陳永利　唐文慶　種玉寶（大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院　遼寧大連）

在役含缺陷壓力管道安全評定方法

陳永利唐文慶種玉寶
（大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院遼寧大連）

國內(nèi)外幾種典型的含缺陷壓力管道安全評定的方法，以含超標(biāo)缺陷壓力管道為例，重點闡述我國對在役含缺陷壓力管道安全評定的方法和過程。

壓力管道缺陷安全評定方法國家標(biāo)準(zhǔn)

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、危險性較大的特種設(shè)備。由于種種原因，我國相當(dāng)數(shù)量的管道存在各種各樣的缺陷，需要進行安全評定的超標(biāo)缺陷管道數(shù)量眾多。而結(jié)構(gòu)中的缺陷并不都會影響結(jié)構(gòu)的使用，不加區(qū)分地對管道進行修復(fù)，不僅會增加成本，而且有時不恰當(dāng)?shù)男迯?fù)反而會進一步損害材料，使材料性能下降乃至產(chǎn)生新的缺陷。因此，對在役管道缺陷進行安全評定具有重要意義。在檢驗與安全評定相結(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。

一、常用壓力管道缺陷評定規(guī)范

近年來，國際上廣泛將缺陷評定及安全評定稱之為完整性評定或合乎使用評定，它不僅包括超標(biāo)缺陷的安全評估，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)的工程安全評定規(guī)程（或方法）越來越成熟，已在國際上形成了一個分支學(xué)科，在廣度和縱深方面均取得了重大進展。在廣度方面，新增了高溫評定、各種腐蝕評定、塑性評定、材料退化評定、概率評定和風(fēng)險評估等內(nèi)容；在縱深方面，彈塑性斷裂、疲勞、沖擊動載和止裂評定、極限載荷分析、微觀斷裂分析以及無損檢測技術(shù)等均取得很大進展。

1.以斷裂力學(xué)J積分為判據(jù)的評定方法

對于含缺陷的管道，通常采用斷裂力學(xué)方法進行失效分析。根據(jù)J積分?jǐn)嗔褏⒘慷a(chǎn)生的計算方法，在理論上和試驗研究中都被廣泛應(yīng)用。采用J積分的評定方法不僅可評判管道所含裂紋的啟裂，而且還可以進行裂紋擴展的計算。通過含缺陷管道在載荷作用下產(chǎn)生的斷裂推動力J積分與管道材料抗斷裂阻力（JR阻力曲線）的比較，可以判斷裂紋的啟裂與失穩(wěn)。

2.歐洲缺陷評定方法SINTAP

1996年，歐洲委員會為建立一個統(tǒng)一的合乎使用評定標(biāo)準(zhǔn)，于1999年完成了歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評定方法（Structural Integrity Assessment Procedure），簡稱SINTAP。SINTAP是對焊接結(jié)構(gòu)進行合于使用評定的一種方法，涉及脆斷領(lǐng)域和塑性破壞，以及二者之間的相互作用。根據(jù)可以獲得的材料信息量，SINTAP給出了不同的分析級別。高級別分析比低級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)果并不表明分析的失敗，而應(yīng)該是將分析級別推向更高級別。若低級別的分析足以證明結(jié)構(gòu)安全，則沒必要進行更高級別的分析。SINTAP是國際上應(yīng)用最普遍的方法。

3.英國R6評定方法（雙判據(jù)準(zhǔn)則）

R6評定方法由英國中央電力局提出，其第3版（R/H/R6，Revision3）是被廣泛接受的缺陷評定方法，適用于各種含缺陷結(jié)構(gòu)的脆性斷裂、塑性失穩(wěn)和彈塑性撕裂的評定。3種斷裂評定用1張評定圖表示，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。

4.美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API 579

近年，美國結(jié)構(gòu)完整性評定技術(shù)也有很大發(fā)展，在規(guī)范中最引人注目的是已出版的API 579《推薦用于合乎使用的實施辦法》和API 580《Risk-Based Inspection》。SINTAP、R6的工業(yè)背景主要是電站（包括核電）及海洋石油平臺，它們的發(fā)展主要反映了缺陷的斷裂評定技術(shù)（包括塑性失效評定）和疲勞評定技術(shù)的發(fā)展。API 579的工業(yè)背景是石油化工設(shè)備，其特點是更多地反映了石油化工在役設(shè)備安全評估的需要。與其他標(biāo)準(zhǔn)不同之處是，API 579不僅包括在役設(shè)備缺陷安全評估，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估方法。

5.ASME XI IWB-3650壓力管道缺陷評定規(guī)范

ASME XI IWB-3650《鐵素體鋼管道缺陷評定規(guī)程及驗收準(zhǔn)則》是美國機械工程師協(xié)會制定的。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-3650規(guī)范的編制者經(jīng)過大量的理論分析、數(shù)值計算和試驗研究，把結(jié)果加以整理簡化，給出了使用極為方便的表格和簡單算式。首先要根據(jù)管徑及缺陷幾何尺寸、材料性能、外載大小計算參量SC，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。

