林 橋 張卓凡 肖超波 陳 成 徐加初

（1.廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院；2.暨南大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院）

油氣運(yùn)輸管道和燃?xì)膺\(yùn)輸管道是維系現(xiàn)代城市與區(qū)域經(jīng)濟(jì)、 社會(huì)功能的基礎(chǔ)性工程設(shè)施，保障壓力管道的安全運(yùn)營(yíng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定與發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。 壓力管道尤其是油氣運(yùn)輸管道一般都是埋在地下的，在外力或者土壤等因素作用下管體會(huì)發(fā)生譬如凹坑、機(jī)械損傷及腐蝕等缺陷，降低管道材料的力學(xué)性能，如果不能及時(shí)檢測(cè)和處理，將會(huì)產(chǎn)生極大的安全隱患［1］。我國(guó)針對(duì)壓力管道上各種類(lèi)型的缺陷制定了若干相應(yīng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，但由于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定依據(jù)不同，所需的評(píng)定參數(shù)不同，且評(píng)定時(shí)過(guò)程繁復(fù)、計(jì)算量大給工程人員的評(píng)定帶來(lái)諸多困難。 同時(shí)， 長(zhǎng)距離運(yùn)輸管線缺陷類(lèi)型和缺陷數(shù)量眾多，使得評(píng)定工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

筆者整合《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）、《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6996—2014）、《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6151—2009）、《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》（GB/T 19624—2019）中的附錄G、H、I 等諸多評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［2～5］，基于Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出一款可視化的壓力管道安全評(píng)定系統(tǒng)，可對(duì)多個(gè)同類(lèi)型缺陷或批量缺陷進(jìn)行同時(shí)評(píng)定，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供一種高效快捷的評(píng)定工具。

1 評(píng)定系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言Python，它是一種廣泛使用的高級(jí)語(yǔ)言，具有可讀性強(qiáng)、開(kāi)源性強(qiáng)和可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)， 它也是一種腳本語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)代碼的效率非常高，在語(yǔ)法表達(dá)和GUI應(yīng)用上有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［6］。 利用其成熟的庫(kù)PYQT5 作為可視化開(kāi)發(fā)的主要輔助工具。系統(tǒng)可以運(yùn)行在Windows7 及以上版本的系統(tǒng)中， 界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，并且預(yù)留了接口，方便后續(xù)的版本更新。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)綜合了國(guó)內(nèi)關(guān)于工業(yè)管道的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，按照缺陷類(lèi)型分類(lèi)，整理出5 個(gè)最適用的評(píng)定模塊， 分別為凹坑缺陷/帶凹坑復(fù)合缺陷評(píng)定模塊、腐蝕缺陷/金屬減薄缺陷評(píng)定模塊、點(diǎn)蝕缺陷評(píng)定模塊、錯(cuò)邊斜接缺陷評(píng)定模塊和焊縫上缺陷評(píng)定模塊。 每個(gè)評(píng)定模塊界面分為4 部分：適用條件說(shuō)明、材料結(jié)構(gòu)參數(shù)、缺陷參數(shù)和評(píng)定結(jié)果顯示。主要操作放在缺陷參數(shù)輸入界面中，包括返回主界面、導(dǎo)入數(shù)據(jù)和運(yùn)算功能。 使用時(shí)依據(jù)適用條件選擇合適的評(píng)定方法，依次輸入材料結(jié)構(gòu)參數(shù)和缺陷參數(shù)，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可進(jìn)行評(píng)定。 其中材料結(jié)構(gòu)參數(shù)為單個(gè)數(shù)據(jù)輸入框，即評(píng)定對(duì)象應(yīng)為同一管線上的缺陷；缺陷參數(shù)可進(jìn)行多個(gè)缺陷數(shù)據(jù)的輸入，或者以Excel 數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)缺陷或批量缺陷同時(shí)評(píng)價(jià)的功能。 對(duì)于判定為不安全的缺陷，系統(tǒng)會(huì)以紅色字體顯示起到提示用戶的作用，并給出原因。 為了保持系統(tǒng)界面的簡(jiǎn)潔性，將材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)、相關(guān)缺陷規(guī)則化流程、材料屬性取值估算及依據(jù)等輔助知識(shí)庫(kù)模塊放入word 說(shuō)明文檔中，在系統(tǒng)主界面中可以點(diǎn)擊幫助進(jìn)入幫助文檔，輔助用戶查詢相關(guān)參數(shù)和準(zhǔn)則。 系統(tǒng)的總體框架如圖1 所示，評(píng)定系統(tǒng)的主界面如圖2 所示，限于篇幅，沒(méi)有給出各模塊的輸入界面。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2 評(píng)定系統(tǒng)主界面框圖

