楊鋒平，高富超，鄒 斌，羅金恒,賈海東

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.西安三環(huán)科技開發(fā)總公司 陜西 西安 710077；3.中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 830012)

·標準化·

含裂紋型缺陷油氣管道剩余強度評價標準對比分析研究

楊鋒平1,2，高富超3，鄒 斌3，羅金恒1,2,賈海東3

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.西安三環(huán)科技開發(fā)總公司 陜西 西安 710077；3.中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司 新疆 烏魯木齊 830012)

從適用范圍、限制條件、基本評價準則、關(guān)鍵參數(shù)取值等方面對比分析了國內(nèi)常用4項油氣管道裂紋型缺陷剩余強度評價標準。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：4項標準均采用了失效評估圖技術(shù)(FAD)。API579-1-2007考慮的因素最為全面，對裂紋形狀、載荷形式、管道幾何尺寸要求最少，是評價的首選。BS7910-2013與API579-1-2007類似，但載荷形式既有內(nèi)壓又有外部載荷時，只適用于厚壁管的評價。SY/T 6477-2014技術(shù)上也與API579-1-2007類似，但針對X80管道，有單獨更為保守的失效評價曲線。GB/T 19624-2004主要用于壓力容器，油氣管道可參考使用。建議的標準選擇次序為：API579-1-2007、BS7910-2013、SY/T 6477-2014以及GB/T 19624-2004。

油氣管道;裂紋型缺陷;剩余強度評價;標準

0 引 言

油氣輸送管線服役期間可能會因為腐蝕、機械損傷、地質(zhì)災(zāi)害等因素造成各種損傷，還可能存在制管和施工缺陷，嚴重的損傷和缺陷會引起管線的泄漏和開裂，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸中毒等事故發(fā)生，并可能造成人員傷亡、重大經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。對發(fā)現(xiàn)的管道缺陷進行可靠的安全評價，對管道安全服役有重要影響。國際上自20世紀70年代初期就開始對含缺陷管道的剩余強度評價方法進行研究，對于平面型缺陷(裂紋)的剩余強度評價，主要有斷裂力學(xué)評價方法、塑性極限載荷評價方法以及雙判據(jù)失效評估圖方法[1-3]。目前國內(nèi)使用的主要標準有如下4項：API579-1-2007《服役適用性評價》、BS7910-2013《金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)可接受缺陷的評價指南》、GB/T 19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評價》、SY/T6477-2014《含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》。所有標準都采用雙判據(jù)失效評估圖方法。該方法兼顧了脆性斷裂失效和塑性失穩(wěn)失效，實際上是斷裂力學(xué)評價方法和塑性極限載荷評價方法的結(jié)合。其失效評價曲線從原先的基于COD理論理想彈塑性材料窄帶屈服模型和線彈性斷裂力學(xué)，發(fā)展為目前基于J積分方法推導(dǎo)了失效評估曲線(FAC)。由于評價參數(shù)具有不確定性，如無損檢測數(shù)據(jù)與實際尺寸總有差別、材料性能數(shù)據(jù)也有分散性等，目前雙判據(jù)評價方法(如R6)正將概率斷裂力學(xué)引入到斷裂評價中，但沒有形成標準性文件，但BS7910-2013將壓力、材料性能等具有概率分布特征的參數(shù)進行了概率化處理，并作為附件寫進了標準。

含裂紋型缺陷管道剩余強度評價是在缺陷檢測基礎(chǔ)上，對管道剩余承壓能力的定量評價。若剩余強度評價結(jié)果表明含缺陷管道適用于目前的工作條件，則只要建立合適的監(jiān)測/檢測程序，管道可以在目前工作條件下繼續(xù)安全運行。若評價結(jié)果表明含缺陷管道不適合目前操作條件，則宜對該管道降壓使用，或進行修復(fù)或換管，重新評價后再投入使用。由此可知，剩余強度評價對管道安全運行有重要影響，因此在應(yīng)用標準進行含缺陷油氣管道安全評價時，必須充分考慮標準的限制條件和適用性。在標準對比方面，何仁洋[4]、任自在[5]等進行了部分研究，但均未詳細對比標準的優(yōu)缺點。

