含缺陷壓力管道安全評定系統的開發

林 橋 張卓凡 肖超波 陳 成 徐加初

（1.廣州特種承壓設備檢測研究院；2.暨南大學力學與建筑工程學院）

油氣運輸管道和燃氣運輸管道是維系現代城市與區域經濟、 社會功能的基礎性工程設施，保障壓力管道的安全運營對社會經濟的穩定與發展有著至關重要的意義。 壓力管道尤其是油氣運輸管道一般都是埋在地下的，在外力或者土壤等因素作用下管體會發生譬如凹坑、機械損傷及腐蝕等缺陷，降低管道材料的力學性能，如果不能及時檢測和處理，將會產生極大的安全隱患［1］。我國針對壓力管道上各種類型的缺陷制定了若干相應的評定標準，但由于每個標準的評定依據不同，所需的評定參數不同，且評定時過程繁復、計算量大給工程人員的評定帶來諸多困難。 同時， 長距離運輸管線缺陷類型和缺陷數量眾多，使得評定工作費時費力。

筆者整合《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》（SY/T 6477—2017）、《鋼質油氣管道凹陷評價方法》（SY/T 6996—2014）、《鋼質管道管體腐蝕損傷評價方法》（SY/T 6151—2009）、《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624—2019）中的附錄G、H、I 等諸多評價標準［2～5］，基于Python語言開發出一款可視化的壓力管道安全評定系統，可對多個同類型缺陷或批量缺陷進行同時評定，為相關工程技術人員提供一種高效快捷的評定工具。

1 評定系統概述

1.1 系統運行環境

系統采用面向對象的編程語言Python，它是一種廣泛使用的高級語言，具有可讀性強、開源性強和可移植性強的特點， 它也是一種腳本語言，開發代碼的效率非常高，在語法表達和GUI應用上有著獨特的優勢［6］。 利用其成熟的庫PYQT5 作為可視化開發的主要輔助工具。系統可以運行在Windows7 及以上版本的系統中， 界面簡潔，操作簡單，并且預留了接口，方便后續的版本更新。

1.2 系統功能設計

系統綜合了國內關于工業管道的評定標準，按照缺陷類型分類，整理出5 個最適用的評定模塊， 分別為凹坑缺陷/帶凹坑復合缺陷評定模塊、腐蝕缺陷/金屬減薄缺陷評定模塊、點蝕缺陷評定模塊、錯邊斜接缺陷評定模塊和焊縫上缺陷評定模塊。 每個評定模塊界面分為4 部分：適用條件說明、材料結構參數、缺陷參數和評定結果顯示。主要操作放在缺陷參數輸入界面中，包括返回主界面、導入數據和運算功能。 使用時依據適用條件選擇合適的評定方法，依次輸入材料結構參數和缺陷參數，點擊運行按鈕即可進行評定。 其中材料結構參數為單個數據輸入框，即評定對象應為同一管線上的缺陷；缺陷參數可進行多個缺陷數據的輸入，或者以Excel 數據文件導入，以實現多個缺陷或批量缺陷同時評價的功能。 對于判定為不安全的缺陷，系統會以紅色字體顯示起到提示用戶的作用，并給出原因。 為了保持系統界面的簡潔性，將材料力學性能數據庫、相關缺陷規則化流程、材料屬性取值估算及依據等輔助知識庫模塊放入word 說明文檔中，在系統主界面中可以點擊幫助進入幫助文檔，輔助用戶查詢相關參數和準則。 系統的總體框架如圖1 所示，評定系統的主界面如圖2 所示，限于篇幅，沒有給出各模塊的輸入界面。

圖1 系統總體框架

圖2 評定系統主界面框圖

2 主要功能模塊的評定標準

2.1 凹坑缺陷/帶凹坑復合缺陷評定模塊

此模塊適用于大部分凹坑缺陷和部分帶凹坑的復合缺陷，可以選擇《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》（SY/T 6477—2017）和《鋼質油氣管道凹陷評價方法》（SY/T 6996—2014）。 前者是依據基于深度的評定準則和基于應變的評定準則，該評定方法由于評定所需參數較少，測量步驟簡單，對于一些安全程度一般或者修復較為容易的管道推薦使用該評定準則［7］。 后者給出了單純平滑凹陷和凹坑與溝槽復合缺陷的評定方法，相對前者所需參數較多， 前期測量工作較復雜，但給出的評定結果更精準，提供了降壓運行的判別條件并能計算出降壓運行壓力的具體數值，適合安全級別較高的管道評定。