2 主要功能模塊的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 凹坑缺陷/帶凹坑復(fù)合缺陷評(píng)定模塊

此模塊適用于大部分凹坑缺陷和部分帶凹坑的復(fù)合缺陷，可以選擇《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）和《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6996—2014）。 前者是依據(jù)基于深度的評(píng)定準(zhǔn)則和基于應(yīng)變的評(píng)定準(zhǔn)則，該評(píng)定方法由于評(píng)定所需參數(shù)較少，測(cè)量步驟簡(jiǎn)單，對(duì)于一些安全程度一般或者修復(fù)較為容易的管道推薦使用該評(píng)定準(zhǔn)則［7］。 后者給出了單純平滑凹陷和凹坑與溝槽復(fù)合缺陷的評(píng)定方法，相對(duì)前者所需參數(shù)較多， 前期測(cè)量工作較復(fù)雜，但給出的評(píng)定結(jié)果更精準(zhǔn)，提供了降壓運(yùn)行的判別條件并能計(jì)算出降壓運(yùn)行壓力的具體數(shù)值，適合安全級(jí)別較高的管道評(píng)定。

系統(tǒng)在凹坑缺陷評(píng)定模塊中，給出了3 種類(lèi)別的評(píng)定方法，用戶可以根據(jù)檢測(cè)技術(shù)能力和實(shí)際需求選擇不同的評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，并可進(jìn)行多個(gè)評(píng)定方法的對(duì)比分析。

2.2 腐蝕缺陷/金屬減薄缺陷評(píng)定模塊

腐蝕缺陷是埋地管道最常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型［8］，對(duì)于該類(lèi)缺陷的處理一般采用打磨后再測(cè)量的方法，因此對(duì)于該類(lèi)缺陷可以視作局部減薄體積型缺陷來(lái)處理，系統(tǒng)依據(jù)《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6151—2009）和《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）中含體積型缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)定構(gòu)建了評(píng)定腐蝕缺陷、金屬損失及制造缺陷等體積型缺陷的完整評(píng)定流程。 前者將腐蝕缺陷分為橫向腐蝕缺陷和縱向腐蝕缺陷，采用管體腐蝕損傷尺寸評(píng)定法和最大安全工作壓力評(píng)定法相互結(jié)合，該方法流程清晰，所需測(cè)量參數(shù)較少。 后者將主要評(píng)定的體積型缺陷分為均勻腐蝕缺陷和局部金屬損失缺陷，系統(tǒng)將這部分分成均勻腐蝕缺陷評(píng)定模塊和局部金屬損失缺陷兩個(gè)評(píng)定模塊，均勻腐蝕缺陷評(píng)定中，有點(diǎn)測(cè)厚法（RTP）和危險(xiǎn)截面法（CTP）兩種方法，系統(tǒng)嚴(yán)格按照選取條件將兩種方法內(nèi)置，用戶只需要輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇合適的方法進(jìn)行一級(jí)或二級(jí)評(píng)定。 局部金屬損失缺陷評(píng)定中，二級(jí)評(píng)定需要將截面分為多個(gè)并分別計(jì)算材料截面剩余強(qiáng)度因子（RSF），檢測(cè)任務(wù)加大， 因此系統(tǒng)將一級(jí)評(píng)定與二級(jí)評(píng)定分開(kāi)，對(duì)于安全級(jí)別較高的管道可采用二級(jí)評(píng)定進(jìn)行評(píng)估。

