沈功田 陶雪榮

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

壓力管道安全檢測與評價技術研究

沈功田 陶雪榮

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

“壓力管道安全檢測與評價技術研究”項目包括國家“九五”科技攻關課題中4個專題的8項核心成果和為解決西氣東輸工程管道檢測之急需開發(fā)的“超聲手動掃查成像檢測儀”成果，這些科技成果是緊密相關、綜合配套、系統(tǒng)集成的有機整體。該項目成果獲得了2005年度國家科學技術進步二等獎，本文以該成果的“國家科學技術獎勵推薦書”為基礎，綜述了該項目背景、成果及其應用情況。

壓力管道 安全評價 超聲檢測 聲發(fā)射檢測 結(jié)構(gòu)完整性評價

1 立項背景

壓力管道分為工業(yè)、公用和長輸管道，工業(yè)管道主要分布在大型成套裝置（如：煉油、化工裝置、電站鍋爐等）中，是成套裝置的"血管"；公用和長輸管道（多為埋地管道）主要用于燃油、燃氣、蒸汽和工業(yè)用危險介質(zhì)的輸送，涉及到城市發(fā)展、能源供應、石油化工的基礎設施和人民生活的基礎條件等，是國家重大生命線。本項成果涉及的內(nèi)容包括工業(yè)管道投用后的安全檢驗與評價和公用與長輸管道建設過程焊縫質(zhì)量檢驗的關鍵技術問題。

“九五”前期，我國壓力管道事故頻繁、損失慘重、缺陷普遍、隱患突出，引起國務院主管部門和社會的密切關注。例如：1994年僅遼寧、河北等省的五起管道爆炸事故就死傷206人，造成3533萬元的經(jīng)濟損失。究其原因主要是：

1)制造與安裝先天不足：制造安裝質(zhì)量差，幾乎100%的管線都存在問題，近80%的焊縫存在較嚴重的缺陷，隱患嚴重。

2）缺乏檢測和評價技術：由于薄壁和大曲率的影響，壓力管道缺陷檢測一直是國內(nèi)外尚未解決的技術難題；同時，對于管道中的缺陷如何進行科學的評價，以解放大量不影響安全的缺陷，嚴格處理少數(shù)危險缺陷更是亟待解決的技術難題。因此，當時面臨的是無技術可用、更無章可循的嚴峻形勢。為了迅速扭轉(zhuǎn)這一嚴峻局面，變“盲目放任（處置）、被動應急”為“科學（檢測）評價、主動預防”，保障壓力管道的安全，促進安全生產(chǎn)，科技部將四個相關專題納入了“九五”國家重點科技攻關計劃。此外，為保證西氣東輸工程質(zhì)量，中國特種設備檢測研究院自籌資金立項開發(fā)研制了手動掃查超聲成像檢測儀，以滿足國家重點工程之急需，同時為上述攻關成果的應用提供配套檢測設備。

2 總體思路

本項目圍繞事故預防這一主線，在壓力管道危險源辨識與安全狀況等級評價、無損檢測和結(jié)構(gòu)完整性評估三個方面，針對復雜管道系統(tǒng)重點部位的確定、管道缺陷精準檢測、管道安全狀況等級評定、帶缺陷管道的結(jié)構(gòu)完整性評價、管道在線檢測和泄漏監(jiān)測等五個難點問題進行科技攻關，取得9項科研成果，其總體關系如圖1所示。

圖1 項目任務與成果的關系圖

3 主要成果

3.1 工業(yè)壓力管道危險源辨識評價方法

首次從材料物理、化學與力學相結(jié)合的高度，從管系結(jié)構(gòu)危險源、缺陷危險源及材料組織和性能退化引起的危險源等三個方面入手，較系統(tǒng)深入地研究了管系中危險源產(chǎn)生的條件及存在的位置，初步建立了工業(yè)壓力管道危險源辨識技術和方法體系，給出了無需再對管道進行應力計算而辨識設計、安裝、運行和檢修中可能產(chǎn)生危險源位置的簡便易行方法。該成果經(jīng)專家鑒定達到國際先進水平，被質(zhì)檢總局頒布的《在用工業(yè)壓力管道定期檢驗規(guī)程》采納。

