武明明，姚安林，蔣宏業(yè)，付冉，陳玉超

西南石油大學石油與天然氣工程學院(四川成都610500)

X80管道環(huán)焊縫缺陷安全評定方法對比研究

武明明，姚安林，蔣宏業(yè)，付冉，陳玉超

西南石油大學石油與天然氣工程學院(四川成都610500)

管道環(huán)焊縫缺陷是影響管道正常運行的重要因素之一，通過對國際上常用的焊縫缺陷安全評定規(guī)范和方法的對比分析，選擇《在用含缺陷壓力容器安全評定》(GB/T 19624-2004)這一符合我國管道使用情況的規(guī)范:采用其中的失效評定圖法和U因子工程評定法對某X80管道環(huán)焊縫進行安全評定，并對兩種方法進行對比分析，得出適合評價此管道的方法為U因子法。根據評定結果確定是否有必要對管道進行維修或更換，節(jié)省了人力和物力資源。

X80管道;環(huán)焊縫缺陷;U因子評定法;失效評定圖法

近10年來，隨著中國天然氣需求量的大幅度增長，管道輸送能力也日益增強，天然氣輸送用管線鋼級別從X60迅速提高到了X80。2005年在冀寧線上建成了中國首條X80鋼級管道應用工程，而西氣東輸二線管道是中國首次大規(guī)模采用X80建設的長距離輸氣管道，其長度達到4 843km，超過了國外所有X80管道的總長[1]。可以預見，未來X80管線鋼在天然氣輸送方面的使用范圍將更加廣泛。

X80管線鋼是目前國際上輸氣管道的主導鋼材，它屬于控軋控冷的低碳微合金鋼，具有高強度和良好的抗延性斷裂能力[2]。X80管線鋼在制造、安裝、使用過程中不可避免地會存在各種缺陷，有可能使管道發(fā)生泄漏或爆炸事故，而環(huán)焊縫缺陷是導致事故發(fā)生的重要因素之一。因此有必要對日益普及的X80鋼管進行環(huán)焊縫缺陷安全評定，既能保障管道運行安全，還能使大量含缺陷管道避免不必要的返廠維修和更換。

1 常用管道環(huán)焊縫缺陷安全評定規(guī)范概述

隨著現代工業(yè)和力學、數學等基礎學科的快速發(fā)展，特別是計算機技術在安全評價中的應用日益廣泛，在高強度鋼材的大量使用、設計壓力的逐步提高、焊接技術的不斷機械化以及工藝操作嚴格化等因素的影響下，各國都不斷修訂和完善評定規(guī)范及標準，使得評定過程更為成熟，評定方法更加普及。常用管道環(huán)焊縫缺陷安全評定規(guī)范主要有以下幾種：

1)英國含缺陷結構完整性評定標準。含缺陷結構完整性評定標準簡稱為R6，是目前含缺陷壓力容器安全評定廣泛采用的方法[3]。

2)美國EPRI評定規(guī)程。EPRI評定規(guī)程是“含缺陷壓力容器及管道的完整性評定規(guī)程”的簡稱，該規(guī)程分為兩部分：較簡單的用于典型的核級壓力容器評定，另一種用于其他鋼材，并能適用于更薄截面的部件[4]。

3)歐洲工業(yè)結構完整性評定方法(SINTAP)。該規(guī)范在壓力容器評定規(guī)范領域內具有代表意義，它涉及塑性破壞、脆斷領域以及二者間的相互作用，并提出一種估算缺陷形狀變化的新方法[5]。

4)ASME管道缺陷評定規(guī)范。該規(guī)范先對含缺陷管道的失效模式進行篩選，然后根據不同的失效模式分別進行評定。此規(guī)范考慮了材料撕裂后抗力增加，能完成韌性撕裂失穩(wěn)極限載荷分析[6]。

5)美國石油學會標準API 579。該標準采用逐級推進的評定形式，更多反映了承壓設備安全評估的需要，在較大范圍內給出了在役設備及其材料裂化損傷的安全評估方法[7]。

