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在役含缺陷壓力管道安全評(píng)定方法

文檔作者：種玉寶于惠君劉明亮唐文慶文檔來(lái)源：大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月16日
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第39卷第6期
2010年l1月
石油化工設(shè)備
PETRO—CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．39 No．6
NOV．2O1O
文章編號(hào)：1000—7466(2010)06—0020—03
在役含缺陷壓力管道安全評(píng)定方法
種玉寶，于惠君，劉明亮，唐文慶
(大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所，遼寧大連116012)
摘要：簡(jiǎn)要評(píng)述了國(guó)內(nèi)外幾種典型的含缺陷壓力管道安全評(píng)定的方法，并以含超標(biāo)缺陷壓力管道
為例，重點(diǎn)講述了我國(guó)對(duì)在役含缺陷壓力管道進(jìn)行安全評(píng)定的方法和過(guò)程。
關(guān)鍵詞：壓力管道；缺陷；安全評(píng)定；方法
中圖分類號(hào)：TQ 055．8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
Safety Assessment M ethods for In—service Pressure Piping Containing Defects
CHONG Yu—bao，YU Hui-j un，LIU Ming-liang，TANG Wen-qing
(Dalian Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute，Dalian 116012，China)
Abstract：The safety assessment several representative methods for pressure piping with defects
are summarized and appraised briefly．Take pressure piping containing over—proof defects for ex—
ample，the safety assessment method and process for in—service pressure piping containing defects
in China are narrated mainly．
Key words：pressure piping；defect；safety assessment；method
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)備之一。
由于種種原因，我國(guó)相當(dāng)數(shù)量的管道存在著各種各
樣的缺陷，需要進(jìn)行安全評(píng)定的超標(biāo)缺陷數(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)其進(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)一步損害材質(zhì)，使材質(zhì)性能下降
乃至產(chǎn)生新的缺陷。因此，對(duì)在役管道進(jìn)行檢驗(yàn)方
法的研究以及對(duì)產(chǎn)生缺陷的管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)定
具有重要意義口州]。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。
1 常用壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)范介紹
近年來(lái)，國(guó)際上廣泛地將缺陷評(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(lái)越成熟，已在國(guó)際上形成了一個(gè)分支學(xué)
科，在廣度和縱深兩方面均取得了重大發(fā)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)等均取
得了很大的進(jìn)展。
1．1 以斷裂力學(xué)J積分為判據(jù)的評(píng)定方法
對(duì)于含缺陷結(jié)構(gòu)，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．廠
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(guò)含缺陷管道
在載荷作用下產(chǎn)生的斷裂推動(dòng)力-，積分與管道材
料抗斷裂阻力( 阻力啦線)的比較，可以判斷裂紋
收稿日期：2010-06-02
基金項(xiàng)目：遼寧省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目— — 在用壓力管道檢驗(yàn)與安全分析研究(20076014)
作者簡(jiǎn)介：種玉寶(1976一)，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，工程師，碩士，主要從事壓力管道和壓力容器定期檢驗(yàn)和監(jiān)督檢驗(yàn)工作。
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第6期 種玉寶，等：在役含缺陷壓力管道安全評(píng)定方法
的啟裂與失穩(wěn)[7]：
J—J (起裂時(shí))
dJ／da—dJ ／da(塑性失穩(wěn)時(shí))
式中，J 為材料的斷裂韌度，MPa·m ；dJ／da、
dJ ／da分別為推動(dòng)力和材料阻力對(duì)裂紋擴(kuò)展的變
化率。
1．2 歐洲缺陷評(píng)定方法SINTAP
1996年，歐洲委員會(huì)為了建立一個(gè)統(tǒng)一的合于
使用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，組織了一個(gè)研究計(jì)劃，共有9個(gè)國(guó)家
的17個(gè)組織參加，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SINTAPl8 。
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、塑性破壞以及二者間的相
互作用。根據(jù)可獲得的材料信息量，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)果并不是說(shuō)分析的失敗，而應(yīng)該是把分析
級(jí)別推向更高。若低級(jí)別的分析足以證明結(jié)構(gòu)安
全，就沒(méi)必要進(jìn)行更高級(jí)別的分析。