3.2 在役工業(yè)壓力管道安全狀況等級評定方法

首次采用數(shù)學規(guī)劃方法，解決了用第二水平法求解管道復雜條件下的廣義失效率的關鍵技術，提出了基于R6失效評定圖技術在不同失效概率下的管道安全狀況等級評定方法，在建立了安全主數(shù)據(jù)庫和安全輔助數(shù)據(jù)庫和工程試應用的基礎上，創(chuàng)造性提出了在役工業(yè)壓力管道安全狀況等級評定方法，將定性分析與定量分析相結(jié)合，綜合反映事故可能性和事故后果對管道安全狀況的影響，特別是首次對含焊接缺陷的管道進行全面、系統(tǒng)、深入的可靠性分析，從根本上解決了在保證安全的前提下增加焊接缺陷的容許值的難題，實現(xiàn)了安全性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。該成果經(jīng)專家鑒定達到國際領先水平，被國家質(zhì)檢總局頒布的《在用工業(yè)壓力管道定期檢驗規(guī)程》采納。

3.3 小直徑、薄壁管（碳鋼、不銹鋼）焊縫缺陷及缺陷高度超聲檢測方法

研究應用當量法基本準則，針對我國工業(yè)管道典型規(guī)格（外徑32～159mm，壁厚4～12mm）、材質(zhì)（碳鋼、不銹鋼），設計制作了1300多個模擬試件、對比試件和標準試件，并通過大量的試驗對探頭、標準試塊、對比試塊、缺陷探測方法、缺陷判定準則、缺陷高度測定方法等進行了系統(tǒng)性研究和改進，深入研究了內(nèi)外表面曲率對聲波傳播的影響和焊波寬度對管道可檢測最小壁厚的影響等，攻克了制定小直徑、薄壁管對接焊縫缺陷和缺陷自身高度檢測方法中存在的所有技術難題，提出了“小直徑、薄壁管對接焊縫超聲波探傷方法”、“小直徑、薄壁管缺陷高度超聲端點衍射測定方法”，開發(fā)研制了配套的系列專用探頭和標準試塊和對比試塊。該成果經(jīng)專家鑒定達到國際先進水平，被國家質(zhì)檢總局頒布的《在用工業(yè)壓力管道定期檢驗規(guī)程》和JB/T4730《承壓設備 無損檢測》標準采納。

3.4 超聲手動掃查成像檢測儀（國內(nèi)領先，被SY/T 0327所采納）

項目開發(fā)的儀器具有如下性能和特點：

1）開發(fā)了具有獨立自主知識產(chǎn)權的采樣率為100MHz發(fā)射接受卡和實現(xiàn)缺陷A、B、C、D、P、TOFD掃描成像的軟硬件，在超聲掃查成像功能、發(fā)射接收卡技術參數(shù)和信號分析處理功能方面與西氣東輸工程超聲探傷選定的國外設備一致。

2）開發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權的短前沿線聚焦窄脈沖系列探頭和聚焦系列探頭，其技術參數(shù)滿足管道對接焊縫缺陷探傷和缺陷高度測定的特殊要求。

3）開發(fā)了具有獨立知識產(chǎn)權的直角坐標400×400mm和極坐標300×300mm、掃查精度Y方向1mmX方向0.5mm的手動掃查架，且能夠滿足返修焊縫超聲復探的工程條件。

4）按照西氣東輸工程管道規(guī)格、材料、焊接工藝和可能出現(xiàn)的缺陷情況，研制了滿足探傷方法培訓與考核、進口設備測試和工程檢測調(diào)試需要的標準試件、對比試件和模擬試件。

5)與國外儀器相比，在P掃描圖中疊加了可根據(jù)實際情況自行設置的焊縫坡口圖，提高對缺陷位置、性質(zhì)判斷的準確性；通過增加A型圖回放功能，實現(xiàn)了衍射波的準確識別、探傷結(jié)果的專家分析和記錄見證。

