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含埋藏裂紋缺陷長輸管線的安全評(píng)定及剩余壽命計(jì)算

文檔作者：王艷華王祺王澤恒文檔來源： 1．中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 2．寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年12月03日
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第42卷第7期
2013年7月
當(dāng) 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo1．42．NO．7
July，2013
含埋藏裂紋缺陷長輸管線的
安全評(píng)定及剩余壽命計(jì)算
王艷華 ，王 祺 ，王澤恒
(1．中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西西安710075； 2．寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西寶雞721008)
摘 要：采用GB／T19624—2004標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)長輸管線中的埋藏裂紋缺陷進(jìn)行安全評(píng)定，在評(píng)定的過程中選取
了4種壁厚不同的X80管線進(jìn)行常規(guī)評(píng)定，計(jì)算出了斷裂比、載荷比并繪制出了失效評(píng)定圖。采用Pairs公式
對(duì)一段含缺陷在役管線進(jìn)行剩余壽命計(jì)算，為管線的維修、檢測(cè)提供了一定的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：埋藏裂紋；X80；安全評(píng)定；剩余壽命；Pairs
中圖分類號(hào)：TE 973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671—0460(2013)07—1029—04
Safety Assessment and Calculation of Remaining Life for
Long·distance Pipeline、 th Hidden Cracks
WANG Yan—hua ，WANG Oi ，WANG Ze—he
(1．CCCC First Highway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Shaanxi Xi’an 710075，China；
2．Baoji Petroleum Steel Pipe Co．，Ltd．，Shaanxi Baoji 721008，China)
Abstract：Based on GB ／T19624．2004．safety assessment for hidden crack defects oflong．distance pipeline lack was
carried out，four kinds ofX80 pipelines witll diferent thickness were selected for general assessment．the fracture ratio
and load ratio were calculated．a(chǎn)nd the failure assessment diagram was drawn out．The remaining life of a pipeline in
service with defects was calculated by using Pairs formula，which call provide a theoretical basis for repair and testing
ofthe pipeline．
Key words：Hidden cracks；X80；Safety assessment；Remaining lire；Pairs
石油天然氣管線是實(shí)現(xiàn)石油和天然氣運(yùn)輸?shù)囊?
種經(jīng)濟(jì)、快捷的運(yùn)輸手段 ]。管線輸送具有運(yùn)行成
本低、運(yùn)輸量大、所占空間小、可靠穩(wěn)定、自動(dòng)化
程度較高、連續(xù)輸送等優(yōu)點(diǎn)，與鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)
輸、航空運(yùn)輸、水上運(yùn)輸并稱為五大運(yùn)輸方式 。
油氣長輸管線長年埋置地下，受環(huán)境、力學(xué)和材質(zhì)
等因素的影響，管線難免出現(xiàn)各種缺陷問題，一旦
發(fā)生事故，不僅會(huì)造成重大環(huán)境污染，還嚴(yán)重威脅
著人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全網(wǎng)。因此，管道運(yùn)行的
安全性與可靠性顯得越來越為重要。開展對(duì)石油天
然氣管線的安全評(píng)定以及剩余壽命預(yù)測(cè)工作具有深
遠(yuǎn)的意義，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大 。
1 安全評(píng)定
1．1 安全評(píng)定方法以及評(píng)定程序介紹
目前，國際上對(duì)壓力管道、壓力容器的安全評(píng)
