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公用熱力管道缺陷成因分析及安全評定

文檔作者：朱志彬文檔來源： 1福州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 2廈門市特種設(shè)備檢驗檢測院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月17日
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·34·
l婦rial 工業(yè)安全與環(huán)保 2011年第37卷第2期 Safety and Environmental Protection Febnm珂2011
公用熱力管道缺陷成因分析及安全評定
朱志彬。’。
(1福州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建，福州，350108：
2廈門市特種設(shè)備檢驗檢測院，福建，廈門，361004)
摘要介紹了某熱電廠公用熱力管道全面檢驗中發(fā)現(xiàn)的裂紋和未焊透兩類缺陷。通過受力分析計算出管道在運行
狀態(tài)下的應(yīng)力分布狀況，詳細(xì)分析了螺旋縫埋弧焊鋼管在制造過程中產(chǎn)生裂紋的各種因素，指出應(yīng)該重視焊接鋼管的焊接
質(zhì)量檢測。利用G蛐％24--2004(在用含缺陷壓力容器安全評定>中給出的壓力管道直管段體積缺陷安全評定方法，對環(huán)
焊縫上適用范圍內(nèi)的未焊透缺陷進(jìn)行安全評定，結(jié)果表明，在正常使用工況下該缺陷未發(fā)生擴(kuò)展時是安全的。
關(guān)鍵詞壓力管道裂紋未焊透缺陷安全評定
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e引言
公用熱力管道是用來輸送蒸氣或過熱水等熱能介質(zhì)、供
給公共和民用設(shè)施、城市或村鎮(zhèn)使用的管道。它具有溫度
高、壓力大、流速快等特點，其任務(wù)是將鍋爐產(chǎn)生的熱能既經(jīng)
濟(jì)合理又安全可靠地送達(dá)各熱能使用點，以滿足生產(chǎn)、生活、
采暖和空調(diào)等熱源的需要。近年來，隨著大量管道投入使用
時間的延長而出現(xiàn)失效，熱力管道的事故時有發(fā)生。
l檢驗情況描述
某熱電廠向外供汽用的公用熱力管道，設(shè)計壓力為P=
1．27 MPa，設(shè)計溫度為t=210℃，管道內(nèi)輸送介質(zhì)為蒸汽。
該管道部分沿路面鋪設(shè)，部分埋地敷設(shè)，建成投用4年后首
次進(jìn)行全面檢驗。主管線中有一管段為螺旋縫埋弧焊鋼管
(標(biāo)準(zhǔn)號為SYfrS037--2000)，規(guī)格為D426X8，材料為Q235B，
對鋪在地面上6根同一批螺旋縫埋弧焊鋼管的螺旋焊縫進(jìn)
行外表面磁粉檢測，在每根鋼管的焊縫熱影響區(qū)均發(fā)現(xiàn)大量
連續(xù)或間斷的直線狀表面細(xì)小裂紋，裂紋走向大致與焊縫平
行，深度較淺，裂紋總長度將近30 m，其中一根12 m長鋼管
上裂紋長度與整條焊縫相等。通過超聲波檢測該管道另一
直管段(材料為20。)上的3個環(huán)向?qū)咏宇^均發(fā)現(xiàn)存在未
焊透缺陷，其中最嚴(yán)重未焊透缺陷的周向指示長度為200
姍，高度為4蚴。檢測后對外表面所有裂紋進(jìn)行打磨消
除。
2鋼管受力情況分析
通過有限元方法對螺旋縫埋弧焊鋼管的受力情況進(jìn)行
分析和強(qiáng)度校核。低壓供汽管道承受的主要載荷包括．Or質(zhì)
田l考慮溫莊場分布管道應(yīng)力丹布云田
3 螺旋縫埋弧焊鋼管裂紋成因分析
資料審查發(fā)現(xiàn)，管道的質(zhì)量證明書中管道規(guī)格為D426 x
9一，由2個不同制造廠家提供，而‘低壓流體輸送管道用螺
旋縫埋弧焊鋼管>sY／115037_2000標(biāo)準(zhǔn)中只有D426×8．8
咖的規(guī)格，且厚度尺寸與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)不一致；再從管道運
行中的受力分析結(jié)果及現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)裂紋的分布特點可以判斷。
該裂紋應(yīng)為管道制造過程中由于工藝不當(dāng)?shù)仍蛟诤缚p熱
萬方數(shù)據(jù)
35
影響區(qū)產(chǎn)生的細(xì)小微裂紋，投入運行后由于載荷等外界因素
的影響產(chǎn)生一定的擴(kuò)展。
在螺旋縫埋弧焊鋼管的制造過程中，焊接原材料和工藝
條件控制不當(dāng)?shù)纫蛩貢偈购缚p產(chǎn)生裂紋。鋼管原材料(包
括板材、焊材)中c、S、P、H、O等元素含量超標(biāo)及板材與焊
絲、焊劑的工藝匹配不合理，會導(dǎo)致焊縫抗裂紋能力下降，易
造成應(yīng)力集中區(qū)裂紋的產(chǎn)生。焊趾部位是主要的應(yīng)力集中
區(qū)，因而易形成焊趾裂紋。管道成型控制不好或母材變形量
不足，彈復(fù)量過大，以及焊接時焊接參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)?，都可?