本節(jié)從適用范圍、限制條件、評價準則、關(guān)鍵參數(shù)取值等多方面對比了上述4項標準，為標準的工程應(yīng)用提供參考借鑒。

1 標準適用范圍與限制條件

API 579-1由API(美國石油學(xué)會)和ASME(美國機械工程師協(xié)會)共同發(fā)布，最新版本為2007版。BS7910由英國標準研究所發(fā)布，最新版本為2013版。GB/T 19624由國家質(zhì)監(jiān)總局和國家標準化委員會共同發(fā)布，最新版本為2004版。SY/T 6477由國家能源局發(fā)布，最新版本為2014版。4項標準均屬于推薦性標準。

1.1 適用范圍

API 579-1-2007適用范圍：(1)原始設(shè)計是按公認的規(guī)范或標準進行的。(2)構(gòu)件不在蠕變區(qū)工作，工作溫度符合設(shè)計要求。(3)表面、穿透、埋藏型裂紋均可。

BS7910-2013適用范圍：金屬結(jié)構(gòu)。

GB/T 19624-2004適用范圍：(1)在用鋼制含超標缺陷壓力容器的安全評價，包括斷裂與塑性失效評價和疲勞失效評價。(2)表面裂紋、埋藏型裂紋、穿透裂紋。

SY/T 6477-2014適用范圍：(1)含缺陷油氣輸送管剩余強度評價。(2)管道原設(shè)計標準與GB50251或GB50253一致。(3)鋼管管體裂紋。(4)焊縫裂紋，如未熔合、未焊透等。(5)使用過程中產(chǎn)生的裂紋，如應(yīng)力腐蝕裂紋、氫致裂紋。(6)管道是韌性的。(7)管道服役溫度處于控制范圍之內(nèi)。(8)內(nèi)壓是主要載荷。(9)表面裂紋、穿透裂紋；但不適用于埋藏型裂紋。

1.2 在油氣管道應(yīng)用上的限制

API 579-1-2007：1級評價限制條件為以下的(1)-(7)，2級評價限制條件為以下的(1)-(4)：

(1)管道設(shè)計資料符合相關(guān)規(guī)范要求。(2)服役溫度不超過蠕變溫度。(3)動態(tài)載荷作用不明顯。(4)含裂紋型缺陷的部件所受的載荷或環(huán)境不會使得裂紋擴展。如果會有預(yù)期的裂紋擴展，則需要采用剩余壽命評價方法分析裂紋何時會擴展到臨界值。(5)對構(gòu)件和裂紋幾何形狀的限制：①結(jié)構(gòu)必須是平板、圓柱體或球形體；②對于圓柱體或球形體，其壁厚半徑比必須大于5；③ 結(jié)構(gòu)的壁厚必須小于38 mm；④裂紋長度不得超過200 mm；⑤ 對于圓柱體或球形體，裂紋方向必須沿軸向或環(huán)向，并且距離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處須大于1.8(Dt)0.5；對于平板構(gòu)件，裂紋方向須垂直于主應(yīng)力方向，如果裂紋方向不垂直于主應(yīng)力方向，須投影到主應(yīng)力方向后計算。(6)對載荷的限制：①壓力造成的載荷只產(chǎn)生膜應(yīng)力，如果有彎曲應(yīng)力或附件應(yīng)力，需要采用2級評價或3級評價；②膜應(yīng)力大小需要滿足設(shè)計范圍；③待評價構(gòu)件如果準備進行壓力試驗，則構(gòu)件的金屬溫度須大于最小允許溫度(防止脆性斷裂)。試壓結(jié)束后，裂紋需要重新檢查以確定是否擴展；④焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)該是單V型或者雙V型；焊接殘余應(yīng)力的大小應(yīng)基于API579-1-2007 附錄E。(7)構(gòu)件材料的限制：①材料是碳鋼，其許用應(yīng)力不大于172 MPa；②母材的最小要求屈服強度不大于276 MPa，最小要求抗拉強度不大于483 MPa，且焊材應(yīng)與母材匹配。③材料的斷裂韌性應(yīng)大于API579-1-2007 附錄F規(guī)定的材料平面應(yīng)變斷裂韌性KIC下限。

