陶海成，李艷麗

(中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300457)

某天然氣長(zhǎng)輸管道投產(chǎn)運(yùn)行五年后進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)管道存在多處橢圓變形缺陷。目前對(duì)于管道殼體變形的評(píng)價(jià)主要采取基于變形量和基于應(yīng)變的判斷方法，基于變形量的判斷方法簡(jiǎn)單直觀，因此傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法仍將其作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，但隨著研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不斷深入，發(fā)現(xiàn)基于變形量的評(píng)價(jià)方法并不能準(zhǔn)確反映管道的實(shí)際工作狀態(tài)，因此基于應(yīng)變的評(píng)價(jià)方法至關(guān)重要。

1 管道橢圓度

管道的橢圓度是管道的一個(gè)重要性能指標(biāo)參數(shù)，指的是管道在煨彎加工的過程中發(fā)生彎曲變形，在彎曲的圓弧外側(cè)對(duì)應(yīng)的管壁會(huì)變薄，圓弧內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)的管壁會(huì)起褶皺，降低管道承受內(nèi)壓力的能力，同時(shí)，管道彎曲后截面形狀會(huì)發(fā)生由圓形到橢圓形的變化，管道的截面面積也會(huì)有所減小，增大對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)的阻力，從而影響管道在實(shí)際應(yīng)用中的功能和效果[1]。管道彎曲時(shí)的橢圓度如圖1所示。

管道橢圓度應(yīng)按下式進(jìn)行計(jì)算。

式中，B為管道的橢圓度；Dmax為彎管橫截面上的最大外徑；Dmin為彎管橫截面上的最小外徑；D為彎管名義外徑。

圖1 管道彎曲時(shí)的橢圓度示意圖

2 管道內(nèi)檢測(cè)橢圓變形情況

某天然氣長(zhǎng)輸管道在內(nèi)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)部分管段存在橢圓變形缺陷，缺陷長(zhǎng)度、寬度及橢圓度如表1所示，均位于管道熱煨彎頭處，且變形位置不存在其他缺陷。管道外徑406.4mm，壁厚9.5mm，設(shè)計(jì)壓力4.0MPa，鋼級(jí)X42M。

表1 內(nèi)檢測(cè)管道橢圓變形缺陷

3 含橢圓變形缺陷管道適用性評(píng)價(jià)

API 579提供了幾何形狀不規(guī)則的受壓構(gòu)件的服役適應(yīng)性評(píng)價(jià)程序，適用的幾何形狀不規(guī)則包括焊接未對(duì)正和殼體變形(包括不圓度、凸起和凹陷)，該程序可以用來評(píng)價(jià)由平板制成的構(gòu)件中涉及焊接未對(duì)正和殼體變形的幾何形狀不規(guī)則，這些幾何形狀包括：圓筒形、圓錐形和球形殼體以及成形封頭，這些類型的缺陷將被看作是幾何形狀不規(guī)則[2]。一般來說，如果構(gòu)件的現(xiàn)有幾何形狀滿足初始的制造公差，則一般不要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1級(jí)評(píng)價(jià)程序建立在原始結(jié)構(gòu)規(guī)范準(zhǔn)則的基礎(chǔ)之上。但是在某些情況下，這些準(zhǔn)則不完全由原始結(jié)構(gòu)規(guī)范所定義，因而需要依據(jù)用戶的原始設(shè)計(jì)說明書。此外，1級(jí)評(píng)價(jià)程序也不能用于周期性工作的構(gòu)件。

只有當(dāng)下列條件都得到滿足的情況下才可以使用API 579中的2級(jí)評(píng)價(jià)程序：(1)幾何形狀的不規(guī)則是由于焊接未對(duì)正、殼體失圓(整體的或任意的)、凸起、或凹陷造成的。

(2)構(gòu)件是按照公認(rèn)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制造的。

(3)構(gòu)件不在蠕變范圍內(nèi)工作。

(4)構(gòu)件幾何形狀是下述之一：平板、壓力容器的圓筒和圓錐殼體段、球形壓力容器和儲(chǔ)罐、球形、橢圓形、準(zhǔn)球形的成形封頭、管線系統(tǒng)的直線段、不帶附加結(jié)構(gòu)物的彎頭和彎管、受大氣壓力的儲(chǔ)罐的板層。

(5)作用的載荷只限于壓力和/或附加載荷，這些載荷在構(gòu)件中造成應(yīng)力的薄膜狀態(tài)，但不包括焊接未對(duì)正和/或板殼變形的影響(也就是說，構(gòu)件中的透壁方向的彎曲應(yīng)力是焊接未對(duì)正和板殼變形的結(jié)果)。評(píng)價(jià)程序可以用來評(píng)價(jià)內(nèi)壓和外壓引起的應(yīng)力，但是只對(duì)圓筒形和圓錐形的殼體提供了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

(6)被評(píng)價(jià)構(gòu)件不含有局部減薄區(qū)(LTA)、溝槽形傷痕(不包括凹陷部位中的傷痕)、坑狀損傷、氣泡、以及幾何形狀不規(guī)則區(qū)域內(nèi)的裂紋狀的缺陷。