成焊趾部位應(yīng)力增大而形成裂紋。
母材化學(xué)成分對產(chǎn)生熱裂紋的影響是較大的。C是一
個影響焊縫金屬性能的最重要的元素，但對抗裂性能來說卻
是一個極有害的雜質(zhì)，臨界C含量(即超過此含量就會出現(xiàn)
裂紋)取決于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、有無預(yù)熱、焊縫形狀及其他元素的
含量。S在鋼中是一個有害元素，焊縫金屬中含s量提高，
極大地提高了熱裂趨向。含s量高時會形成熔點很低(988
℃)的共晶Fe—FeS，在焊縫金屬幾乎都結(jié)晶后它們?nèi)砸砸耗?
形式分布于柱狀晶間，極易拉斷形成裂紋。P與S相似，會
生成低熔共晶，促使熱裂趨向提高。Q'235B和X52鋼化學(xué)成
分分析見表1。
表1 Q躞m、)i昭鋼的化學(xué)成分
材質(zhì)鋼管規(guī)格／(。。×一) 鋼管標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)廠家————————燮坌!墾量!垡!竺一
C Si Mn P S
Qr235B 0325×7 SY／'I'5037 攀鋼0．19 0．22 0．46 0．010 0．32
X52 0426×7 API SPEC 5L 武鋼0．11 0．24 0．99 O．011 0．007
從表1中可見，X52鋼的c、P、S等偏析元素的總含量明<管檢規(guī)>)對管道安全等級進(jìn)行評級。受檢管段材料為
顯低于Q235B，所以在生產(chǎn)中使用Q系列鋼比使用x系列管20'，未焊透缺陷按局部減薄定級，公用熱力管道按C．C2級
線鋼內(nèi)焊出現(xiàn)熱裂紋的幾率要高得多。因此，螺旋縫埋弧焊以下管道的要求評定。<管檢規(guī))對C．C2或GC3管道所允許>(以下簡稱
所檢管段外徑實測最大值D=426 mm；查腐蝕手冊介質(zhì)
對管道的腐蝕速率取0．05 lena，周期腐蝕量為o．15，壁厚
測量值為7．8 mm，故t=7．5 nml；未焊透缺陷深度為4姍，
長度B為200 neh，曰／(柏)≤0．25；最大工作壓力P=1．27
MPa；Rd,=245 MPa；計算得管道極限內(nèi)壓尸Io=10．14 MPa，尸<
0．3Pm=3．04MPao所以未焊透深度為4-mm>0．40t—C，故受
檢管道象全等級評為4級，應(yīng)停止使用并對缺陷進(jìn)行修復(fù)。
5 利用壓力管道直管段體積缺陷安全評定方法進(jìn)行評定
由于公用熱力管道涉及用戶較多，若停機(jī)返修時間太
長，必然造成較大損失，致使受檢企業(yè)無法承受。對于一時
無法緊急停機(jī)的情況，基于“合于使用?的原則采用安全評定
的方法對某些超標(biāo)缺陷的狀況進(jìn)行評定，可在一定期限內(nèi)保
證管道的安全運行，為企業(yè)贏得安排修理改造的時間。
GB／T19624--2004(在用含缺陷壓力容器安全評定)中給
出了壓力管道直管段體積缺陷安全評定方法，該方法是對
在內(nèi)壓和彎矩的組合載荷作用下，含氣孔、夾渣和局部厚度
減薄等體積缺陷及特定未焊透缺陷的鋼制在役壓力管道直
管段的安全評定方法。受檢管段材料20‘在實際使用工況
中無脆化傾向，塑性韌性良好，滿足GB／T19624--2刪,(在用
含缺陷壓力容器安全評定》附錄H．3的適用條件，可以用基
于塑性極限載荷的方法研究未焊透對該管段安全性能的影
響。
5．1缺陷的規(guī)則化及無量綱化處理