6)以斷裂力學J積分為判據的評定方法。含缺陷壓力管道使用該評定方法一方面可以評定管道所含裂紋的啟裂，另一方面能夠計算裂紋的擴展趨勢，得到的分析結果較為全面。

7)我國在用壓力管道缺陷評定規(guī)范GB/T19624 -2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》[8]，這一規(guī)范中的評定方法較適合我國含缺陷管道的安全評定。

2 常用管道環(huán)焊縫缺陷安全評定方法

由于各國管道可能在多個方面都存在著差異，如管材材料、設計原理、輸送介質、敷設方式、焊接方法等，從而壓力管道安全評定的規(guī)范或標準中對環(huán)焊縫缺陷安全評定方法也各不相同，常用安全評定方法有[9]：失效評定圖法(FAD)、U因子安全評定法、局部減薄缺陷的塑性失效評定法、ASMEIWB-3650壓力管道缺陷評定法以及焊縫質量等級評定方法等。隨著計算機的廣泛應用以及編程人員技能的提高，也相應地研發(fā)出對含缺陷壓力管道進行安全評定的專家系統。常用管道安全評定方法對比見表1。

由表1可見，失效評定圖法和U因子評定法具有評定過程簡便、評定結果精確的優(yōu)點，因此筆者分別采用這兩種方法對某X80管道進行安全評定。

3 管道環(huán)焊縫缺陷評定

X80是高強度管線鋼的美國分類型號，其最小屈服值為551MPa。該鋼屬于高度的潔凈鋼，通過形變強化使材料具有較高的強韌性，因而對焊接加工提出了特殊的要求。X80管線鋼在焊接時容易出現的缺陷是裂紋，其他焊接缺陷和其他鋼種的焊接類似，有未焊透、夾渣、氣孔和焊縫外觀缺欠等[10]。

以西氣東輸某X80管道為例，此管道某一段上存在環(huán)焊縫缺陷，為了使管道的運行更加安全，需要對其進行安全評定。管道原始數據：管道材料為X80鋼材，管道內介質為天然氣，管道工作壓力為12MPa，設計壓力為18MPa，管道腐蝕余量C2為1mm，管道公稱直徑D為1 219mm，壁厚t為18.4mm。查得材料性能參數為：屈服強度σs=550MPa，抗拉強度σb=610 MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。

經檢測得到管道的缺陷參數：實測管道最小厚度δn=15mm，管道存在一焊縫缺陷，缺陷最大深度a=7mm，沿軸向長度為20mm。

3.1 U因子評定方法

國家標準《在用含缺陷壓力容器安全評定》[8](GB/T 19624-2004)中對壓力管道平面缺陷采用了U因子工程評定方法。此評定方法適用于任意應力應變關系材料、任意材料斷裂韌度，而且評定過程簡便，評定精度高。針對西氣東輸某X80管道存在的環(huán)焊縫缺陷情況，采用此標準中的U因子評定方法對該缺陷進行評定。

3.1.1 U因子評定法評定步驟

1)材料性能數據的確定。

2)應力的確定。

3)管道材料斷裂韌度的確定。

4)起裂時載荷比和許可流變應力比的確定。

5)U因子評定法。

6)安全性評價。

3.1.2 管道材料斷裂韌度的確定

根據文獻[8]附錄G.4.1中材料性能數據確定的特殊規(guī)定，未焊透缺陷的斷裂韌度的下限值JC可取2.2Akv。由于缺乏在役材料夏比V型缺口沖擊功Akv的具體數據，但能判斷該材料適用于壓力管道，且在使用狀況下無脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉變溫度，因此可取壓力管道材料容許的最低值27J，則JC=2.2Akv=59.4N/mm。

評定計算用斷裂韌度Kc值，可按文獻[8]中公式進行估算：

計算得Kc=3 666.95N/mm3/2

3.1.3 應力計算

根據管系應力分析確定缺陷處管道橫截面的彎矩MB為10.5×107N·mm，拉力F為8×105N，內壓為12MPa。按文獻[8]G.4.2.1中的公式(2)、(3)分別計算評定所需的軸向膜應力及彎曲應力：