6.中國在用壓力管道缺陷評定規(guī)范

中國壓力管道缺陷評定主要是依據(jù)《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624-2004）進行。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≥1 mm咬邊等）和體積缺陷（凹坑、氣孔、夾渣以及深度＜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定條件和塑性失效工程評定方法。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)值計算方法，首次建立了應(yīng)用簡便、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因子工程評定方法。

二、在役管道安全評定實例

1.基于GB/T 19624-2004的安全評定

2007年10月，依據(jù)GB/T 19624-2004，對大連某公司液化氣管線（圖1）在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)埋藏缺陷進行了安全評定。該管線于1997年投入使用，材料為20鋼，查《輸送流體用無縫鋼管》（GB/T 8163-1999），可知20鋼屈服強度ReL=245 MPa，抗拉強度Rm=390 MPa，彈性模量E=200 000 MPa，泊松比ν= 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4 mm，實測最小壁厚3.8 mm，腐蝕速度C2=0.02 mm/a，減去2倍腐蝕量后的計算厚度Bs=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)，無明顯的壓力波動。在焊口D12#根部存在整圈未焊透，自身高度α= 1.0 mm。下次檢驗周期為3a后。

圖1　液化氣管線單線

（1）材料斷裂韌度計算。由于材料的斷裂韌度無法實測，且在使用狀況下無脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此在評定時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取壓力管道材料允許的最低沖擊韌性AKV=27 J。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給定的材料允許的最低AKV和JI（C材料斷裂韌度）下限值的關(guān)系，對未焊透缺陷取JIC=2.2AKV，根據(jù)換算關(guān)系得Kc是以應(yīng)力強度因子表示材料的斷裂韌度。

（2）缺陷處應(yīng)力計算。本次無損檢測中所發(fā)現(xiàn)的缺陷均為周向缺陷，故評定時只考慮軸向應(yīng)力。另外管道操作平穩(wěn)，無明顯的溫度及壓力波動，故無須考慮疲勞損傷的問題。利用ANSYS有限元分析軟件中的管道單元對此液化氣管線進行有限元分析，得焊口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57.701 MPa。

（3）起裂載荷比LrF、U因子及許可流變應(yīng)力比的確定。確定起裂載荷比LrF時，首先計算，在GB/T 19624-2004中表G.1，查得缺陷無因次長度（θ/π）和缺陷相對深度（α/B）s，則有LrF=1.2。根據(jù)。由缺陷無因次長度和缺陷相對深度，查GB/T 19624-2004中表G.2，可得許可流變應(yīng)力比=1.07。

（4）缺陷安全性評價見式（1）。

式中σm——軸向膜應(yīng)力，MPa

σB——彎曲應(yīng)力，MPa

由公式1確定缺陷是否安全。將各數(shù)值帶入式1，可得σm+ σB=57.7MPa，因此該缺陷是安全的，并具有一定安全裕度。

2.基于SINTAP的安全評定

SINTAP-FAD方法的基礎(chǔ)方程見式（2）。

式中Kr——KI/Kmat

Lr——F/FY

F為施加載荷，F(xiàn)Y為極限載荷（與屈服強度有關(guān)，并且依賴于幾何形狀和缺陷尺寸）。點（Lr，K）r在斷裂評定曲線定義范圍內(nèi)，即可避免斷裂發(fā)生；反之，若點（Lr，K）r在斷裂評定曲線定義范圍以外，則認(rèn)為該結(jié)構(gòu)是不安全的。

（1）SINTAP評定軟件。評定軟件根據(jù)SINTAP評定方法的前3個等級采用VB進行編制，根據(jù)“缺陷方向”的選擇，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后，可得出評定結(jié)果，軟件界面見圖2。

圖2　SINTAP軟件界面

（2）評定結(jié)果。將液化氣管線（圖1）的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到軟件中，得出評定失效評定曲線（圖3）。從中可以看出，采用SINTAP一級方法進行評定，評定點在評定曲線定義范圍內(nèi)，因此，該超標(biāo)缺陷是安全的。

三、結(jié)束語

隨著現(xiàn)代工業(yè)和力學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，由于設(shè)計壓力提高、高強度鋼材的大量使用、焊接技術(shù)的普遍運用以及設(shè)備使用的嚴(yán)酷化等因素，各國都在逐漸修訂和改進自己的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。對超標(biāo)缺陷進行合乎使用的評定，一方面可減少不必要的過大安全裕度，同時又考慮到了影響安全的各種因素。在保證安全前提下正?；謴?fù)使用一批帶有缺陷的管道，具有重要現(xiàn)實意義。

圖3　失效評定曲線

〔編輯凌瑞〕

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