BS7910-2013：未給出在油氣管道應(yīng)用上的限制。

GB/T 19624-2004：鍋爐和管道在進行安全評價時可參照本標準進行。

SY/T 6477-2014：不適用于：(1)管道材料是脆性的，(2)服役溫度超過控制溫度或處于蠕變溫度范圍之內(nèi)。

1.3 對裂紋形狀的限制

API 579-1-2007可評價的裂紋形狀為：(1)穿透型裂紋(對尺寸無限制)。(2)所有表面裂紋：裂紋深度不得超過80%t。(3)軸向(或環(huán)向)表面半橢圓裂紋：0.03125≤a/c≤2.0。

BS7910-2013：僅承受內(nèi)壓情況下，可評價的裂紋形狀為：(1)表面裂紋：0

在內(nèi)壓與其他載荷共同作用情況下，可評價的裂紋形狀為：(1)內(nèi)(外)表面軸向半橢圓裂紋：a/t≤0.8；0.05 ≤a/2c≤1。(2)內(nèi)表面軸向長裂紋(或內(nèi)表面環(huán)向360°裂紋)：a/t≤0.8。(3)內(nèi)表面環(huán)向半橢圓裂紋：a/t≤0.8；0.1≤a/c≤1。(4)外表面環(huán)向半橢圓裂紋：0

GB/T 19624-2004：簡化評價的限制條件為：a/t≤0.8;a/c≤1.0。常規(guī)可評價的裂紋形狀為：(1)表面裂紋a/t≤0.8;a/c≤1.0；(2)埋藏裂紋a/t≤0.45(1-2e/t);a/c≤1.0；e/t<0.5。

SY/T 6477-2014可評價的裂紋形狀為：(1)無限長軸向表面裂紋：裂紋深度不得超過80%t。(2)環(huán)向360°表面裂紋：裂紋深度不得超過80%t。(3)軸向(或環(huán)向)半橢圓表面裂紋：裂紋深度不得超過80%t，裂紋深度與半長度滿足0.03125 ≤a/c≤2.0。

其中，a表示裂紋半深度(表面裂紋表示裂紋深度)，t表示管壁厚度，c表示裂紋半長度，e表示埋藏裂紋中心線與管壁中心線的偏移量。

1.4 對鋼管壁厚與半徑比的限制

4項標準對鋼管的壁厚與半徑比的限制如下：

API 579-1-2007：對于環(huán)向360°表面裂紋：0.001≤t/Ri≤1。

BS7910-2014：內(nèi)壓與其他載荷共同作用情況下，限制條件為：(1)軸向或環(huán)向穿透型裂紋：5≤Rm/t≤100；(2)內(nèi)(外)表面軸向半橢圓(外表面軸向半橢圓長裂紋)裂紋：0.1≤t/Ri≤0.25。(3)外表面軸向長裂紋：0.001≤t/Ri≤1/3。(4)內(nèi)表面環(huán)向半橢圓(或360°)裂紋：0.1≤t/Ri≤0.2。

GB/T 19624-2004：對于穿透裂紋，t/Ri≤0.1。

SY/T 6477-2014：同API 579-1。

其中，Ri表示管道內(nèi)半徑，Rm表示管道平均半徑(內(nèi)半徑與外半徑的均值)。

2 標準評價準則與關(guān)鍵參數(shù)取值

2.1 評價級別

API 579-1-2007可評價的級別為3級。

BS7910-2013可評價的級別為3級。

GB/T 19624-2004可評價的級別為2級，分別為簡化評價和常規(guī)評價。

SY/T 6477-2014可評價的級別為1級，相當于API579的第2級評價。

2.2 基本準則

API 579-1-2007：1級評價按圖形評價；2級評價為失效評估圖，橫坐標截止線：

(1)

3級評價：(1)失效評估圖+基于風(fēng)險的安全因子；(2)失效評估圖+自定義的失效評價曲線；

BS7910-2013：失效評估圖，橫坐標截止線：

(2)