對經(jīng)檢驗查明的未焊透缺陷，根據(jù)其實際位置、形狀和
尺寸，按圖2所示，將其規(guī)則化為軸向半長月、環(huán)向半長口、
深度c的表面缺陷。
萬方數(shù)據(jù)
·36·
圖2 未焊透缺陷表征示意
對經(jīng)規(guī)則化處理得到的未焊透缺陷尺寸，按如下公式進(jìn)
行無量綱化處理：相對軸向長度口=A／C--面r。未焊透缺陷
寬度約為2哪，故A取1 nml，計算得口=0．03；相對環(huán)向長
度b=B／(嘁)(對于外表面缺陷)，b=B／(嘁)(對于內(nèi)表
面缺陷)。受檢管道缺陷環(huán)向半長B；100 nml，計算得b=
0．16；相對深度c=C／T=0．67。
根據(jù)評定標(biāo)準(zhǔn)中的計算方法，無缺陷管道在純內(nèi)壓下的
塑性極限內(nèi)壓P旅據(jù)公式PLO=丟口，h害進(jìn)行計算，代入
相關(guān)數(shù)據(jù)得PLo=10．14 MPao在純彎矩下的塑性極限彎矩
M旅據(jù)公式Mm=40"盛{里進(jìn)行計算，代人相關(guān)數(shù)據(jù)得
Mto=2 957 kN。mo
5．2免予評定的判別
如果未焊透缺陷能同時滿足下列條件，則該未焊透缺陷
可免于評定：①管道結(jié)構(gòu)符合設(shè)計制造要求；②P。／P∞《
O．3；③局部減薄或未焊透相對深度CO不超過表3規(guī)定的容
限值(co=[c+(％一r)]／％)。
受檢管道未焊透缺陷滿足免于評定的前2個條件①和
②，但CO=[4+(8—6)]／8=0．75>O．45，故不滿足條件③，應(yīng)
對該缺陷進(jìn)行安全評定。
裹3 壓力管道局部減薄與未焊透缺陷容限值
5．3 含缺陷管道在純內(nèi)壓和純彎矩下的塑性極限載荷的確
定
含缺陷管道在純內(nèi)壓下塑性極限內(nèi)壓PlS=PIs×Pm，式
中pts=0．95-0．85A，卡f算得pts=O．936，Pts=9．49 MPao
純彎矩下的塑性極限彎矩Mrs=IT／,Ls×Mm，式中打l璐=
COil《譬)一cm，)hb)，計算得t／I,峙=o．993，肘Ls=2936 kN·m。
5．4未焊透缺陷安全性評價
若式(乇)2+(憊)2≤o．44成,-'r，則該缺陷是安全或
可以接受的；否則，認(rèn)為不能保證安全或不可接受。式中P
為內(nèi)壓載荷，本文P取設(shè)計壓力值1．27 MPa。M為管道最
大彎矩，受檢管道未受外力作用，且設(shè)計有膨脹節(jié)，故管道最
大彎矩膨為管道支架中間位置由重力載荷口引起的彎矩
值[¨，肘=警，式中z為管道支架跨度，最大為12 m，計算得
M=14．55 kN·m。
代人上式得：(忐)2 4-(穩(wěn))2=(舄)2+(篆)2=
0．018<0．44，故該未焊透缺陷是安全或可以接受的。
6結(jié)論及建議
(1)通過對螺旋縫埋弧焊鋼管裂紋成因分析可以看出，
除焊接原材料和工藝條件等因素是導(dǎo)致螺旋焊管焊縫產(chǎn)生
裂紋的直接原因外，制造廠的質(zhì)保體系未能依照TSGZ0004
<特種設(shè)備制造、安裝、改造、維修質(zhì)量保證體系基本要求》給>中附錄H給出的壓力管道直管段體積缺陷
安全評定方法，對檢驗發(fā)現(xiàn)的按質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)判為超標(biāo)且相
對比較嚴(yán)重的缺陷進(jìn)行了缺陷評定，符合安全要求。與常規(guī)