系統在凹坑缺陷評定模塊中，給出了3 種類別的評定方法，用戶可以根據檢測技術能力和實際需求選擇不同的評定方法進行評定，并可進行多個評定方法的對比分析。

2.2 腐蝕缺陷/金屬減薄缺陷評定模塊

腐蝕缺陷是埋地管道最常見的缺陷類型［8］，對于該類缺陷的處理一般采用打磨后再測量的方法，因此對于該類缺陷可以視作局部減薄體積型缺陷來處理，系統依據《鋼質管道管體腐蝕損傷評價方法》（SY/T 6151—2009）和《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》（SY/T 6477—2017）中含體積型缺陷管道剩余強度評定構建了評定腐蝕缺陷、金屬損失及制造缺陷等體積型缺陷的完整評定流程。 前者將腐蝕缺陷分為橫向腐蝕缺陷和縱向腐蝕缺陷，采用管體腐蝕損傷尺寸評定法和最大安全工作壓力評定法相互結合，該方法流程清晰，所需測量參數較少。 后者將主要評定的體積型缺陷分為均勻腐蝕缺陷和局部金屬損失缺陷，系統將這部分分成均勻腐蝕缺陷評定模塊和局部金屬損失缺陷兩個評定模塊，均勻腐蝕缺陷評定中，有點測厚法（RTP）和危險截面法（CTP）兩種方法，系統嚴格按照選取條件將兩種方法內置，用戶只需要輸入相關數據，系統會自動選擇合適的方法進行一級或二級評定。 局部金屬損失缺陷評定中，二級評定需要將截面分為多個并分別計算材料截面剩余強度因子（RSF），檢測任務加大， 因此系統將一級評定與二級評定分開，對于安全級別較高的管道可采用二級評定進行評估。

2.3 點蝕缺陷評定模塊

點蝕缺陷是管道彌散損傷缺陷的一種，是腐蝕缺陷的初級階段，由于現有的技術可以對點蝕進行無損檢測［9］，因此系統單獨開設點蝕缺陷評定模塊，對該類缺陷的評定采用的是《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》（SY/T 6477—2017）中的含彌散損傷型缺陷管道剩余強度評定方法，借用了體積型缺陷的評價方法，將管道彌散損傷缺陷視作孔洞型均勻損傷，基于損傷力學，通過研究缺陷損傷隨時間演化規律、損傷沿壁厚方向分布規律和損傷材料宏觀力學性能退化規律，建立的極限承壓能力工程評定方法。

2.4 錯邊斜接缺陷評定模塊

此模塊包含錯邊缺陷評定和斜接缺陷評定。錯邊缺陷是指管道在焊接或安裝過程中由于工程問題造成的環焊縫錯邊缺陷，分為等直徑錯邊和不等直徑錯邊。 斜接缺陷是指鋼管對接焊縫產生斜接而引起的缺陷。 對這兩類缺陷的評定采用的是《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》（SY/T 6477—2017）中含錯邊和斜接缺陷管道剩余強度評定方法，僅考慮管道所受載荷不會進一步引起錯邊變形的情況。

此模塊分為錯邊缺陷和斜接缺陷兩部分，用戶可以按照評定規則分別進行評定。 兩類缺陷評定均不考慮附加應力的影響，對于有較大附加載荷的缺陷不適用。

2.5 焊縫上缺陷評定模塊

焊縫缺陷是對焊縫及與焊接有關的缺陷的總稱，在系統中主要包括未熔合、未焊透等平面缺陷和氣孔、 夾渣及特定未焊透缺陷等體積缺陷。

對于非焊縫缺陷，如裂紋和局部減薄也可以用此模塊進行評定，由于本系統對于裂紋默認為打磨成局部減薄評定或直接修復處理，并沒有針對裂紋等缺陷設置相應的安全評定，因此僅能進行直管段平面缺陷中的安全評定中的裂紋計算。此模塊適用于在內壓或內壓與彎矩組合載荷下的彎頭、三通、直管上體積缺陷和平面缺陷的安全評定。

