李 明, 成志強(qiáng), 王 成, 柳葆生

(1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院, 成都 610031;2.應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031;3.中國(guó)石油西部管道塔里木輸油氣分公司， 新疆 塔里木 841000)

基于BS7910標(biāo)準(zhǔn)的X70鋼環(huán)焊縫超聲相控陣檢出埋藏缺陷的安全評(píng)定

李 明1,2, 成志強(qiáng)1,2, 王 成3, 柳葆生1,2

(1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院, 成都 610031;2.應(yīng)用力學(xué)與結(jié)構(gòu)安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610031;3.中國(guó)石油西部管道塔里木輸油氣分公司， 新疆 塔里木 841000)

為降低建設(shè)成本，長(zhǎng)輸管線通常采用高等級(jí)管線鋼。對(duì)于服役約9年的X70鋼管道的一道環(huán)焊縫，采用超聲相控陣檢測(cè)，檢出5處埋藏裂紋缺陷?；凇昂嫌谑褂谩钡脑瓌t，采用BS 7910:2005標(biāo)準(zhǔn)中的2B級(jí)評(píng)定方法進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。評(píng)定結(jié)果表明，5處埋藏裂紋缺陷均在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，管道可以安全運(yùn)行。另外，為探索埋藏缺陷承載安全的表征方法，在缺陷對(duì)應(yīng)的管道外表面貼應(yīng)變花，以測(cè)量缺陷管體外表面的應(yīng)變。應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明，該方法能夠表征缺陷尺度與承載能力的關(guān)系。

X70鋼管道;環(huán)焊縫;埋藏缺陷;BS 7910;超聲相控陣測(cè)試;應(yīng)變測(cè)試

引 言

油氣管道是由一節(jié)節(jié)獨(dú)立管段環(huán)向焊接延長(zhǎng)而成，但由于野外焊接環(huán)境惡劣，不可避免地存在不同程度的環(huán)焊縫缺陷，在腐蝕性介質(zhì)、壓力波動(dòng)、土層沉降等服役環(huán)境與力學(xué)條件下，缺陷可能緩慢擴(kuò)展，進(jìn)而引起管體局部或大范圍破壞。而實(shí)際情況下又不可能對(duì)所有含缺陷的壓力管道都進(jìn)行更換或返修，所以必須及時(shí)對(duì)含缺陷壓力管道進(jìn)行安全評(píng)定，以防止出現(xiàn)事故[1]。目前環(huán)焊縫缺陷的評(píng)價(jià)過程是，應(yīng)用漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫異常后，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)開挖暴露的環(huán)焊縫，采用超聲相控陣等無損檢測(cè)方法，對(duì)環(huán)焊縫缺陷的嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)級(jí)。超聲相控陣雖能檢出缺陷的長(zhǎng)度、高度和埋藏深度，卻不能僅憑此確定其嚴(yán)重程度，這給缺陷評(píng)價(jià)帶來了一定的問題。

1980年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)首次起草了BSI PD 6493《焊接缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)若干方法指南》[2]，后經(jīng)過兩次修訂，現(xiàn)已被BS 7910:2005《金屬結(jié)構(gòu)裂紋驗(yàn)收評(píng)定的方法指南》[3]取代。本文采用BS 7910:2005標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)截取的X70鋼檢出埋藏缺陷進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，為相關(guān)工程技術(shù)人員開展含埋藏裂紋缺陷管線的安全評(píng)定工作提供參考。

1 BS 7910:2005評(píng)定方法簡(jiǎn)介

在BS 7910標(biāo)準(zhǔn)中，共有3個(gè)評(píng)定級(jí)別，評(píng)定級(jí)別越高，其結(jié)果的保守程度越低，但同時(shí)對(duì)評(píng)定對(duì)象的材料以及結(jié)構(gòu)的相應(yīng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完備性要求也就越高。這里采用其中的2B級(jí)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行安全評(píng)定。評(píng)定采用一條由曲線方程和截?cái)嗑€組成的失效評(píng)定線，即斷裂比Kr與載荷比Lr的關(guān)系曲線，得到典型的失效評(píng)定圖(FAD)，如圖1所示。如果評(píng)定點(diǎn)落在由坐標(biāo)軸和評(píng)定線圍成的區(qū)域內(nèi)，則缺陷是可接受的，反之則不行。根據(jù)構(gòu)件材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可取應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的比值及其比值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值作為評(píng)定曲線繪制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后分別代入評(píng)定曲線方程進(jìn)行評(píng)定曲線的繪制。FAD圖的邊界線，即斷裂比Kr與載荷比Lr的關(guān)系曲線方程如下：

