管道的失效評定方法研究

常方圓 馬貴陽 冉龍飛 安利姣

摘 要：管道是油氣輸送的主要形式，在國民生產、生活中起著重要作用。由于管道輸送介質的易燃、易爆等特點，正在服役的管道由于承受載荷過大、過量變形等原因引發管道產生失效行為，其后果可能污染環境，引發人員傷亡，造成經濟損失。基于管道失效所帶來危害的災難性，實際工程中采用失效評定圖法、基于應力的失效評定方法、基于應變的失效評定方法作為管道失效行為的判定依據，對管道的失效情況作出評定，以保證管道安全、可靠、高效運行。

關 鍵 詞：管道；介質；易燃；易爆；失效

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1580-03

Study on Failure Assessment Method for Pipelines

CHANG Fang-yuan， MA Gui-yang， RAN Long-fei， AN Li-jiao

（Liaoning Shihua University ， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract：Pipeline is the main way to transport oil and gas， and it plays an important role in the national production and life. Because the medium of pipeline transportation is flammable， explosive and other characteristics， the failure of pipeline in service due to too large load or excessive deformation may pollute the environment， cause casualties and economic loss. Based on catastrophic damages of pipeline failure in the actual engineering， the failure assessment diagram method， the failure assessment method， stress based failure assessment method are usually used to assess the pipeline failure， in order to ensure safe ，reliable and efficient operation of the pipeline.

Key words：Pipeline；Medium；Flammable；Explosive；Failure

管道作為油氣資源輸送的主要方式，為“西氣東輸”等長距離油氣輸送管線的建立起著重要作用，并促使輸送管網的進一步完善。由于管道鋪設距離的進一步增加，管道不可避免的會經過各種地質災害（如地震、塌陷、滑坡、泥石流等）頻發區，可能對管道的安全運行造成影響。因為受到各種地質災害影響的管道，在拉伸載荷、壓縮載荷等多種載荷的共同作用下，管道可能會產生不同程度的變形，過量變形可導致管道斷裂失效。因此在進一步延長油氣輸送管線距離的同時，應確保管道的安全運行，需及時、正確的對管道的適用情況和失效情況作出評定[1，2]。

因為通過管道失效風險評估，可以降低管道事故的發生概率，減少因為不必要的管道維修和更換帶來的巨大經濟成本，這對提高經濟效益，保證管道安全、高效運行有著重要意義。

1 油氣管道的失效模式及原因

根據管道失效的各種案例分析得出，油氣管道的失效模式有斷裂、過量變形、腐蝕、機械損傷四種[3]，如表1所示。針對油氣管道的失效模式，其失效原因包括外部干擾、腐蝕、焊接及材料缺陷、設備和操作等原因。依據實際管道失效案例分析得出油氣管道失效原因，如表2所示。

表1 油氣管道的失效模式

Table 1 The failure mode of oil and gas pipeline

失效原因 分 類

外部干擾 第三方人為造成的機械損傷

地面交通因素引起的疲勞失效

自然災害引起的管道損傷

腐蝕 內腐蝕：輸送介質引起

外腐蝕：外部環境引起

焊接及材料缺陷 焊接缺陷和材料缺陷

設備和操作 設備故障和違規操作

其他原因 混合型原因和未知原因

表2 油氣管道失效原因

Table 2 Oil and gas pipeline failure

模式類型 分 類

斷裂 脆性斷裂：斷口以結晶狀為主

延性斷裂：斷口以剪切狀為主

疲勞斷裂

應力腐蝕和氫致開裂

過量變形 過載引起的屈曲、伸長、膨脹等

外力引起的壓扁

焊接引起的變形

腐蝕 內腐蝕、表面腐蝕、化學腐蝕、電化學腐蝕

機械損傷 第三方人為造成的機械損傷

2 管道失效判定方法

隨著世界各國對管道失效行為的進一步研究，已經提出各種工程失效評定方法或規范。依據實際情況采用不同的失效評定方法或規范，保證失效評定的正確性。

2.1 失效評定圖法

失效評定圖法最為常用，最初該方法是由D-M模型發展而來的，在極限狀態下[5，6]：

（1）

依據（1）式，以Lr為橫坐標，Kr為縱坐標，得到如圖1所示的失效評定圖：

圖1 基于D-M模型的失效評定圖

Fig.1 The failure assessment diagram based on D-M model

失效評定圖法對彈性斷裂和塑性失穩兩種情況作出判定，當Kr=1時，為線彈性斷裂判定依據；Lr=1時，為塑性失穩的判定依據。通過Kr和Lr 確定評價點在失效評定曲線的內側還是外側，若外側則評價管道的結構不安全。

2.2 基于應力的失效評定方法

實際工程管道設計中應滿足強度要求，即管道所受的最大應力應小于管材的最小屈服應力。在評定管道失效行為時，管道的強度應同時滿足兩個條件，即環向應力條件和組合應力條件[7]：

環向應力條件：

（2）

對于薄壁管道，忽略徑向應力，只考慮環向應力和軸向應力。常用評價管道失效的校核條件為Tresca屈服條件和Mises屈服條件，兩種屈服條件的只主要區別在于主應力σ2對屈服是否起作用。

