定方法（雙判據(jù)準(zhǔn)則）

R6評(píng)定方法由英國(guó)中央電力局提出，其第3版（R/H/R6，Revision3）是被廣泛接受的缺陷評(píng)定方法，適用于各種含缺陷結(jié)構(gòu)的脆性斷裂、塑性失穩(wěn)和彈塑性撕裂的評(píng)定。3種斷裂評(píng)定用1張?jiān)u定圖表示，圖的縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)脆斷的性能，橫坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)的塑性失效行為。

4.美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 579

近年，美國(guó)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定技術(shù)也有很大發(fā)展，在規(guī)范中最引人注目的是已出版的API 579《推薦用于合乎使用的實(shí)施辦法》和API 580《Risk-Based Inspection》。SINTAP、R6的工業(yè)背景主要是電站（包括核電）及海洋石油平臺(tái)，它們的發(fā)展主要反映了缺陷的斷裂評(píng)定技術(shù)（包括塑性失效評(píng)定）和疲勞評(píng)定技術(shù)的發(fā)展。API 579的工業(yè)背景是石油化工設(shè)備，其特點(diǎn)是更多地反映了石油化工在役設(shè)備安全評(píng)估的需要。與其他標(biāo)準(zhǔn)不同之處是，API 579不僅包括在役設(shè)備缺陷安全評(píng)估，還在很廣的范圍內(nèi)給出在役設(shè)備及其材料的退化損傷安全評(píng)估方法。

5.ASME XI IWB-3650壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)范

ASME XI IWB-3650《鐵素體鋼管道缺陷評(píng)定規(guī)程及驗(yàn)收準(zhǔn)則》是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)制定的。鐵素體鋼管道的失效模式有脆性斷裂、彈塑性撕裂失穩(wěn)和塑性失穩(wěn)3種。ASME XI IWB-3650規(guī)范的編制者經(jīng)過大量的理論分析、數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，把結(jié)果加以整理簡(jiǎn)化，給出了使用極為方便的表格和簡(jiǎn)單算式。首先要根據(jù)管徑及缺陷幾何尺寸、材料性能、外載大小計(jì)算參量SC，判別出潛在的失效模式，最后根據(jù)不同的失效模式查出相應(yīng)的表格和算式。

6.中國(guó)在用壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)范

中國(guó)壓力管道缺陷評(píng)定主要是依據(jù)《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》（GB/T 19624-2004）進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)把缺陷分為平面缺陷（裂紋、未熔合、未焊透及深度≥1 mm咬邊等）和體積缺陷（凹坑、氣孔、夾渣以及深度＜1 mm的咬邊等），給出了含局部減薄、未焊透缺陷壓力管道免于評(píng)定條件和塑性失效工程評(píng)定方法。首次提出了含體型缺陷壓力管道組合載荷作用下三維結(jié)構(gòu)極限上、下限分析的逐步漸近法等3種塑性極限載荷分析的數(shù)值計(jì)算方法，首次建立了應(yīng)用簡(jiǎn)便、精度高、適用于任意應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系材料的含周向面型缺陷壓力管道的U因子工程評(píng)定方法。

二、在役管道安全評(píng)定實(shí)例

1.基于GB/T 19624-2004的安全評(píng)定

2007年10月，依據(jù)GB/T 19624-2004，對(duì)大連某公司液化氣管線（圖1）在檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)埋藏缺陷進(jìn)行了安全評(píng)定。該管線于1997年投入使用，材料為20鋼，查《輸送流體用無縫鋼管》（GB/T 8163-1999），可知20鋼屈服強(qiáng)度ReL=245 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm=390 MPa，彈性模量E=200 000 MPa，泊松比ν= 0.3。管線操作壓力1.6 MPa，操作溫度為常溫，使用年限10 a。管線外徑為108 mm，公稱壁厚4 mm，實(shí)測(cè)最小壁厚3.8 mm，腐蝕速度C2=0.02 mm/a，減去2倍腐蝕量后的計(jì)算厚度Bs=3.68 mm。管道焊縫成型良好，管道支架結(jié)構(gòu)完好，操作平穩(wěn)，無明顯的壓力波動(dòng)。在焊口D12#根部存在整圈未焊透，自身高度α= 1.0 mm。下次檢驗(yàn)周期為3a后。