(1)

若Lr≤Lrmax，

(2)

若Lr>Lrmax，

Kr=0

(3)

其中，σY為屈服強(qiáng)度，σu為抗拉強(qiáng)度，E為彈性模量，εref為真應(yīng)變。

圖1 2B級(jí)失效評(píng)定圖

2 檢出管道環(huán)焊縫缺陷

在管道施工中出現(xiàn)較多的焊接缺陷包括：裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透和形狀缺陷6種，其中形狀缺陷包括咬邊、錯(cuò)邊、焊縫成型不良等[4]。在斷裂分析中，這些焊接缺陷均可當(dāng)成平面缺陷處理。平面缺陷用其外接矩形的高度和長(zhǎng)度來表示。其中單獨(dú)的埋藏型缺陷的尺寸如圖2所示，2a為裂紋深度，2c為裂紋長(zhǎng)度，B為管道壁厚，p為裂紋距離管壁最近的距離。實(shí)際檢測(cè)通常會(huì)對(duì)缺陷形狀進(jìn)行規(guī)整化處理，超聲相控陣檢測(cè)出的缺陷形貌如圖3所示，兩圖從不同角度展現(xiàn)檢測(cè)管段中含有的同一缺陷情況。

圖2 埋藏型裂紋的簡(jiǎn)化模型

圖3 超聲相控陣檢出缺陷形貌

3 評(píng)定方法與結(jié)果

3.1 X70鋼材料性能參數(shù)

3.1.1 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

X70管線鋼焊接接頭焊縫和母材的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 焊縫和母材的拉伸試樣結(jié)果

3.1.2 檢出缺陷尺寸

對(duì)含有環(huán)焊縫的缺陷管道(φ813 mm 8.8 mm)進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)，檢出的5個(gè)缺陷分別記為U1、U2、U3、U4、U5，具體表征尺寸數(shù)值見表2。

表2 埋藏缺陷表征尺寸

3.2 總應(yīng)力當(dāng)量

總當(dāng)量拉伸應(yīng)力

σΣ=σΣ1+σΣ2+σΣ3，

(4)

式中，σΣ1—一次薄膜應(yīng)力引起的當(dāng)量拉伸應(yīng)力；σΣ2—面外彎曲應(yīng)力引起的當(dāng)量拉伸應(yīng)力； σΣ3—焊接殘余應(yīng)力引起的當(dāng)量拉伸應(yīng)力。分別表示為：

σΣ1=Ktpm

(5)

σΣ2=Xbpb

(6)

σΣ3=XrQ

(7)

式中，Kt—焊接形狀引起的應(yīng)力集中系數(shù)；pm—一次薄膜應(yīng)力，MPa；Xb—彎曲應(yīng)力折合系數(shù)；pb—彎曲應(yīng)力，MPa；Xr—焊接殘余應(yīng)力折合系數(shù)； Q—缺陷部位熱應(yīng)力的最大值和焊接殘余應(yīng)力的最大值的代數(shù)和，MPa。

在Kt近似取為1；薄膜應(yīng)力pm=PD/2t=277.16 MPa，其中P取最大工作壓力6 MPa；由于壓力管道屬于薄壁管，彎曲應(yīng)力pb很小，這里就不考慮彎曲應(yīng)力的影響；管道焊縫上的焊接殘余應(yīng)力在壁厚方向上相差不大，基本認(rèn)為是均勻分布，取Xr=1.3[5]；Q通常取管線鋼母材或焊縫二者之間室溫下較低的屈服強(qiáng)度值。3.3 斷裂比Kr與載荷比Lr

3.3.1 斷裂比Kr的計(jì)算方法

Kr=KI/Kmat

(8)

式中，KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子，Kmat為斷裂韌性。

(9)

其中：Yσ=MfwMmσmax；M為膨脹修正因子，無量綱；fw為有限寬度修正因子，無量綱；Mm為應(yīng)力強(qiáng)度放大因子，無量綱；σmax為拉伸強(qiáng)度，MPa。參數(shù)的具體計(jì)算方法如下：

M=1

(10)

Mm={M1+M2(2a/B)2+M3(2a/B)4}gfθ/Φ

(11)

式中：

M1=1, for 0≤a/2c≤0.5

M1=(c/a)0.5,or 0.5

(12)