3 工程實例

3.1 工作實例與結構參數

均勻腐蝕是導致金屬管道失效的主要原因之一，因此以工程中的均勻腐蝕為例進行計算［10］。

某油氣運輸管道檢測出一個腐蝕缺陷，因腐蝕區域相對均勻，將腐蝕區域打磨后測得變異系數COV 為2%，按均勻腐蝕缺陷評定方法進行評定，其材料結構參數如下：

管材 20#

工作壓力 2.6 MPa

工作溫度 15 ℃

外徑 720 mm

內徑 700 mm

彈性模量 206 GPa

泊松比 0.3

屈服強度 345 MPa

缺陷參數如下：

管材 20#

寬度 90 mm

軸向長度 100 mm

深度 6 mm

變異系數 2%

缺陷位置 直管段

3.2 系統評定結果

打開評定系統，通過主界面進入腐蝕缺陷/金屬減薄缺陷評定模塊，進入模塊后選擇“局部減薄評定”，進入“均勻腐蝕減薄”子模塊中，依次輸入材料結構參數和缺陷參數，其中管道設計系數F 取0.8，未來腐蝕裕量FCA 取2 mm，均勻減薄厚度LOSS 取2 mm， 由于腐蝕區域經打磨處理，表面較光滑，缺陷參數中厚度均可取4 mm。 點擊“運行”，系統會自動選取合適的評定方法，將結果顯示到“評定結果”一欄中。 最終評定結果為點測厚法運算，且管道不安全，需要降壓處理，最大允許工作壓力為1.7 MPa， 缺陷參數輸入界面如圖3 所示，評定結果如圖4 所示。

圖3 均勻腐蝕評定缺陷參數輸入

圖4 均勻腐蝕評定結果

3.3 ANSYS 仿真驗算

為了驗證評定系統的可靠性， 采用ANSYS對3.2 節中的含均勻腐蝕減薄的缺陷管道進行有限元計算。 利用ANSYS workbench 平臺建立管道模型，為了保證計算結果的可靠性，管長取外徑的3 倍［11］，即2 160 mm，將管道缺陷規則化為均勻壁厚缺失的模型，減薄厚度為6 mm，坑底為圓柱面。 由于模型尺寸和載荷具有對稱性，取局部管道和缺陷區域的1/2 建立理想化模型， 為了避免應力集中的影響，將缺陷周圍棱角處設置為3 mm 的倒角［12］。 在兩端部的薄壁上設置軸向位移約束，對稱面上設置對稱約束，并依據系統計算結果，在管道內表面施加1.7 MPa 的內壓，模型如圖5 所示，網格劃分如圖6 所示。

圖5 含均勻腐蝕缺陷管道模型

圖6 網格劃分

腐蝕管道的失效可由腐蝕區域von-Mises等效應力來確定，即采取塑形局部失效的失效模式［13］，認為當腐蝕區域的等效應力σ 超過管道的屈服強度時，即為失效。 依據有限元的計算結果（圖7）可知，含缺陷壓力管道在評定結果的要求內壓下， 最大等效應力發生在減薄區域的倒角處，數值為314.16 MPa，安全裕度為8.9%，與系統計算結果基本符合。

圖7 ANSYS 計算結果

4 結論與展望

4.1 系統基于《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》（SY/T 6477—2017）、《鋼質油氣管道凹陷評價方法》（SY/T 6996—2014）、《鋼質管道管體腐蝕損傷評價方法》（SY/T 6151—2009）、《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624—2019）中的附錄G、H、I 等諸多評價標準中壓力管道的評定方法綜合而成。 可以為工程技術人員提供多種評定標準以供選擇，工程人員可以根據現場的工程條件和可以獲取的測量參數選擇合適的標準進行評定。

4.2 使用系統進行安全評定時，可以免去瑣碎復雜的計算環節，界面友好簡潔，能夠方便、快捷、精準地幫用戶實現含缺陷壓力管道的安全評定，計算結果安全可靠并保有一定的安全充裕度，極大地縮短了評定時間，提高了工作效率。

4.3 系統對于含缺陷壓力管道僅考慮內壓為主要載荷的情況， 并未考慮有較大附加應力的情況， 并且對于裂紋缺陷沒有確定的評定方式，僅做打磨處理，未來可以加入裂紋缺陷的評定方法并與ANSYS 等仿真系統結合獲取管道缺陷處應力數據輔助計算。