2.3 點(diǎn)蝕缺陷評(píng)定模塊

點(diǎn)蝕缺陷是管道彌散損傷缺陷的一種，是腐蝕缺陷的初級(jí)階段，由于現(xiàn)有的技術(shù)可以對(duì)點(diǎn)蝕進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)［9］，因此系統(tǒng)單獨(dú)開(kāi)設(shè)點(diǎn)蝕缺陷評(píng)定模塊，對(duì)該類(lèi)缺陷的評(píng)定采用的是《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）中的含彌散損傷型缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)定方法，借用了體積型缺陷的評(píng)價(jià)方法，將管道彌散損傷缺陷視作孔洞型均勻損傷，基于損傷力學(xué)，通過(guò)研究缺陷損傷隨時(shí)間演化規(guī)律、損傷沿壁厚方向分布規(guī)律和損傷材料宏觀力學(xué)性能退化規(guī)律，建立的極限承壓能力工程評(píng)定方法。

2.4 錯(cuò)邊斜接缺陷評(píng)定模塊

此模塊包含錯(cuò)邊缺陷評(píng)定和斜接缺陷評(píng)定。錯(cuò)邊缺陷是指管道在焊接或安裝過(guò)程中由于工程問(wèn)題造成的環(huán)焊縫錯(cuò)邊缺陷，分為等直徑錯(cuò)邊和不等直徑錯(cuò)邊。 斜接缺陷是指鋼管對(duì)接焊縫產(chǎn)生斜接而引起的缺陷。 對(duì)這兩類(lèi)缺陷的評(píng)定采用的是《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）中含錯(cuò)邊和斜接缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)定方法，僅考慮管道所受載荷不會(huì)進(jìn)一步引起錯(cuò)邊變形的情況。

此模塊分為錯(cuò)邊缺陷和斜接缺陷兩部分，用戶可以按照評(píng)定規(guī)則分別進(jìn)行評(píng)定。 兩類(lèi)缺陷評(píng)定均不考慮附加應(yīng)力的影響，對(duì)于有較大附加載荷的缺陷不適用。

2.5 焊縫上缺陷評(píng)定模塊

焊縫缺陷是對(duì)焊縫及與焊接有關(guān)的缺陷的總稱，在系統(tǒng)中主要包括未熔合、未焊透等平面缺陷和氣孔、 夾渣及特定未焊透缺陷等體積缺陷。

對(duì)于非焊縫缺陷，如裂紋和局部減薄也可以用此模塊進(jìn)行評(píng)定，由于本系統(tǒng)對(duì)于裂紋默認(rèn)為打磨成局部減薄評(píng)定或直接修復(fù)處理，并沒(méi)有針對(duì)裂紋等缺陷設(shè)置相應(yīng)的安全評(píng)定，因此僅能進(jìn)行直管段平面缺陷中的安全評(píng)定中的裂紋計(jì)算。此模塊適用于在內(nèi)壓或內(nèi)壓與彎矩組合載荷下的彎頭、三通、直管上體積缺陷和平面缺陷的安全評(píng)定。

3 工程實(shí)例

3.1 工作實(shí)例與結(jié)構(gòu)參數(shù)

均勻腐蝕是導(dǎo)致金屬管道失效的主要原因之一，因此以工程中的均勻腐蝕為例進(jìn)行計(jì)算［10］。

某油氣運(yùn)輸管道檢測(cè)出一個(gè)腐蝕缺陷，因腐蝕區(qū)域相對(duì)均勻，將腐蝕區(qū)域打磨后測(cè)得變異系數(shù)COV 為2%，按均勻腐蝕缺陷評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，其材料結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