1．3 英國(guó)R6評(píng)定方法(雙判據(jù)準(zhǔn)則)
R6評(píng)定方法是由英國(guó)中央電力局提出的，它的
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
評(píng)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。
1．4 美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 579
近年來(lái)，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)范中最引人注目的就是已出版的API 579
《推薦用于合乎使用的實(shí)施辦法》和API 580~Risk—
Based Inspection}[1 ]。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)的不同之
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_1 M]。
1．5 ASME XI IWB一3650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
的口 。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一3650
規(guī)范的編制者經(jīng)過(guò)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S ，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。
1．6 我國(guó)在用壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)范
我國(guó)對(duì)壓力管道缺陷進(jìn)行評(píng)定主要是依據(jù)
GB／T 19624-2004~在用含缺陷壓力容器安全評(píng)
定》進(jìn)行_】 。該標(biāo)準(zhǔn)把缺陷分為平面缺陷(裂紋、未
熔合、未焊透及深度大于等于1 mm咬邊等)和體積
缺陷(凹坑、氣孔、夾渣以及深度小于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。
2 在役管道安全評(píng)定實(shí)例
2007—10，筆者依據(jù)文獻(xiàn)[16]對(duì)如圖1所示的大
連某公司液化氣管線在檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)埋藏
缺陷進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)。該管線于1997年投入使
用，材料為2O鋼，查GB／T 8163 1999《輸送流體用
無(wú)縫鋼管》¨】 ，可知2O鋼的下屈服強(qiáng)度R 一
245 MPa，抗拉強(qiáng)度R 一390 MPa，彈性模量E一
200 000 MPa，泊松比 一0．3。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，公稱壁厚為4．0 mm，實(shí)測(cè)最小壁厚
為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B 一3．68 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(wú)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a=1．0 mm。下次檢驗(yàn)周期為3 a后。
圖1 液化氣管線單線圖
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· 22· 石油化工設(shè)備 2010年第39卷
2．1 材料斷裂韌度計(jì)算
由于材料的斷裂韌度無(wú)法實(shí)測(cè)，而且在使用狀
況下沒(méi)有脆化傾向，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A 、，一27 J。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給定的材料
允許的最低Axv和， c下限值的關(guān)系，對(duì)未焊透缺陷
取J ===2．2A 、，，根據(jù)換算關(guān)系得到以應(yīng)力強(qiáng)度因
子表示的材料斷裂韌度K 一~／EJ ／(1一v )一
3 613 N／mm。 。
2．2 缺陷處應(yīng)力計(jì)算
本次無(wú)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(wú)明顯的溫度及壓力波動(dòng)，故無(wú)須考慮疲勞損
傷的問(wèn)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，得到焊
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57．7O1 MPa。
2．3 L 、L，因子及 的確定
確定起裂載荷比L 時(shí)，首先計(jì)算R ^／／B。／Kc，
缺陷無(wú)因次長(zhǎng)度 ／7c及缺陷相對(duì)深度a／B 由文獻(xiàn)
[16]表G．1查得，對(duì)于本例則有L 一1．2。
根據(jù)u一 壺 ，得【，一1．o8。
由缺陷無(wú)因次長(zhǎng)度 ／ 及缺陷相對(duì)深度a／B ，
查文獻(xiàn)E16]表G．2可得許可流變應(yīng)力比 一1．o7。
2．4 缺陷安全性評(píng)價(jià)
缺陷是否安全由下式確定：
(am+O'B)≤ (1)
式中， 為軸向膜應(yīng)力，de為彎曲應(yīng)力，MPa。
將以上各數(shù)值帶入式(1)計(jì)算可得( + n)：==
57．7 MPa< —(R
—
eL + Rm)a
一314．6 MPa，因此該缺陷
是安全的，并具有一定的安全裕度。
3 結(jié)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)壓力的提高、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)都在逐漸對(duì)自己的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)
行修訂和改進(jìn)。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(guò)大的安全裕度，同時(shí)
又考慮到了影響安全的各種因素。在保證安全的
前提下正?；謴?fù)使用一批帶有缺陷的管道，具有
重要現(xiàn)實(shí)意義。
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(張編)

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