方學鋒，張伯君，梁 斌，雒相垚，文耀華

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，江蘇南京210019）

壓力管道焊縫易存在多種缺陷，造成接頭承載面積降低和強度下降，引起失效［1～4］。近年來，國內外對管道安全評估做了大量研究，但對高參數(shù)含缺陷蒸汽管道的分析評定較少［5～7］。因此，文中通過有限元結合標準的方法對某企業(yè)高溫含缺陷管道進行安全性評定，為管道安全提供數(shù)據(jù)支撐。

1 情況概述

對某新安裝的蒸汽管道運用射線RT 檢測技術發(fā)現(xiàn)埋地段的焊接接頭存在缺陷。管道的材質是20 鋼，基本參數(shù)見表1，設計溫度下的力學性能參數(shù)見表2。管道射線檢測結果見表3。

表1 蒸汽管道基本數(shù)據(jù)表

表2 20鋼設計溫度下性能參數(shù)

表3 管道射線檢測結果

根據(jù)GB/T 19624［8］附錄G第G4.1條規(guī)定，評定用材料斷裂韌度的下限值（JIC）下限可取1.1AKV。根據(jù)試驗，該壓力管道材料容許的最低值AKV=27 J。由于該管道使用過程中一般不存在脆化傾向，因此JIC=29.7 N/mm。依據(jù)標準［8］，

將表2 中的性能參數(shù)代入公式，可得Kc=2 050.998 N·mm，取1.2 的 安 全 系 數(shù)，即Kc=2 461.198 N·mm。

2 有限元建模

根據(jù)標準［8］，評定計算時所需軸向力與彎矩時不考慮管道缺陷的影響。因管道較長，整體建模不夠現(xiàn)實，因此選取對含有缺陷的部分管段進行建模計算。根據(jù)管道規(guī)格、缺陷位置、管道設計施工圖等，采用CAESARⅡ軟件進行有限元建模。

3 含缺陷焊接接頭軸向力與彎矩計算結果

管系應力采用設計工況進行計算，除了考慮內壓與溫度，還考慮了管道的重力與支撐約束。設計工況下，缺陷焊縫處不考慮缺陷情況下軸向力及彎矩計算結果見表4。焊縫編號MD-03 MD-40 MD-63軸向力/N 66 301 17 675 36 228彎矩/N·m

451

302

88

4 焊縫缺陷評定

4.1 MD-03焊縫缺陷評定

4.1.1 缺陷的規(guī)則化處理由表3 可知為未熔合缺陷，長度為10 mm，缺陷高度為0.6 mm。出于保守計算考慮，將未熔合缺陷規(guī)則化為內表面平面缺陷，其尺寸為l=10 mm，h=0.6 mm。由于缺陷自身高度h=0.6 mm＜0.7B，B為壁厚6 mm。因此缺陷可以表征為半軸的橢圓，即a=h=0.6 mm，計算中取安全系數(shù)1.1，因此a=0.66 mm，c=5.5 mm。

4.1.2 軸向膜應力σm及彎曲應力σB的計算評定所需的軸向膜應力σm及彎曲應力σB可按照下列公式計算：

由表4 可知，MD-03 焊縫的軸向拉力N=66 301 N，橫截面彎矩MB=451 N·m，管道中徑R為106.5 mm，Ri=100 mm，B=6 mm，因 此σm=28.25 MPa，σB=2.11 MPa。