管材 20#

工作壓力 2.6 MPa

工作溫度 15 ℃

外徑 720 mm

內(nèi)徑 700 mm

彈性模量 206 GPa

泊松比 0.3

屈服強(qiáng)度 345 MPa

缺陷參數(shù)如下：

管材 20#

寬度 90 mm

軸向長(zhǎng)度 100 mm

深度 6 mm

變異系數(shù) 2%

缺陷位置 直管段

3.2 系統(tǒng)評(píng)定結(jié)果

打開(kāi)評(píng)定系統(tǒng)，通過(guò)主界面進(jìn)入腐蝕缺陷/金屬減薄缺陷評(píng)定模塊，進(jìn)入模塊后選擇“局部減薄評(píng)定”，進(jìn)入“均勻腐蝕減薄”子模塊中，依次輸入材料結(jié)構(gòu)參數(shù)和缺陷參數(shù)，其中管道設(shè)計(jì)系數(shù)F 取0.8，未來(lái)腐蝕裕量FCA 取2 mm，均勻減薄厚度LOSS 取2 mm， 由于腐蝕區(qū)域經(jīng)打磨處理，表面較光滑，缺陷參數(shù)中厚度均可取4 mm。 點(diǎn)擊“運(yùn)行”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選取合適的評(píng)定方法，將結(jié)果顯示到“評(píng)定結(jié)果”一欄中。 最終評(píng)定結(jié)果為點(diǎn)測(cè)厚法運(yùn)算，且管道不安全，需要降壓處理，最大允許工作壓力為1.7 MPa， 缺陷參數(shù)輸入界面如圖3 所示，評(píng)定結(jié)果如圖4 所示。

圖3 均勻腐蝕評(píng)定缺陷參數(shù)輸入

圖4 均勻腐蝕評(píng)定結(jié)果

3.3 ANSYS 仿真驗(yàn)算

為了驗(yàn)證評(píng)定系統(tǒng)的可靠性， 采用ANSYS對(duì)3.2 節(jié)中的含均勻腐蝕減薄的缺陷管道進(jìn)行有限元計(jì)算。 利用ANSYS workbench 平臺(tái)建立管道模型，為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，管長(zhǎng)取外徑的3 倍［11］，即2 160 mm，將管道缺陷規(guī)則化為均勻壁厚缺失的模型，減薄厚度為6 mm，坑底為圓柱面。 由于模型尺寸和載荷具有對(duì)稱性，取局部管道和缺陷區(qū)域的1/2 建立理想化模型， 為了避免應(yīng)力集中的影響，將缺陷周?chē)饨翘幵O(shè)置為3 mm 的倒角［12］。 在兩端部的薄壁上設(shè)置軸向位移約束，對(duì)稱面上設(shè)置對(duì)稱約束，并依據(jù)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，在管道內(nèi)表面施加1.7 MPa 的內(nèi)壓，模型如圖5 所示，網(wǎng)格劃分如圖6 所示。

圖5 含均勻腐蝕缺陷管道模型

圖6 網(wǎng)格劃分

腐蝕管道的失效可由腐蝕區(qū)域von-Mises等效應(yīng)力來(lái)確定，即采取塑形局部失效的失效模式［13］，認(rèn)為當(dāng)腐蝕區(qū)域的等效應(yīng)力σ 超過(guò)管道的屈服強(qiáng)度時(shí)，即為失效。 依據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果（圖7）可知，含缺陷壓力管道在評(píng)定結(jié)果的要求內(nèi)壓下， 最大等效應(yīng)力發(fā)生在減薄區(qū)域的倒角處，數(shù)值為314.16 MPa，安全裕度為8.9%，與系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果基本符合。

圖7 ANSYS 計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論與展望

4.1 系統(tǒng)基于《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）、《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6996—2014）、《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6151—2009）、《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》（GB/T 19624—2019）中的附錄G、H、I 等諸多評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中壓力管道的評(píng)定方法綜合而成。 可以為工程技術(shù)人員提供多種評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)以供選擇，工程人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程條件和可以獲取的測(cè)量參數(shù)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定。

4.2 使用系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)，可以免去瑣碎復(fù)雜的計(jì)算環(huán)節(jié)，界面友好簡(jiǎn)潔，能夠方便、快捷、精準(zhǔn)地幫用戶實(shí)現(xiàn)含缺陷壓力管道的安全評(píng)定，計(jì)算結(jié)果安全可靠并保有一定的安全充裕度，極大地縮短了評(píng)定時(shí)間，提高了工作效率。

4.3 系統(tǒng)對(duì)于含缺陷壓力管道僅考慮內(nèi)壓為主要載荷的情況， 并未考慮有較大附加應(yīng)力的情況， 并且對(duì)于裂紋缺陷沒(méi)有確定的評(píng)定方式，僅做打磨處理，未來(lái)可以加入裂紋缺陷的評(píng)定方法并與ANSYS 等仿真系統(tǒng)結(jié)合獲取管道缺陷處應(yīng)力數(shù)據(jù)輔助計(jì)算。