(7)被評(píng)價(jià)構(gòu)件是帶有不圓度的圓筒，不圓度在圓筒的軸線方向上沒有變化。在這一假設(shè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的分析一般會(huì)對(duì)局部部位中誘發(fā)的彎曲應(yīng)力給予保守的估計(jì)。但是如果圓筒形殼體的局部變形發(fā)生在縱向，將會(huì)形成很大的局部彎曲應(yīng)力，2級(jí)評(píng)價(jià)程序可以得出非保守的結(jié)果。

本次管道內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的橢圓變形滿足上述條件，可以采用API 579對(duì)于殼體變形的評(píng)價(jià)程序?qū)Ρ竟艿纼?nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的橢圓變形進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 1級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，熱煨彎管的兩端部100mm長(zhǎng)直管段范圍內(nèi)的橢圓度不應(yīng)大于連接管橢圓度的規(guī)定值，其他部位的橢圓度不應(yīng)大于2.5%[3]。

根據(jù)SY/T 5257-2012《油氣輸送用感應(yīng)加熱彎管》規(guī)定，彎管直段距管端100mm范圍內(nèi)橢圓度應(yīng)不大于母管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值；彎管弧任意處橢圓度應(yīng)不大于2.5%[4]。

本次管道內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的橢圓變形均位于熱煨彎頭處，且距管端距離大于100mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求橢圓度應(yīng)不大于2.5%，因此均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)行2級(jí)評(píng)價(jià)。

3.2 2級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)API 579對(duì)橢圓變形缺陷進(jìn)行2級(jí)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)步驟如下：

(1)求出薄膜應(yīng)力

式中，σm為薄膜應(yīng)力；P為設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，本管道設(shè)計(jì)壓力為4.0MPa；E為原始設(shè)計(jì)規(guī)范中的焊縫系數(shù)，取1.0；Rc為考慮腐蝕后的管道內(nèi)徑；tc為考慮腐蝕后的管道壁厚。

(2)求出在圓周相應(yīng)位置上誘發(fā)圓周彎曲應(yīng)力和圓周膜應(yīng)力的比值彎頭的整體不圓：

式中，θ為用來確定將要計(jì)算應(yīng)力的點(diǎn)所處位置的角度；Lf為洛倫茲因子，即彎管段應(yīng)力與直管段應(yīng)力之比，若缺陷不在彎管的中部范圍內(nèi)，Lf=1.0；R為管道內(nèi)半徑；Ey為楊氏模量。

(1)計(jì)算剩余強(qiáng)度系數(shù)

式中，Hf為因子，取決于誘發(fā)形狀偏差的應(yīng)力是主應(yīng)力還是二次應(yīng)力，如果是主應(yīng)力，則Hf=1.5，如果是二次應(yīng)力，則Hf=3.0(在多數(shù)情況下，誘發(fā)形狀偏差的應(yīng)力是二次應(yīng)力)；Sa為規(guī)范規(guī)定的許用應(yīng)力；Rb為由壓力引起的構(gòu)件中附加應(yīng)力與施加的薄膜應(yīng)力之比；σms為附加荷載引起的薄膜應(yīng)力；Rbs為由附加載荷引起的構(gòu)件中附加應(yīng)力與施加的薄膜應(yīng)力之比。

(3)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)

如果RSF≥RSFa(RSFa為允許的剩余強(qiáng)度系數(shù)，對(duì)處理工藝中服役的設(shè)備，許用強(qiáng)度系數(shù)RSFa的值保守取值為0.9)，則按2級(jí)評(píng)價(jià)，橢圓變形是可以接受的，如果這一準(zhǔn)則得不到滿足，需要為這一部件重新定級(jí)。由于Rb是壓力的函數(shù)，因此需要進(jìn)行迭代計(jì)算以確定MAWPr(未受損害構(gòu)件的最高許用工作壓力)，從而確定部件是否可以繼續(xù)服役。

按照以上步驟對(duì)管道橢圓變形缺陷進(jìn)行2級(jí)評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果如表2所示，可見管道橢圓變形缺陷均是可以接受的。但是經(jīng)過計(jì)算該管道最大可接受的橢圓變形為20%，因此建議對(duì)變形達(dá)到15.1%橢圓變形缺陷采用換管進(jìn)行修復(fù)，后續(xù)已對(duì)本管道此處橢圓變形缺陷進(jìn)行了開挖驗(yàn)證，并采用換管的方式進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后管道運(yùn)行狀況良好。同時(shí)考慮到當(dāng)變形量大于6%時(shí)可能影響管道通球，建議下次內(nèi)檢測(cè)時(shí)與內(nèi)檢測(cè)供應(yīng)商提前確定管道內(nèi)檢測(cè)器的通過性，避免發(fā)生卡球。

表2 管道橢圓變形缺陷評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語

本次內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的管道橢圓變形缺陷均位于管道熱煨彎頭處，形成的可能原因?yàn)楣艿乐圃旎蜻\(yùn)輸過程造成的變形、管道運(yùn)行過程中外部荷載造成的變形。對(duì)于管道橢圓變形缺陷，建議管道彎頭加工制作過程中對(duì)橢圓度進(jìn)行嚴(yán)格控制，管道運(yùn)輸時(shí)加強(qiáng)保護(hù)，避免由于自身重量和封車用鋼絲繩的外力造成管道變形，橢圓度增大，同時(shí)在管道運(yùn)行過程中加強(qiáng)管道巡護(hù)，避免重車或施工等外部載荷造成管道橢圓變形。