Tresca屈服條件：

（3）

Mises屈服條件：

（4）

式中：φ-設計系數；σs -管材的最小屈服強度。

2.3 基于應變的失效評定方法

為防止管道受外界載荷作用產生過量變形，導致管道產生失效行為，可采用基于應變的失效評定方法來評價管道失效。管道應變能力分為壓縮應變、拉伸應變以及橢圓化變形的限制[8，9]。在各種載荷共同作用下，管道應變能力應滿足以下條件：

壓縮應變：

（5）

拉伸應變：

（6）

橢圓化變形：

（7）

式中：φcf -壓縮應變的阻力因子；

φct -拉伸應變阻力因子。

在缺乏具體信息時，管道的極限拉伸應變εtcrit、極限壓縮應變εccrit和臨界橢圓化變形率Δθcrit按照加拿大油氣管道規范CSA-2662 2007要求計算得到。

3 算例

某管線為例，按照以上方法，對該管線分別基于應力和應變兩種方法進行安全評定，得到評定結果。

（1）設計參數：管徑0.508，壁厚0.008 7，鋼級X60，設計壓力10 MPa，最小屈服強度414 MPa，內壓，線膨脹系數1.2×10-5 mm/（mm·℃），操作溫度和安裝溫度之差為40 ℃，管道的設計系數取值為0.72。

（2）缺陷尺寸參數：最大可接受表面缺欠參數：長25 mm，深5 mm；拉伸應變阻力因子φεf，無內壓取0.8，有內壓0.7；壓縮應變阻力因子φεc取0.8；表觀CTOD韌性δ：0.24 mm；屈強比λ：0.9。

計算結果如下：

（1） 基于應力評定：

環向應力：

上述計算過程表明滿足管道強度要求。

內壓引起的管道軸向應力：

溫度引起的管道熱應力：

管道軸向應力和環向應力的組合應力不應大于0.72σs。

組合應力：

上述計算過程表明滿足強度要求。

理論計算得到管道的環向應力和組合應力同時滿足強度要求，所以管道處于安全工作狀態。

（2）基于應變評定：

應用加拿大CSA-Z662油氣管道標準計算管道的極限拉伸應變和極限壓縮應變，計算結果如表3所示：

表3 管道的極限應變和容許應變

Table 3 Ultimate strain and allowable strain of pipeline

應變類型 拉伸應變，% 壓縮應變，%

極限應變 0.57 0.80

容許應變 0.40 0.64

基于選取的拉伸或壓縮應變阻力因子，理論計算得到管道的極限應變和容許應變，應用文中介紹的基于應變的評定方法判定管道的適用情況和失效情況，得到在有內壓情況下，該管線管道滿足應變要求，處于適用階段，能夠繼續使用。

4 結 論

針對油氣管道的失效模式、失效原因，采用不同的管道失效評定方法，對管道失效作出比較準確的評價，以保證管道安全、高效運行，最大限度的減少輸送費用。

分析上述三種管道失效評定方法，失效評定圖法理論嚴格、操作簡便、安全可靠，并可對線彈性斷裂和塑性失穩作出判定，適用于含裂紋缺陷的油氣管道。基于應力的失效評定方法在強度校核過程中，針對管道鋪設所經地區等級的不同，管道設計系數取值不同。根據設計系數完成管材最小屈服應力到許用應力的計算。基于應變的失效評定方法對管材性能要求較高，需考慮拉伸強度、屈服強度等參數，因為基于應變的失效評定方法依賴于管道屈服后的受力情況。通過實際管線的參數，分別通過基于應力、應變對該管線的失效以及適用情況作出評定，結果表明管道適用，但是強度要求已經接近極限取值，在管道運行中，應采取措施實時監測，一旦達不到要求，應采取相應的措施保證管道安全運行。

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中國成為全球鉀肥新引擎

中國鉀鹽鉀肥工業經歷50多年的發展，成為繼加拿大、俄羅斯和白俄羅斯之后的第四大鉀鹽鉀肥生產國。同時，中國的鉀鹽鉀肥研究水平也達到全球領先。中國無機鹽工業協會鉀鹽鉀肥行業分會會長李剛表示：“中國鉀鹽鉀肥行業在全球具有舉足輕重的地位和作用。在產能方面，十二五”期間，中國鉀鹽鉀肥工業得到快速發展，到2014年底，中國共有鉀肥生產企業200多家，資源型鉀肥產能682萬噸/年，產量553萬噸（以K2O計）。目前中國鉀鹽鉀肥已形成了科研、設計、設備制造、施工安裝、生產、銷售、農化服務等一套完整的工業體系，產品的市場競爭力也在不斷增強。

中國地質科學院礦產資源研究所、中國工程院院士鄭綿平指出，在科技方面，中國鉀鹽鉀肥工業經過多年發展，在資源勘探開發方面打破了“中國鉀資源赤貧、中國無鉀可尋”的老論斷。這主要是由于我們有技術和資源綜合利用方面取得一系列新成果，擁有了一批具有自主知識產權的科技成果。中科院青海鹽湖研究所常務副所長段東平認為，中國科學院青海鹽湖研究所建所以來多次組織鹽湖科考隊，行程數十萬公里，對全國的主要鹽湖資源進行了系統深入的調查，積累了豐富的基礎資料，基本摸清了中國鹽湖情況，初步建立了高原鹽湖成鹽演化、成礦規律的理論體系。