該成果經(jīng)專家鑒定達到國內(nèi)領先水平，被SY/T 0327《石油天然氣鋼質(zhì)管道對接環(huán)焊縫全自動超聲波檢測》標準采納。

3.5 金屬壓力管道泄漏及活性缺陷聲發(fā)射檢測方法

該任務成功解決了現(xiàn)場壓力管道聲發(fā)射檢測中各種機械和電子干擾信號與真實活性缺陷和泄漏產(chǎn)生真實聲發(fā)射信號的識別難題，在壓力管道泄漏和活性缺陷的識別、定位、分級和評價方面取得了突破性進展。該成果獲取了管道常用金屬材料、焊縫和典型焊接缺陷的聲發(fā)射信號基本數(shù)據(jù)，得到了材料變形和缺陷擴展的聲發(fā)射信號特征；通過開展壓力管道泄漏聲發(fā)射檢測基本原理、和連續(xù)信號源的定位方法原理的研究，建立連續(xù)聲發(fā)射信號源定位的理論模型；通過現(xiàn)場試驗，得到了實際壓力管道上各種聲發(fā)射噪音源（機械碰撞、摩擦、腐蝕物脫落、電磁噪音）、典型焊接缺陷擴展和泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號特征，在此基礎上提出了壓力管道泄漏信號的識別采用小波降噪與功率譜作為主要分析手段的泄漏信號分析方法，泄漏源的定位采用連續(xù)型信號的相關分析方法，金屬壓力管道活性缺陷信號的識別參數(shù)關聯(lián)分析和波形模式識別的分析方法，活性缺陷源的定位采用突發(fā)型信號的時差定位分析方法；通過在現(xiàn)場對在用的金屬壓力管道進行聲發(fā)射檢測應用，提出了壓力管道泄漏定位和活性缺陷的分級方法。該成果經(jīng)專家鑒定達到國際先進水平，被國家質(zhì)檢總局頒布的《在用工業(yè)壓力管道定期檢驗規(guī)程》和JB/T4730《承壓設備 無損檢測》標準采納。

3.6 數(shù)字化多通道聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)

該任務根據(jù)我國特種設備檢驗中需要解決的技術難題和對關鍵檢測監(jiān)測技術的需求，在緊密追蹤國外聲發(fā)射檢測技術和微電子技術發(fā)展的基礎上，通過進行儀器系統(tǒng)總體方案設計、聲發(fā)射信號DSP參數(shù)采集處理卡的研制、聲發(fā)射信號高速AD全波形采集卡的研制、聲發(fā)射信號實時采集分析軟件的開發(fā)和聲發(fā)射信號事后分析軟件的開發(fā)等五個階段，最終自主開發(fā)研制了多通道數(shù)字化聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)。研制的數(shù)字化聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)，具有自主知識產(chǎn)權，填補了國內(nèi)空白，與國外最新型號的聲發(fā)射儀器相比，在多通道全波形采集、任意三角定位、球面定位、基于波形的譜分析、小波分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別方面處于世界領先水平。該成果經(jīng)專家鑒定達到國際先進水平，并且已實現(xiàn)20臺儀器的銷售。

3.7 管系結(jié)構(gòu)復雜加載極限及應力分析方法

首次提出了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、分區(qū)迭代法和有限元簡化算法等三種數(shù)值計算方法，大幅度減少了計算規(guī)模，大大提高了計算效率和精度，適用于多組載荷作用下三維含缺陷壓力管道以及一般三維結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析，有效地解決了極限分析理論的實際應用問題，獨立開發(fā)了具有前后處理功能的管系內(nèi)力分析軟件，提供了先進、完整、實用的管系結(jié)構(gòu)分析手段。該成果經(jīng)專家鑒定達到國際領先水平，被國家質(zhì)檢總局頒布的《在用工業(yè)壓力管道定期檢驗規(guī)程》和GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》標準采納。

3.8 含體積型缺陷（局部減薄、未焊透）壓力管道安全評定方法（國際領先，納入國家標準GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》和政府技術法規(guī)《在用工業(yè)壓力管道定期檢驗規(guī)程》）

通過三維有限元數(shù)據(jù)的全自動生成、局部減薄多影響因素化簡、組合載荷下大應變測試、數(shù)據(jù)分段擬合處理等分析計算，以及實驗測試和爆破實驗，全面、系統(tǒng)、深入地研究了環(huán)向（包括未焊透）、軸向和大面積局部減薄在不同壓力、彎矩（拉力）組合載荷作用下對壓力管道強度的影響，在含局部減薄壓力管道的缺陷表征、失效模式建立、塑性極限分析及安全評定方法（尤其是免于評定條件建立）研究等方面取得了突破性進展，首次建立了塑性極限載荷數(shù)據(jù)庫，給出了工程計算公式，并建立了無需進行管系內(nèi)力的復雜計算、應用簡便的含局部減薄、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。該成果經(jīng)專家鑒定達到國際先進水平，被國家質(zhì)檢總局頒布的《在用工業(yè)壓力管道定期檢驗規(guī)程》和GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》標準采納。