方法僅依據(jù)《管檢規(guī)>中的定級標(biāo)準(zhǔn)直接判廢返修相比較，按
照“合于使用”原則的缺陷評定方法大大減少了切割、焊接
返修與返修后的工作量，達(dá)到既保證安全又經(jīng)濟(jì)實用的根本
目的。此外。未焊透引起的應(yīng)力集中可能導(dǎo)致尖端處產(chǎn)生裂
紋擴(kuò)展，特別是當(dāng)介質(zhì)對管道材質(zhì)具有腐蝕性、且載荷變化
頻率較高時，裂紋擴(kuò)展極快，容易產(chǎn)生疲勞斷裂失效。因此，
在壓力管道的使用過程中，應(yīng)加強(qiáng)對管道未焊透缺陷的監(jiān)測
工作，及時掌握缺陷的擴(kuò)展?fàn)顩r，這對確保壓力管道安全運
行尤其重要。
(3)文中只涉及對螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫的外表面裂紋
進(jìn)行處理，還應(yīng)檢測鋼管內(nèi)表面焊縫的缺陷情況，結(jié)合有限
元計算和斷裂力學(xué)評定方法對帶缺陷鋼管進(jìn)行安全評定，必
要時對鋼管進(jìn)行修理更換。
(4)在管道的母材表面缺陷中，表面裂紋難以發(fā)現(xiàn)且危
害極大，定期進(jìn)行壓力管道檢驗檢測是實現(xiàn)管道安全運行與
管理的重要措施，在檢驗檢測過程中應(yīng)重視表面無損檢測，
在嚴(yán)格按照《管檢規(guī)>進(jìn)行檢測的基礎(chǔ)上應(yīng)根據(jù)實際情況適
當(dāng)增加焊接接頭的表面檢測比例。通過檢驗發(fā)現(xiàn)管道中的
缺陷并進(jìn)行風(fēng)險評價，按照規(guī)定的程序方法對舊管道進(jìn)行修復(fù)(Renovation)、修理(Repair)及更換(IIepla刪)，被稱之為
3R技術(shù)；經(jīng)過方案比較可以發(fā)現(xiàn)，主動進(jìn)行有計劃的“修復(fù)?
比管道事故后的“修理”代價小得多，有效地避免了惡性事故
的發(fā)生，大大地提高了社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
[1】沈松泉．壓力管道安全技術(shù)[M】．南京：東南大學(xué)出版杜．2000．
作者簡介朱志彬，男．1979年生，在讀博士研究生。工程師．主要從
事特種設(shè)備的安全檢測及評價工作。
(收稿日期：2010一睨一∞)
萬方數(shù)據(jù)
公用熱力管道缺陷成因分析及安全評定
作者： 朱志彬， ZHU Zhibin
作者單位： 福州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,福建,福州,350108;廈門市特種設(shè)備檢驗檢測院,福建,廈門,361004
刊名：
工業(yè)安全與環(huán)保
英文刊名： INDUSTRIAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION
年，卷(期)： 2011,37(2)
參考文獻(xiàn)(1條)
1.沈松泉壓力管道安全技術(shù) 2000
本文鏈接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gyaqyfc201102015.aspx</管檢規(guī)>

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