M2=0.05/[0.11+(a/c)1.5]

(13)

M3=0.29/[0.23+(a/c)1.5]

(14)

(15)

fθ=[(a/c)2cos2θ+sin2θ]0.25for 0≤a/2c≤0.5

fθ=[(c/a)2sin2θ+cos2θ]0.25for 0.5< a2c≤1.0

(16)

Φ=[1+1.464(a/c)1.65]0.5for 0≤a/2c≤0.5

Φ=[1+1.464(c/a)1.65]0.5for 0.5< a/2c≤1.0

(17)

其中：M1為第一個(gè)修正系數(shù)，M2為第二個(gè)修正系數(shù)，M3為第三個(gè)修正系數(shù)；Φ為第二類完整橢圓積分。

(18)其中，Cv為試樣夏比沖擊功，由實(shí)驗(yàn)[6]測(cè)出Cv=349.14 J。

運(yùn)用公式(8)～(18)計(jì)算得出相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 環(huán)焊縫處各種缺陷的斷裂比及相關(guān)參數(shù)

3.3.2 載荷比Lr的計(jì)算方法

Lr=σref/σY

(19)

其中，σref為參考應(yīng)力，σY為屈服強(qiáng)度；

σref=

(20)

α″=(2a/B)/[1+(B/C)] for W≥2(c+B)

α″=(4a/B)(c/W) for W<2(c+B)

(21)

由公式(19)～(21)計(jì)算可得載荷比及相關(guān)參數(shù)，具體數(shù)值見表4。

表4 環(huán)焊縫處各種缺陷的載荷比及相關(guān)參數(shù)

3.4 評(píng)定結(jié)果

將計(jì)算所得到的Kr值和Lr值所組成的評(píng)定點(diǎn)(Lr，Kr)繪制在2B級(jí)的FAD 評(píng)定圖中，如圖4所示，5個(gè)評(píng)定點(diǎn)均位于安全區(qū)域內(nèi)，可見在最大工作壓力6 MPa工作時(shí)，缺陷仍十分安全。

圖4 2B級(jí)評(píng)定FAD結(jié)果圖

4 埋藏缺陷的表面應(yīng)變表征

為了進(jìn)一步研究埋藏缺陷的安全性，分析埋藏缺陷的外部應(yīng)變表征，在檢出缺陷對(duì)應(yīng)管道的外表面處貼應(yīng)變花。具體做法如下：分別在缺陷長(zhǎng)軸兩端對(duì)應(yīng)的管道外壁貼一個(gè)應(yīng)變花，采集管道內(nèi)壓為6 MPa時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)(表5)。由于環(huán)向應(yīng)力遠(yuǎn)大于軸向應(yīng)力，表5僅列出缺陷外部“兩端”的環(huán)向應(yīng)力，即“環(huán)向應(yīng)力1”和“環(huán)向應(yīng)力2”。表5中，缺陷深度h表示缺陷中心到管道外表面的距離。管樣壁厚8.8 mm。

表5 缺陷對(duì)應(yīng)外管壁處的應(yīng)力數(shù)據(jù)

由表5可知不同尺寸缺陷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力數(shù)據(jù)是有差異的，說明用外表面應(yīng)變表征埋藏缺陷的應(yīng)力狀況具有可行性。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，U3缺陷外部“兩端”的環(huán)向應(yīng)力測(cè)試值并不相近，一端應(yīng)力為359.48 MPa，另一端則為299.30 MPa，這是由缺陷本身幾何形狀復(fù)雜，缺陷類型的差異等原因?qū)е碌?。因此，采用缺陷外部“兩端”的環(huán)向應(yīng)力表征缺陷承載能力時(shí)，應(yīng)取兩者中的較大值。比較U3、U4缺陷，兩者的埋藏深度相同，U4缺陷的長(zhǎng)度32 mm是U3缺陷長(zhǎng)度14 mm的兩倍以上，但U3缺陷的高度3.6 mm略高于U4缺陷的高度3.5 mm，U3缺陷的最大環(huán)向應(yīng)力359.48 MPa卻略高于U4缺陷的335.12 MPa，說明缺陷自身的高度對(duì)其外表面的應(yīng)力影響最大。通常缺陷距外表面越近，承壓時(shí)外表面的應(yīng)力越大，但比較U3、U5缺陷可知，U5缺陷頂面距外表面4.8 mm，比U3缺陷的5 mm略近，U5的缺陷長(zhǎng)度23 mm則明顯大于U3的14 mm，但U5的最大應(yīng)力272.13 MPa則遠(yuǎn)小于U3的359.48 MPa，這也是由于U3缺陷的自身高度3.6 mm大于U5的3.2 mm的緣故，這再次印證了缺陷自身高度是影響其外表面應(yīng)力的關(guān)鍵幾何因素。

