韓志成，丁紅勝，姚登樽，白世武

(1.北京科技大學 數(shù)理學院，北京 100083；2.中國石油管道科學研究院，河北 廊坊065000)

基于應力設計的管道環(huán)焊縫缺陷評估

韓志成1，丁紅勝1，姚登樽2，白世武2

(1.北京科技大學 數(shù)理學院，北京 100083；2.中國石油管道科學研究院，河北 廊坊065000)

為了更為準確地評估基于應力設計管道環(huán)焊縫的缺陷尺寸，利用C#語言開發(fā)了管線鋼管環(huán)焊縫寬板拉伸試驗預制預測評估系統(tǒng)，基于國際上通用的焊縫缺陷評定規(guī)范API 1104，采用水平一(圖表法)和水平二(失效評定圖法)分別在不同的輸入?yún)⒘肯聦80管線鋼管進行了安全評定。結果表明，水平一(圖表法)的評估結果更為保守，會低估管道的安全裕度；水平二(失效評定圖法)的評估結果具有更好的工程實用性。

X80管道；環(huán)焊縫缺陷；失效評定圖法；API 1104

我國在20世紀60年代建設了第一條天然氣管道—巴渝線，經過半個世紀的發(fā)展，管道總里程數(shù)迅速增加。然而，天然氣管道的安全問題日益突出，提高對事故的預測能力是實現(xiàn)管道安全高效輸氣的關鍵[1-2]。壓力管道作為一種典型的焊接結構，由于其所經歷的焊接過程，焊接接頭往往發(fā)生組織性能的劣化并存在各種缺陷。在焊接缺陷處存在的應力集中使缺陷處往往成為裂紋的源頭，導致裂紋的失穩(wěn)擴展，從而使管道從接頭處發(fā)生斷裂，造成突發(fā)性甚至災難性事故。在眾多的評估方法中，失效評定圖(FAD，failure assessment diagram)是評估工業(yè)結構裂紋狀缺陷最常用的方法之一。利用失效評定圖不但可以確定含缺陷壓力管道在一定載荷作用下是否會失效，還可以進一步分析其安全裕度。此外，為了使評定方法更簡便化和工程化，評定標準給出了壓力管道的缺陷容限尺寸，評定時只要將實測的缺陷尺寸與相應條件下給定的缺陷容限尺寸進行比較，就可進行安全評定，簡便易行[3-4]。

隨著計算機的廣泛應用，用于含缺陷壓力管道安全評定的計算機軟件和專家系統(tǒng)也應運而生。國際上，如美國Battelle Columbus Laboratory編制的NRCPIPE軟件采用了J積分的5種評定方法，用于計算含裂紋管道的啟裂載荷和最大承載能力；在國內，南京工業(yè)大學編制了“含焊接缺陷結構疲勞可靠性評定的專家系統(tǒng)”，提出了疲勞模糊評定圖，還將人工神經網絡方法應用于含缺陷壓力管道疲勞壽命預測和承受外彎矩能力的評定[5]。本研究通過既有的理論模型開發(fā)出缺陷評估系統(tǒng)，進而可以獲得大量的模型數(shù)據(jù)，計算結果用于指導現(xiàn)場試驗，可顯著減少寬板拉伸試驗的次數(shù)，不僅節(jié)省費用，加快試驗進程，同時可為寬板拉伸試驗提供準確的方向性指導，具有一定的工程意義和理論價值。

1 評估方法與模型

根據(jù)API 1104標準，以“合于使用”的原則，在給定焊管直徑、壁厚、載荷條件等參量下，進行安全評定，可為管線鋼管的工程應用提供參考。評估方法有兩種，即“水平一”和“水平二”?！八揭弧笔且环N簡化的圖表方法，基于現(xiàn)代焊接技術焊接的管線鋼具有很好的斷裂韌性，而不考慮脆性斷裂。當斷裂韌性足夠高時，評估依靠的理論是試驗驗證的塑性垮塌標準；當斷裂韌性較低時，選擇“水平二”能很好地避免脆性斷裂。“水平二”計算更為復雜，其結果更為靈活[6]。