價(jià)方法諸多，國際上比較著名的方法有：近年來，
最具有代表意義的是SINTAP評(píng)定方法，BS7910評(píng)
定方法，R6評(píng)價(jià)方法和API579評(píng)定方法等 。2004
年，我國頒布了一部壓力容器安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，即：
《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》，標(biāo)準(zhǔn)國標(biāo)號(hào)為
GB／T19624—2004嗍。本文將采用GB／T19624—2004標(biāo)
準(zhǔn)，對(duì)長輸管線中的埋藏裂紋缺陷進(jìn)行常規(guī)安全評(píng)定。
安全評(píng)定程序，如圖1所示。
圖1 評(píng)定流程圖
Fig．1 The assessment flow diagram
1．2 評(píng)定參數(shù)確定
1．2．1 缺陷表征
收稿日期：2013-01—23
作者簡介：王艷華(1982-)，女，工程師，在讀博士，主要研究方向：水資源與水環(huán)境保護(hù)。E-mail：yhwang930@f0xmai]．com。
通訊作者：王澤恒(1984-)，男，工程師，碩士，國家注冊(cè)安全工程師，研究方向：長輸管線的安全評(píng)定及安全管理工作。
E-mail：wangzeheng3OO8@sina．com。
l030 當(dāng) 代 化 工 2013年7月
對(duì)于管線埋藏裂紋，缺陷表征為長為2c，高為
2口的橢圓形裂紋。
1．2．2 確定應(yīng)力
長輸管線屬于薄壁管，因此在安全評(píng)定的過程
中可以忽略彎曲應(yīng)力；長輸管線的工作溫度與現(xiàn)場
安裝溫度相差較小，因此在安全評(píng)定的過程中可以
忽略熱應(yīng)力 。因此，該管道只需考慮一次薄膜應(yīng)
力，即：
= 尸ID／(2 (1)
1．2．3 長輸管線材料基本性能參數(shù)的確定
確定材料的抗拉強(qiáng)度 ，屈服強(qiáng)度 以及材料
斷裂韌度 。
1．2．4 斷裂比
= G( +／6 )／ +P (2)
式中： 一斷裂比；
一斷裂韌度；
一評(píng)定用斷裂韌度；
G一相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)；
p一塑性修正因子；
妁L 應(yīng)力強(qiáng)度因子(由一次應(yīng)力引起的)，N，mm ；
L 應(yīng)力強(qiáng)度因子(由二次應(yīng)力引起的)，N／ram3 。
= √1．5 E／(1一 )
Kp=Kc／1．2
f 1 厶<0．8
卜
fM 0 L， Ll
(0_o76 _l9)
L1=0．24+0．04(n一5、
l=0．016n一0．056+1．024(s~)一0
．
048(s~) (8)
其中，iv／為材料硬化指數(shù)，當(dāng)n<5，可保守地取n=5
進(jìn)行計(jì)算。 可由標(biāo)準(zhǔn)附錄A中表查得。
K，=√ (仃 + ) (9)
式中： 一由應(yīng)力分布線性化規(guī)則得到的彎曲應(yīng)力；
一薄膜應(yīng)力；
厶 一計(jì)算由薄膜應(yīng)力am引起裂紋尺寸c方向裂紋尖端處應(yīng)力強(qiáng)
度因子時(shí)所用的裂紋構(gòu)型因子，無量綱；
一計(jì)算由彎曲應(yīng)力 引起裂紋尺寸c方向裂紋尖端處應(yīng)力強(qiáng)度
因子時(shí)所用的裂紋構(gòu)型因子，無量綱。
1．01—0．3 7
{1_( ] 。 s酉( 川
f(1．0(1 —磊0．3 7 ) f2e／B一口／B一0．3 4a ／(cB)] ¨
． ( 一兒
1．2．5載荷比
= — — 一 ¨ )
式中： ， 正系數(shù)。
2ac
= 一
B(C+ 、
：
1．3 長輸管線的安全評(píng)定
1．3．1 項(xiàng)目背景
(13)
(14)
西氣東輸三線貴陽一一中衛(wèi)聯(lián)絡(luò)線，于2012
年底竣工。管線主要參數(shù)如表1所示。
表1 線路用管參數(shù)
Table 1 The parameters of pipdine
本文擬對(duì)外徑為1 219 mm，四種壁厚不同
(15-3，18．4，22，25．7 mm)材質(zhì)為X80的雙面焊
螺旋焊縫管道安全評(píng)定。
1．3．2 失效評(píng)定圖
假設(shè)某段管線有一缺陷，對(duì)該缺陷進(jìn)行表征，
表征后缺陷類型為埋藏裂紋缺陷，該裂紋的長徑方
向與焊縫的融合線平行，具體的裂紋參數(shù)如表2。
表2 裂紋缺陷表征尺寸
Table 2 The characterizati0n size of cracks defect
壁厚／mm 15．3 18．4 22 25．7
裂紋長度／mm 8 8 8 8
裂紋高度／ram 4 4 4 4
裂紋位置(
、
內(nèi)壁 4 4 4 4
／mm) ’ 。
外徑／ram 1 219 1 219 1 219 1 219
由公式(1)一(11)可得4種不同壁厚管線
的斷裂比，如表3所示。
表3 各種缺陷管道的斷裂比
Table 3 Fracture ratio of various pipeline with defect
由公式(12)一(14)可得四種不同壁厚管線
、 ＼ ＼ ＼ ＼
3 4 5 6 7
， ／ ／L ／L ，L
第42卷第7期 王艷華，等：含埋藏裂縫缺陷X80長輸管線的安全評(píng)定及剩余壽命計(jì)算 1031