從表2和表5中的數(shù)據(jù)還可以看出，U3缺陷底面距內(nèi)表面的距離僅為0.2 mm，缺陷頂面距外表面的距離為5 mm。在6 MPa作用下，缺陷對(duì)應(yīng)外表面最大的環(huán)向應(yīng)力達(dá)到359.48 MPa，由于缺陷內(nèi)緣的應(yīng)力梯度通常較大，可推斷缺陷周圍及內(nèi)表面已經(jīng)屈服，可見BS 7910評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的普遍適用性，以及對(duì)缺陷類型的差異評(píng)價(jià)還有待深入研究。

5 結(jié) 論

(1) 采用BS 7910:2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)X70管線鋼中的5處埋藏裂紋缺陷進(jìn)行二級(jí)安全評(píng)定，缺陷均在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，滿足“合于使用”要求，管線可以正常運(yùn)行。

(2) 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，埋藏缺陷的外部應(yīng)變具有表征缺陷承載能力的可能性。

(3) 缺陷自身高度是影響其外表面應(yīng)力水平的關(guān)鍵幾何因素，可推斷出它也是影響缺陷應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)鍵因素。

[1] 王澤恒,吳在盛,趙偉,等.壓力管道失效評(píng)定規(guī)范及安全評(píng)定概況研究[J].焊管,2013,36(5):19-23.

[2] PD 6493-1980,Guidance on some methods for the derivation of acceptability levels for defects in fusion welding joints[S].

[3] BS 7910-2005,Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S].

[4] 張新斌,蔣曉東,施哲雄.基于BS 7910的含焊接缺陷管道的評(píng)定方法[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,13(2):37-41.

[5] 王澤恒,馬國(guó)光,王艷華,等.基于BS 7910標(biāo)準(zhǔn)含埋藏裂紋缺陷X80 長(zhǎng)輸管線的二級(jí)安全評(píng)定[J].焊管,2013,36(4):61-65.

[6] 周瑰云.太鋼X70高級(jí)別管線鋼的開發(fā)[J].鑄造設(shè)備與工藝,2009,12(6):22-24.

[7] 王炳英,霍立興,張玉鳳,等.基于BS 7910含缺陷X80鋼焊接管道的安全評(píng)定[J].機(jī)械強(qiáng)度,2012,34(4):621-624.

[8] 王澤恒,劉峰,王艷華,等.含埋藏裂紋缺陷X80 長(zhǎng)輸管線的安全評(píng)定[J].焊管,2012,35(1):25-28.

[9] 張世濤.X80管線鋼管環(huán)焊縫二級(jí)安全評(píng)定研究[J].焊管,2011,34(3):24-28.

Safety Assessment for Girth Weld of X70 Pipeline with Embedded Crack Based on BS7910 Standard

LIMing1,2,CHENGZhiqiang1,2,WANGCheng3,LIUBaosheng1,2

(1.School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.Applied Mechanics and Structure Safety Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610031, China;3.Tarim Oil-gas Transmitting Branch, Western Pipeline, CNPC, Tarim 841000,China)

For the sake of construction cost-saving, high grade steels are generally used in long-distance transportation pipeline. For the girth weld with embedded defects in a pipe segment cut in in-situ after the operation of 9 years, 5 defects are inspected by ultrasonic phased array testing. Based on the principle of conformity for use, the defects are assessed by BS 7910:2005 standard of 2B level. Evaluation results show that 5 crack defects are within the allowable range, pipeline can run safely. At the same time, to investigate the surface features of load capability of embedded defects, strain rosettes are placed on the outside surface of defects. The strain test results show that, the method can reveal the relation between defect sizes and its load capability.

X70 pipeline; girth weld; embedded defects; BS 7910; ultrasonic phased array testing; strain test

2016-03-31

李 明(1990-),男,湖北孝感人,博士生,主要從事結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方面的研究，(E-mail)mingl20160101@hotmail.com; 成志強(qiáng)(1969-),男,四川成都人,教授,博士,主要從事結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方面的研究,(E-mail)zqcheng@netease.com

1673-1549(2016)06-0039-05

10.11863/j.suse.2016.06.08

TE8

A