“水平一”評估方法通過圖表形式給出，分為以下兩種情況：

(1)0.100mm≤CTOD≤0.25mm；

(2) CTOD≥0.25mm。

“水平二”采用的是失效評定圖法(FAD)，失效評定圖由失效評定曲線(FAC)、載荷率Lr、韌性比Kr三個重要部分組成。在計算評定點的坐標時，對所考慮的實際幾何條件需要恰當?shù)膽姸纫蜃雍蜆O限載荷(塑性失穩(wěn))解，而且需要知道材料的拉伸性能和斷裂韌性。評定點的y坐標由施加的裂紋驅動力(用應力強度因子計算)除以材料的斷裂韌性得到，x坐標由施加的載荷除以造成塑性失穩(wěn)的載荷(由裂紋幾何的彈塑性解來計算)來確定。通過比較評定點與評定曲線的位置來確定缺陷是否可以接受，當評定點位于評定曲線與坐標軸所包圍的區(qū)域時，缺陷是可以接受的；如果評定點落在評定曲線上或者以外的區(qū)域，則缺陷是不可以接受的[7-9]。

式中：δe—裂紋驅動力；

δmat—斷裂韌性；

σa—使用載荷；

σc—塑性垮塌應力。

2 評估參數(shù)與計算

基于應力設計的評估參數(shù)有缺陷材料的韌性、管材的屈服強度和壁厚等，本研究通過對這些參數(shù)(如屈服強度、壁厚、管徑、CTOD值等)的對比分析，進而得到待評估缺陷的尺寸。屈服強度是管線鋼的一個重要性能參數(shù)，屈服強度表征材料從屈服到斷裂這一過程承受的過載裕度。提高天然氣管道輸氣量的方式有2種：一是增大輸送壓力，二是增加鋼管直徑。增加鋼管直徑的同時必須要增加鋼管的壁厚，但鋼管壁厚增加后，要求滿足足夠的低溫韌性和縱向大應變性能會變得更加困難。CTOD(裂紋尖端張開位移)斷裂韌度是評價鋼材及焊接接頭抗脆斷特性的重要參數(shù)，其更能有效準確地評價鋼材的抗脆斷能力[10-11]。

失效評定圖如圖1所示。評價系統(tǒng)中最大允許缺陷尺寸由以下計算過程確定：

(1)確定一個缺陷尺寸作為起點，取壁厚的50％即相對缺陷作為缺陷深度，同時取一個較小的缺陷長度，例如缺陷深度c=0.2mm，缺陷長度a=0.01mm。

(2)通過公式計算確定其在FAD中的評定點位置。

(3)缺陷是否可接受的標準為通過比較評定點與評定曲線的位置，當評定點位于評定曲線與坐標軸所包圍的區(qū)域時，則增加缺陷長度，重復步驟2。

(4)如果評定點落在評定曲線以外的區(qū)域，則減小缺陷長度，重復步驟2。

(5)如果評估點落在評定曲線上，又可分為兩種情況：①符合要求，記錄下相應缺陷尺寸；②減小缺陷長度，同時根據(jù)①得到的缺陷長度作為起點，重復步驟2。

(6)將所有結果匯總。

圖1 失效評定圖

3 缺陷評估對比分析

以X80級Φ1 219mm×18.4mm鋼管為例，其泊松比為0.3，彈性模量為206 700MPa，試驗載荷為488.8MPa，CTOD值為0.33mm。然后根據(jù)不同的輸入?yún)?shù)量，對API 1104標準中“水平一”與“水平二”進行對比分析。

3.1 不同屈服強度下的缺陷評估

不同屈服強度下的缺陷尺寸如圖2所示。圖2中，a、b為“水平一”分別對應屈服強度611MPa、631MPa和651MPa的曲線，其中由于“水平一”計算采用圖表法，651MPa與631MPa對應相同的載荷水平曲線，輸出結果曲線重合；c、d、e為“水平二”分別對應屈服強度611MPa、631MPa、651MPa時的曲線。在CTOD=0.33mm時，其焊縫韌性較高，“水平一”所允許的缺陷大小在相同缺陷深度時小于“水平二”，而隨著缺陷深度的增加，“水平一”與“水平二”的允許缺陷尺寸差值越來越小。相比于缺陷長度對缺陷尺寸的影響，缺陷深度的影響更為顯著。