的載荷比，如表4所示。
表4 各種缺陷管道的載荷比
Table 4 Load ratio of various pipeline with defect
通過斷裂比與載荷比的數(shù)值，進(jìn)行安全評(píng)定，
評(píng)定結(jié)果如圖2所示。
圖2 失效評(píng)定圖
Fig．2FAD
1．4 評(píng)定結(jié)論
如圖2所示，橫軸 ，縱軸Kr與曲線FAC所
形成的區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域，四個(gè)評(píng)定點(diǎn)全部處于安全
區(qū)域之中，管線可以安全運(yùn)行。
2 長輸管線剩余壽命計(jì)算
2．1 參數(shù)的確定
從初始裂紋長度ao擴(kuò)展到臨界裂紋長度a 所
需要載荷循環(huán)數(shù) 稱為疲勞裂紋擴(kuò)展壽命 m]。Paris
公式是目前使用最廣泛的壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)范
之一，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
= 1 ]
式中：M 一疲勞次數(shù)
ar 表示極限裂紋尺寸；
口0一表示缺陷尺寸；
y一修正系數(shù)，Y-1．12；
re／一與材料有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于高強(qiáng)度鋼，m=2～7，多數(shù)材料 =
2～4：
C一與材料性能加載頻率、、應(yīng)力變化以及平均負(fù)荷等常數(shù)有關(guān)。
由公式(15)可得到，在得到所需評(píng)定缺陷的ao
及t2o后，只要得出Kz(應(yīng)力強(qiáng)度因子)，就可以得
出管線的Ⅳc(剩余壽命)””。
局的計(jì)算：
對(duì)于I型埋藏裂紋，裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子可由
公式(16)表述，即
= √7ca (16)
通常情況下，由于裂紋尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀等因
素的原因，采用修正系數(shù)Y進(jìn)行對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子結(jié)果
進(jìn)行修正，如公式(17)所示：
Ks=Ycr~／na (17)
2．2 工程應(yīng)用
某天然氣輸送管線基本參數(shù)如下：鋼級(jí)X80，
1 219 mm x 18．4 mm，屈服強(qiáng)度552 MPa，抗拉強(qiáng)
度621 MPa，工作壓力7 MPa，疲勞裂紋的擴(kuò)展門檻
值^r山=8 MPax／m ， 為102 MPax／m ，彈性模量E
為2．06×10 MPa，泊松比為0．3， O'max=228
MPa ，O"min=0 MPa
，
Act 228 MPa
，
m=3，c=1．15 X 10 ，y_1．12，管道內(nèi)壓波動(dòng)頻率
為2次／d，初始裂紋為2 mm。
計(jì)算步驟如下：
1)應(yīng)力強(qiáng)度因子
由公式(17)可得，AKs=YAcrx／~ra
MP √ 。
2)裂紋是否擴(kuò)展
由于AKI：20 MPa√ >K,h：8 MPa√ ，
擴(kuò)散。
3)確定臨界裂紋長度
，
AKI=20
故裂紋會(huì)
令 =1．12~-max√兀 =
( 竺)z： ( 蘭)z：51 mm
兀1．1 crm 7c 1．12X228
4)裂紋擴(kuò)展壽命
由公式(15)可得，
Ⅳc= 1
? ? 一
[口
。
1
2 '
?
o1]=7·32次
由于該管道內(nèi)壓波動(dòng)頻率為2次，d，計(jì)算得，該
管線的剩余壽命為9．9 1 a。
3 結(jié)論
(1)在含埋藏缺陷的管線進(jìn)行評(píng)定時(shí)，對(duì)于大
小、位置相同的缺陷，管線壁厚越厚，評(píng)定點(diǎn)坐標(biāo)
值越小，管線越安全。
1032 當(dāng) 代 化 工 2013年7月
(2)對(duì)含缺陷在役輸氣管道進(jìn)行剩余壽命計(jì)
算，為管線的維修、檢測(cè)提供了一定的理論依據(jù)。
(3))(寸于開展同類管線安全評(píng)定與剩余壽命計(jì)
算工作，具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。
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(上接第954頁)
結(jié)果表明，低溫等離子體處理染料廢水在間距
5 mm，pH為7，液面厚度9 mm，濃度為2 g／L的條
件下，對(duì)直接桃紅溶液COD降解率達(dá)到最好。
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(上接第1022頁)
3 結(jié)論
采用微波消解一雙道原子熒光光譜法同時(shí)測(cè)定
大米中微量砷和汞，具有靈敏度高、操作簡便、快
速、節(jié)省試劑、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。適合大批量大
米樣品中微量砷、汞的檢測(cè)。
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