其中R為管道中間面半徑，R=600.3mm;Ri為管道內半徑，Ri=591.1mm;B為管道有效厚度，B=δn-C2=14mm。

將各值代入式(2)和式(3)得：σm=264.6MPa，σB= 6.63MPa。

3.1.4 起裂時載荷比和許可流變應力比的確定

管道缺陷深度a=7mm，管道有效厚度B=14mm，則a/B=0.5;缺陷半包角為θ=π/5，則θ/π=0.2;無量綱系數

根據a/B和Y由文獻[8]表G.1查得管道起裂時載荷比Lr=1.71;根據a/B和θ/π由文獻[8]表G.2查得許可流變應力比=1.071。

3.1.5 安全性評價

按式(4)計算U因子值：

(當U＜1時，取U=1)計算得U=0.617，故取U=1。

按式(5)計算含缺陷管道當量許用應力[σ]

其中n為安全系數，按文獻[8]表5.1規(guī)定，取n=1.5，計算得[σ]=414.12MPa。

當地當量總應力σ=σm+σB=271.23MPa。

文獻[8]附錄G規(guī)定平面缺陷安全性評價條件為σ≤[σ]，若能滿足此條件，則評定結果為安全或可以接受;否則，為不能保證安全或不可接受。

評定結果：由于σ＜[σ]，該X80管道環(huán)焊縫缺陷安全，該缺陷可以接受。

3.2 失效評定圖法

失效評定圖法(FAD)具有評價過程簡便，評價結果又不失安全的性能而廣泛應用于工程界。在評定含缺陷壓力管道時，首先選擇相應的失效評定圖，然后將計算出的評定點(Kr，Lr)繪制在圖中，根據評定點和評定曲線的位置關系判定管道是否失效。若評定點位于評定曲線(FAC)的下方(安全區(qū))，那么可以判定此管道缺陷是安全的;若評定點處于失效評定曲線的上方(失效區(qū))，那么可以判定此管道缺陷將失效，需要對管道進行維修或更換。

3.2.1 失效評定圖法評定步驟

失效評定圖法評定步驟如圖1所示。

3.2.2 確定缺陷參數

平面缺陷的表征。缺陷的實際情況如圖2(a)所示，對管道進行缺陷規(guī)則化表征處理，將其表征為規(guī)則的裂紋狀表面缺陷，表征后裂紋的形狀為半橢圓形，表征裂紋尺寸由缺陷外接矩形的長和高確定。缺陷的表征尺寸如圖2(b)所示。

為使評定結果更為可靠，安全系數選為1.1，計算用缺陷尺寸，計算方法為：缺陷表征尺寸乘以安全系數，得表征裂紋高度h=7.7mm，裂紋沿殼體方向的半長c=11mm

按式(6)計算縱截面上應力σφ：

由應力分解得到一次薄膜應力Pm=596.25MPa，一次彎曲應力Pb=0。

考慮焊接殘余應力，二次薄膜應力為Qm=，焊接殘余應力在截面上的最大值取管道材料的屈服強度σs，故Qm為165MPa，二次彎曲應力Qb為0。

考慮失效后果嚴重性，各類應力均乘以分安全系數，一次應力的分安全系數為1.5，二次應力的分安全系數為1.0，并作為評定計算的應力：Pm=894.37 MPa，Pb=0，Qm=165MPa，Qb=0。

3.2.3 應力強度因子的計算

式中：fm、fb分別為計算由薄膜應力和彎曲應力引起的裂紋尖端處應力強度因子所用的裂紋構形因子，fm、fb依據附錄D計算分別為0.877和0.254，故一次應力引起的應力強度因子=3 856.8 N/mm3/2，二次應力引起的應力強度因子=711.53 N/mm3/2。

3.2.4 斷裂比的計算

斷裂比的計算式為：

評定用材料斷裂韌度計算式為：

載荷比的計算式為：

鼓脹效應計算式為：

根據式(11)和式(12)計算，結果為：Mg=1.00，Lr=0.044。

查材料性能數據手冊，此管材平面應變斷裂韌度KIC取3 548MPa·mm1/2，考慮斷裂后果嚴重性，分安全系數n1取1.2，故Kp=93 498.67N/mm3/2。不考慮裂紋群影響，裂紋干涉效應因子G取1，又因為載荷比Lr＜1.1，根據文獻[8]得塑性修正因子ρ=0.02，將數據代入式(9)后得Kr=0.27。