3.9 含面型缺陷（裂紋、未融合）壓力管道安全評定方法

采用NSC準則給出了含各種周向裂紋（穿透裂紋、表面裂紋、埋藏裂紋）的厚壁管及薄壁管在拉、彎、扭、內(nèi)壓聯(lián)合載荷作用下的塑性極限載荷解及聯(lián)立方程式表示的Lr解，提出了聯(lián)合載荷下以裂紋形狀尺寸參量表示的Lr解的指數(shù)方程，在此基礎上又提出了Lr解的圖解法，大大提高了Lr解的計算精度。建立了以等效原場應力為參量的J積分估算法。應用EPRI的J積分工程算法，經(jīng)過數(shù)學推導得到一個新的以等效原場應力（σ/x0）為參量的Jp表達式。這一J積分工程算法具有和EPRI的J積分工程算法同樣的計算準確性，但可適用于任意應力應變關系材料。利用這一方法可以直接由純拉伸及純彎曲的J積分全塑性解疊加計算拉彎聯(lián)合載荷下的J積分值，解決了國際上多年努力探索、但至今尚未解決的難題。首次建立了應用簡便，精度高，適用于任意應力應變關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，便于工程應用、理論嚴格，精度高。該成果經(jīng)專家鑒定達到國際領先水平，被國家質(zhì)檢總局頒布的《在用工業(yè)壓力管道定期檢驗規(guī)程》和GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》標準采納。

4 應用情況

上述成果被3項國家標準法規(guī)全面采納，已在全國推廣應用，指導1000多家檢驗機構(gòu)，按照要求對各行業(yè)數(shù)萬家企業(yè)的15萬公里工業(yè)管道開展普查或檢驗與評估，處理了一批危險性缺陷，消除了隱患，社會效益重大。

成果完成單位在2002～2004年期間，綜合應用各項研究成果，分別在石油、化工、電力、核能、燃氣等行業(yè)數(shù)十家企業(yè)的150多公里工業(yè)管道和燃氣管道等重大、關鍵裝置的檢驗檢測、在線檢測和安全評定中，解決了一系列技術難題，不但及時發(fā)現(xiàn)并嚴格處理了個別危險性缺陷，同時“解放”了絕大部分超標缺陷，避免了大量不必要的設備報廢、返修，尤其是相應的停產(chǎn)損失，取得了18億元的經(jīng)濟效益和重大的社會效益。其中部分典型應用案例如下：

1）秦山核電站二期工程于役前最終檢查中懷疑二號機組一回路的接管焊縫存在缺陷，必須進行補充檢驗。受國家核安全局委托，中國特種設備檢測研究院采用管道超聲檢測研究成果，發(fā)現(xiàn)常規(guī)方法未能發(fā)現(xiàn)的超標缺陷。美國西屋公司對焊縫進行了檢測和返修，不僅驗證了檢測結(jié)果，而且承認了其檢測技術相對于課題研究成果的不足之處。課題研究成果的應用，對確保我國核電安全發(fā)揮了十分重要的作用，同時避免了可能產(chǎn)生的重大經(jīng)濟損失，得到國務院有關領導和國家核安全管理局的充分肯定和贊揚。

2）受西氣東輸管道分公司質(zhì)量安全環(huán)保處的委托，中國特種設備檢測研究院采用管道超聲探傷研究成果成功研制出了滿足要求的模擬試件，用于培訓考核參與西氣東輸項目的無損檢測人員，為提高無損檢測人員的操作技能、選擇合適的超聲探傷儀提供了技術保證。中國特種設備檢測研究院也因此被國家西氣東輸領導小組評為先進集體。

3）“數(shù)字化多通道聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)”在2002～2004年期間，銷售16通道以上的多通道聲發(fā)射儀8臺，8通道以下的聲發(fā)射儀12臺，不但完成銷售額680萬元人民幣，而且并打破了國外儀器在中國市場的壟斷地位，迫使其降價30%以上。

本成果獲得2005年度國家科學技術進步二等獎。

獲獎單位：中國特種設備檢測研究院、北京航空航天大學、華東理工大學、清華大學、合肥通用機械研究院

獲獎人員：陳鋼、鐘群鵬、李培寧、沈功田、康紀黔、陳學東、劉應華、左尚志、徐秉業(yè)、賈國棟等

Safety Testing and Evaluation Technology Research on Pressure Pipeline

Shen Gongtian Tao Xuerong
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

The project, called ‘Safety Testing and Evaluation Technology of Pressure Pipeline’, includes the eight core results belong to the four topics of the National ‘the Ninth Five’ Scientific and Technological Issues and the manually scanning ultrasonic imaging detector used to solve the West-East pipeline detection. These technological achievements compose a closely related, comprehensive, system integrative organic entity. The results of the project won the National Science and Technology Progress Award in 2005. Based on the ‘National Science and Technology Award Recommendation’, this paper has given a review on the background, achievements and application of the project.

Pressure pipeline Safety Evaluation Ultrasonic testing Acoustic emission testing Structural integrity evaluation

X924.2

B

1673－257X(2015)11-0001-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.11.001

沈功田（1963～)，男，研究員，博士，主要從事特種設備無損檢測新技術研究工作。

2015-10-26）