GB/T 19624-2004：失效評估圖，常規(guī)評價的橫坐標截止線：

(3)

SY/T 6477-2014：失效評估圖，橫坐標截止線同BS7910-2013。

2.3 安全因子取值推薦

API 579-1-2007：包括裂紋尺寸、材料斷裂韌性、載荷3方面均取安全因子，安全因子范圍為：1.0-4.1。

BS7910-2013：基于失效后果大小以及輸入?yún)?shù)的不確定性，從應(yīng)力、缺陷尺寸、斷裂韌性、屈服強度等4方面可以取安全因子，范圍為：1-5.5。

GB/T 19624-2004：按失效后果分，缺陷尺寸、應(yīng)力需要考慮安全因子，取值范圍為：1.0-1.5。

SY/T 6477-2014：無安全因子取值推薦。

2.4 斷裂韌性取值推薦

API 579-1-2007斷裂韌性取值推薦為：Kmat=14.6CVN0.5或Kmat=8.47CVN0.63。

BS7910-2013斷裂韌性取值推薦為：Kmat=[12CVN0.5-20(25/B)0.25]+20,最高不得超過：Kmat=0.54CVN+55。

GB/T 19624-2004斷裂韌性取值推薦為：(1)以試驗為準，試驗次數(shù)3-5次時取最低值；6-10次時取第二最低值；11-15次時取第三最低值。(2)當無試驗數(shù)據(jù)時，可選取經(jīng)驗數(shù)據(jù)，但應(yīng)做足夠的依據(jù)說明。

SY/T 6477-2014斷裂韌性取值推薦為：Kmat=8.47CVN0.63。

其中，Kmat表示材料的斷裂韌性， MPa·m0.5；CVN表示材料的夏比沖擊功，單位為J。

2.5 焊接殘余應(yīng)力取值

API 579-1-2007：與焊接焊接形式相關(guān)、與管道水壓試驗強度有關(guān)，強度越高，殘余應(yīng)力越低。最高為σs，最低為0.3σs。

BS7910-2013：分統(tǒng)一假設(shè)和非統(tǒng)一假設(shè)。統(tǒng)一假設(shè)認為取σs和(1.4-σref/σf)σs之間的低值。非統(tǒng)一假設(shè)情況下，殘余應(yīng)力與焊接接頭形式、焊接時候能量輸入等有關(guān)，最大σs，最低零。

GB/T 19624-2004：殘余應(yīng)力與厚度相關(guān)、與焊縫形式相關(guān)，最高為σs，最低零。

SY/T 6477-2014：殘余應(yīng)力與管道水壓試驗強度有關(guān)，強度越高，殘余應(yīng)力越低。最高為σs，最低為0.3σs。

其中，σs表示焊縫兩側(cè)母材的屈服強度，σref表示參考應(yīng)力，σf表示流變應(yīng)力。

2.6 一、二次應(yīng)力干涉效應(yīng)

API 579-1-2007：按Lr的大小取值。

BS7910-2013：按Lr和K的大小取值。

GB/T 19624-2004：按Lr的大小取值，最小取0,最大取0.24。

SY/T 6477-2014：按Lr的大小取值。

其中，Lr表示失效評價曲線中的橫坐標載荷比，K表示裂紋尖端應(yīng)力強度因子。

3 對比分析

API 579-1-2007在裂紋型缺陷評價上，考慮的裂紋類型、載荷類型最多，對管道形狀的限制條件最少，因此本文建議該標準為油氣管道裂紋型缺陷評價的首選，但X80管道的失效評價曲線可采用SY/T 6477-2014的曲線。在限制條件方面，該標準看似列出較多因素，實則考慮了詳細的因素。這些因素在工程評價中，往往不是限制其應(yīng)用的條件，而是評價時要求技術(shù)人員考慮的因素。

BS 7910-2013采用的失效評價曲線與API 579-1-2007一致，同時是4項標準中唯一可以進行概率失效評價的標準。該標準最大的限制條件為當管道受內(nèi)壓與其它載荷共同作用時，標準要求管道壁厚半徑比限制在一定范圍，適用于厚壁管的評價，而對于目前大量使用的大口徑薄壁管，顯得不夠適用。