常規(guī)評定通用失效評定圖已知評定曲線，計算得到的Kr=0.27和Lr=0.24確定失效評定點(Lr，Kr)，并將其描繪在圖中相應的位置，如圖3所示。由圖中評定點與評定曲線的位置關系可以看出，評定點在曲線的下方，屬于安全區(qū)域，表示該缺陷對管道正常運行的危害性較小，無需進行管道更換或返修。

4 分析與比較

U因子工程評定方法可適用于任意材料斷裂韌度、任意應力應變關系的材料，此方法能夠自由選擇安全系數，并且評定過程簡單，評定精度高，適用于周向面型缺陷壓力管道的評定，但只適用于扭矩載荷不大的情況[11]。相比之下，失效評定圖評定過程中需要大量的缺陷及管材參數，并且需要針對不同材料建立失效評定曲線，評定過程較為復雜。

由于X80管道環(huán)焊縫缺陷較小，扭矩載荷不大，針對本管道具有事先編制的應力應變關系表，參數容易獲得，因此更適合采用U因子工程評定方法，評定過程簡單且結果更為精確。采用失效評定圖評定此管道環(huán)焊縫缺陷時，需要根據規(guī)范選擇特定的失效評定曲線，由于沒有考慮每種材料的特性，本文所選曲線對應的管材參數與實際存在偏差，評定結果具有一定的保守性，評定結果相對較為直觀。

5 結論

1)對國內外常用壓力管道缺陷評定規(guī)范及方法進行了總結及對比分析。

2)選擇《在用含缺陷壓力容器安全評定》(GB/T 19624-2004)這一符合我國管道使用情況的規(guī)范，采用其中的失效評定圖法和U因子工程評定法對某X80管道環(huán)焊縫平面缺陷進行安全評定，詳細地呈現出評定步驟及計算過程，并對2種方法進行比較，得出適合評價此管道的方法為U因子法。

3)2種評定方法得出的結論都為缺陷可以接受，因此不需要更換管道或修補，節(jié)省了人力和物力資源。

[1]張斌，錢成文，王玉梅，等.國內外高鋼級管線鋼的發(fā)展及應用[J].石油工程建設，2012，38(1):1-4.

[2]劉志毅.X80管線鋼環(huán)焊縫焊接殘余應力數值模擬[D].天津：天津大學，2008.

[3]R/H/R6-Revision 3-1997 Assessment of the Integrity of Structure Containing Defects[S].

[4]EPRI and Noveltech Corporation.Ductile Fracture Handbook：Volume1[R].California:Research Reports Center Palo Alto，1991:20-25.

[5]Stephen Webster，Adam Bannister.Structure Integrity Assessment Procedure for Europe of the SINTAP program overview[J].Engineering Fracture Mechanics，2000，67(16):481 -514.

[6]ASME B&PV Code Case N-480-1990 Examination Requirements for Pipe Well Thinning Due to Single Phase Erosion and Corrosion[S].

[7]API 579-1/ASME FFS-1-2007 Fitness-for-Service-Second Edition[S].

[8]GB/T 19624-2004在用含缺陷壓力容器安全評定[S].

[9]盧黎明.未焊透缺陷壓力管道安全評定工程方法研究[D].南昌：南昌大學，2006.

[10]吳冰.X80管線鋼焊接性能研究[D].成都：西南交通大學，2008.

[11]李倩倩，張巨偉.含缺陷壓力管道簡化因子評定方法的研究[J].當代化工，2011，40(9):978-981.

The defect in pipeline circular weld is one of the important factors that influence the normal operation of pipeline.Through the analysis and comparison of international common weld defect safety assessment standards and methods，it is found that“safety assessment of pressure vessels with defects”(GB/T19624-2004)is more suitable to pipeline use situation of our country.The circular welds of a X80 pipeline are evaluated using failure assessment diagram method and U factor engineering assessment method in GB /T19624-2004，and the evaluation results of two methods were compared and analyzed.The results show that the U factor method is more suitable for the evaluation of the pipeline.According to the assessment results，it is can be determined whether to repair or replace the pipeline，which saves the manpower and material resources.

X80 steel pipeline;defect in circular weld;U factor assessment method;failure assessment diagram method

王梅

2015-04-24

武明明(1990-)，女，碩士，主要從事油氣管道安全評價研究。