4.1.3 起裂時的載荷比計算由缺陷無因次長度θ/π = 0.017和相對深度a/B=0.11，查標準［8］表G.1可知：LF r≈1.1。

4.1.4 U因子的計算由標準［8］附錄G.4.2.3可知，

4.1.5 許可流變應力比[]計算由缺陷尺寸θ/π和a/B查表標準［8］G.2 可知，焊縫的許可流變應力比[]= 1.254。

4.1.6 安全性評價依據(jù)標準［8］附錄G.4.3，如果公式（4）成立，則認為缺陷是安全的或可接受的。

其中載荷安全系數(shù)np=1.5。

4.2 MD-40焊縫缺陷評定

4.2.1 缺陷的無量綱處理由表3 可知，焊縫超標缺陷為圓形缺陷，其最大尺寸為Φ2mm，深度為0.5mm。出于保守考慮將其表征為內表面體積缺陷，同時考慮1.1 倍安全系數(shù)，表征尺寸為A=1.1mm，B=1.1mm，C=0.55mm。將其無量綱化為：

相對環(huán)向長度：b=B(πRi)= 0.003 5；

相對深度：c=C T= 0.135 7。

4.2.2 純內壓下塑性極限內壓

根據(jù)標準［8］附錄H，含缺陷管道在純內壓下的塑性極限內壓可以通過下式計算：

其中：PL0為無缺陷管道在純內壓下的塑性極限內壓，其計算式如下：

σ'= ΦσS；Φ 為管道焊接接頭系數(shù),根據(jù)GB/T 20801.3，保守取0.8；R0=54 mm，Ri=50 mm。經計算可得：PL0= 11.162 MPa；

pLS為無量綱的含缺陷管道在純內壓下的塑性極限內壓，其計算式如下：

4.2.3 純彎矩下的塑性極限彎矩根據(jù)標準［8］附錄

H，純彎矩下塑性極限彎矩采用下式進行計算：

式中mLS—無量綱的含缺陷管道在純彎矩下的塑性極限彎矩；ML0為無缺陷管道在純彎矩下的塑性極限彎矩，其計算公式為：

4.2.4 安全性評價根據(jù)標準［8］附錄H，H.12安全評價要求，滿足下式即認定缺陷可以接受。

將P=1.4 MPa，M=302 N·mm，PLS=10.603 MPa，MLS= 5 431 201.2 N·mm代入公式（11），計算可得:

因此認為MD-40焊縫的超標缺陷可以接受。

4.3 MD-63焊縫缺陷評定

根據(jù)表3，該焊縫存在2處超標缺陷，分別為未熔合缺陷和條形缺陷。2 處缺陷相距較遠，不存在干涉現(xiàn)象，因此對2處缺陷進行分開評定。未熔合缺陷可以規(guī)則化為內表面平面缺陷，條形缺陷可以規(guī)則化為內表面體積缺陷。

4.3.1 平面缺陷的規(guī)則化處理 由表3 可知，未熔合缺陷尺寸為l=28 mm，h=0.5 mm。由于缺陷自身高度h=0.5 mm＜0.7B，因此缺陷可以表征為半軸的橢圓，即a=h=0.5 mm，計算中取安全系數(shù)1.1，因此a=0.55 mm。缺陷的無因次長度

4.3.2 平面缺陷評定計算計算過程與4.1 計算過程一致，計算關鍵數(shù)據(jù)與結果見表5。

表5 MG-63未熔合缺陷評定關鍵參數(shù)與結果

4.3.3 提及缺陷的無量化處理出于保守估計，將條形缺陷規(guī)則化為內表面體積缺陷，缺陷長4 mm，寬3 mm，高度0.6 mm，考慮1.1倍安全系數(shù)，缺陷表征尺寸為A=1.1 mm，B=2.2 mm，C=0.66 mm。無量綱化后為：

4.3.4 提及缺陷評定計算計算過程與4.2 計算過程一致，計算關鍵數(shù)據(jù)與結果見表6。

表6 MD-63焊縫夾渣缺陷評定計算結果

5 結論

（1）在正常工況條件下，管線焊縫的超標缺陷可以接受，滿足合于使用原則，可以繼續(xù)使用。

（2）管道在使用過程中，應加強管線缺陷焊縫部位的監(jiān)控，首次定期檢驗時，應對該含缺陷焊縫進行射線檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷擴展時，應對管道缺陷焊縫進行修復。