GB/T 19624-2004主要用于壓力容器，油氣管道參考使用。對裂紋形狀因子解釋不夠詳細，同時在沒有試驗情況下(工程評價大多屬于此情況)，斷裂韌性的取值不明確，建議在油氣管道中較少使用。

SY/T 6477-2014在技術(shù)上采用了API 579-1-2007的內(nèi)容，但是從上述分析可知，在限制條件、安全因子取值、殘余應(yīng)力計算等均作了簡化。然而，該標準在X80高鋼級油氣管道失效評價時，采用了國內(nèi)高鋼級管道的最新研究成果，單列了更為保守的失效評價曲線，因此建議在X80管道失效評價時，首選該標準。同時，由于API 579-1-2007和BS 7910-2013標準技術(shù)內(nèi)容較長，且為英文標準，故對于國內(nèi)工程技術(shù)人員，當閱讀英文技術(shù)標準較為困難時，可將SY/T 6477-2014作為油氣管道裂紋型缺陷剩余強度評價的第一選擇。

4 結(jié) 論

1)含裂紋型缺陷管道剩余強度評價時，應(yīng)充分注意各個標準的限制條件。

2)API 579-1-2007和BS 7910-2013在評價時考慮的因素較為詳細。

3)當缺陷評價時需要考慮外部軸向或彎曲載荷時，BS 7910-2013主要適用厚壁管的評價。該標準也是唯一可以進行概率失效評估的標準。

4)推薦的標準選擇次序為：API 579-1-2007、BS 7910-2013、SY/T 6477-2014以及GB/T 19624-2004。

[1] 趙新偉，李鶴林，羅金恒，等. 油氣管道完整性管理技術(shù)及其進展[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)學(xué)報，2006，16(1)：129-135.

[2] 張 良，羅金恒，趙新偉，等. 含體積型缺陷鋼管的剩余強度計算與水壓爆破試驗驗證[J]. 焊管,2013,36(5):29-34.

[3] 韓毅，淡勇，李小勇，等. 含缺陷壓力容器安全評價的發(fā)展歷程與趨勢[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2012,33(4):47-50.

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[5] 任自在. 壓力管道安全評價的理論與方法研究[D]. 東營：中國石油大學(xué)(華東),2008.

Study on Standards of Crack Type Flaw Remaining Strength Assessment for Oil & Gas Transmission Pipeline by Comparison

YANG Fengping1,2, GAO Fuchao3, ZOU Bin3, LUO Jinheng1,2, JIA Haidong3

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China;2.Xi′anTri-circleTechnologyDevelopmentCorporation,Xi′an,Shaanxi710077,China;3.PetroChinaWestPipelineCompany,Urumqi,Xinjiang830012,China)

Four remaining strength assessment standards for crack type flaw were compared in aspects of the application range, the limit condition, the basic assessment criteria and the key parameters selection. It is found that failure assessment diagram(FAD)was adopted by all the four standards. API 579-1 is the most comprehensive standard. It has the minimum requirements on crack shape, load form or pipe geometry size, which is thought to be the preferred standard in this paper. BS7910-2013 is similar to API579-1-2007. But if load form is internal pressure combined with axial load or other external load, then the standard is limited to evaluate flaw in thick walled pipe. SY/T 6477-2014 is also similar to API579-1-2007 in technology. But for X80 steel grade pipeline, specified failure assessment curve which is more conservative is adopted. GB/T 19624-2004 is mainly used in pressure vessel. It can be used for reference in oil and gas pipelines. So when using standards to evaluate crack type flaw in oil & gas pipeline, the recommended standards selection order is API579-1-2007、BS7910-2013、SY/T 6477-2014 and GB/T 19624-2004.

oil &gas transmission pipeline; crack type flaw;remaining strength assessment;standard

楊鋒平，男，1982年生，工程師，2010年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)飛行器設(shè)計專業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事油氣長輸管道完整性評價與失效分析工作。E-mail：yangfengping008@cnpc.com.cn

TE832

A

2096-0077(2016)06-0083-04

2016-04-14 編輯：葛明君)