圖1　液化氣管線單線

（1）材料斷裂韌度計(jì)算。由于材料的斷裂韌度無法實(shí)測(cè)，且在使用狀況下無脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此在評(píng)定時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取壓力管道材料允許的最低沖擊韌性AKV=27 J。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給定的材料允許的最低AKV和JI（C材料斷裂韌度）下限值的關(guān)系，對(duì)未焊透缺陷取JIC=2.2AKV，根據(jù)換算關(guān)系得Kc是以應(yīng)力強(qiáng)度因子表示材料的斷裂韌度。

（2）缺陷處應(yīng)力計(jì)算。本次無損檢測(cè)中所發(fā)現(xiàn)的缺陷均為周向缺陷，故評(píng)定時(shí)只考慮軸向應(yīng)力。另外管道操作平穩(wěn)，無明顯的溫度及壓力波動(dòng)，故無須考慮疲勞損傷的問題。利用ANSYS有限元分析軟件中的管道單元對(duì)此液化氣管線進(jìn)行有限元分析，得焊口D12#處軸向應(yīng)力11.839 MPa，最大切應(yīng)力2.493 MPa，最大彎曲應(yīng)力45.862 MPa，軸向合成應(yīng)力57.701 MPa。

（3）起裂載荷比LrF、U因子及許可流變應(yīng)力比的確定。確定起裂載荷比LrF時(shí)，首先計(jì)算，在GB/T 19624-2004中表G.1，查得缺陷無因次長(zhǎng)度（θ/π）和缺陷相對(duì)深度（α/B）s，則有LrF=1.2。根據(jù)。由缺陷無因次長(zhǎng)度和缺陷相對(duì)深度，查GB/T 19624-2004中表G.2，可得許可流變應(yīng)力比=1.07。

（4）缺陷安全性評(píng)價(jià)見式（1）。

式中σm——軸向膜應(yīng)力，MPa

σB——彎曲應(yīng)力，MPa

由公式1確定缺陷是否安全。將各數(shù)值帶入式1，可得σm+ σB=57.7MPa，因此該缺陷是安全的，并具有一定安全裕度。

2.基于SINTAP的安全評(píng)定

SINTAP-FAD方法的基礎(chǔ)方程見式（2）。

式中Kr——KI/Kmat

Lr——F/FY

F為施加載荷，F(xiàn)Y為極限載荷（與屈服強(qiáng)度有關(guān)，并且依賴于幾何形狀和缺陷尺寸）。點(diǎn)（Lr，K）r在斷裂評(píng)定曲線定義范圍內(nèi)，即可避免斷裂發(fā)生；反之，若點(diǎn)（Lr，K）r在斷裂評(píng)定曲線定義范圍以外，則認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是不安全的。

（1）SINTAP評(píng)定軟件。評(píng)定軟件根據(jù)SINTAP評(píng)定方法的前3個(gè)等級(jí)采用VB進(jìn)行編制，根據(jù)“缺陷方向”的選擇，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后，可得出評(píng)定結(jié)果，軟件界面見圖2。

圖2　SINTAP軟件界面

（2）評(píng)定結(jié)果。將液化氣管線（圖1）的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到軟件中，得出評(píng)定失效評(píng)定曲線（圖3）。從中可以看出，采用SINTAP一級(jí)方法進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定點(diǎn)在評(píng)定曲線定義范圍內(nèi)，因此，該超標(biāo)缺陷是安全的。

三、結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代工業(yè)和力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，由于設(shè)計(jì)壓力提高、高強(qiáng)度鋼材的大量使用、焊接技術(shù)的普遍運(yùn)用以及設(shè)備使用的嚴(yán)酷化等因素，各國(guó)都在逐漸修訂和改進(jìn)自己的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)超標(biāo)缺陷進(jìn)行合乎使用的評(píng)定，一方面可減少不必要的過大安全裕度，同時(shí)又考慮到了影響安全的各種因素。在保證安全前提下正常恢復(fù)使用一批帶有缺陷的管道，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

圖3　失效評(píng)定曲線

〔編輯凌瑞〕

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