圖2 不同屈服強度下的缺陷尺寸

3.2 不同壁厚下的缺陷評估

屈服強度611MPa、不同壁厚下的缺陷尺寸如圖3所示。圖3中，a、b、c為“水平一”分別對應鋼管壁厚22mm、18.4mm和16.5mm時的曲線；d、e、f為“水平二”分別對應鋼管壁厚22mm、18.4mm和16.5mm時的曲線。由圖3可見，“水平一”的允許缺陷尺寸大于“水平二”，且在缺陷深度較高時，其缺陷長度差值較小。

圖3 不同壁厚下的缺陷尺寸

3.3 不同鋼管直徑下的缺陷評估

屈服強度611MPa、不同鋼管直徑下的缺陷尺寸如圖4所示。圖4中，a、b、c為“水平一”分別對應鋼管直徑1 016mm、1 219mm和1 422mm時的曲線；d、e、f為“水平二”分別對應鋼管直徑1 016mm、1 219mm和1 422mm時的曲線。由圖4可見，“水平二”的總體允許缺陷尺寸大于“水平一”，且隨著缺陷深度的增加，缺陷尺寸差值在不斷減小。對相同的鋼管直徑進行對比可見，“水平二”在缺陷深度分別達到6.5mm、6.2mm、5.9mm時，其允許缺陷長度取到極限值即管周長的12.5％，而“水平一”在缺陷深度分別達到2.8mm、2.3mm、2.8mm時取到極限值。

圖4 不同鋼管直徑下的缺陷尺寸

3.4 不同CTOD下的缺陷評估

屈服強度611MPa、不同CTOD下的缺陷尺寸如圖5所示。圖5中，a為“水平一”對應的0.100mm≤CTOD≤0.25mm時的曲線；c為“水平一”對應的CTOD≥0.25mm時的曲線；b、d、e、f、g、h、i分別是CTOD為0.05mm、0.17mm、0.25mm、0.33mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm時對應的曲線。曲線b與曲線a在缺陷深度為3.1mm時，“水平一”與“水平二”的缺陷尺寸相同，隨著缺陷深度的增加，曲線b的缺陷長度逐漸小于曲線a，但是曲線d、e、f所對應的缺陷長度要遠大于曲線a。曲線g、h、i的缺陷尺寸遠大于曲線c，且隨著CTOD的增加，其差值更顯著。

圖5 不同CTOD下的缺陷尺寸

4 結 語

根據(jù)不同水平計算結果，分別建立了相應的評定曲線。評定結果表明，在API 1104標準中，缺陷深度相比于缺陷長度對缺陷尺寸的影響更大。隨著缺陷深度的降低其缺陷長度會增加，水平一結果更為保守，會低估管道的安全裕度，水平二具有更好的工程實用性。

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Pipeline Circumferential Weld Defects Assessment Based on Stress Design

HAN Zhicheng1,DING Hongsheng1,YAO Dengzun2,BAI Shiwu2
(1.School of Mathematics and Physics,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Pipeline Research Institute of CNPC,Langfang 065000,Hebei,China)

In order to more accurately assess pipeline circumferential weld defects based on stress design,it developed the prediction and evaluation system for wide plate tensile test by using C#langue.Based on the international common weld defect safety assessment standards API1104，the assessment for X80 line pipe was performed under different input parameters by using level 1(diagram method)and Level 2(the failure assessment diagram method).The results showed that the level 1 is more conservative than the level 2.The level 1 will underestimate the safety margin of the pipeline.Level 2 has good engineering practicability.

X80 pipeline；circumferential weld defects；failure assessment diagram method；API1104

TG457.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.006

韓志成，男，碩士研究生，就讀于北京科技大學數(shù)理學院，主要從事管線鋼環(huán)焊縫缺陷評估相關問題的研究。

2016-05-29

謝淑霞