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在役含缺陷壓力管道安全評定方法

文檔作者：種玉寶于惠君劉明亮唐文慶文檔來源：大連市鍋爐壓力容器檢驗研究所		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月16日
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第39卷第6期
2010年l1月
石油化工設(shè)備
PETRO—CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．39 No．6
NOV．2O1O
文章編號：1000—7466(2010)06—0020—03
在役含缺陷壓力管道安全評定方法
種玉寶，于惠君，劉明亮，唐文慶
(大連市鍋爐壓力容器檢驗研究所，遼寧大連116012)
摘要：簡要評述了國內(nèi)外幾種典型的含缺陷壓力管道安全評定的方法，并以含超標(biāo)缺陷壓力管道
為例，重點講述了我國對在役含缺陷壓力管道進行安全評定的方法和過程。
關(guān)鍵詞：壓力管道；缺陷；安全評定；方法
中圖分類號：TQ 055．8 文獻標(biāo)志碼：B
Safety Assessment M ethods for In—service Pressure Piping Containing Defects
CHONG Yu—bao，YU Hui-j un，LIU Ming-liang，TANG Wen-qing
(Dalian Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute，Dalian 116012，China)
Abstract：The safety assessment several representative methods for pressure piping with defects
are summarized and appraised briefly．Take pressure piping containing over—proof defects for ex—
ample，the safety assessment method and process for in—service pressure piping containing defects
in China are narrated mainly．
Key words：pressure piping；defect；safety assessment；method
壓力管道是生產(chǎn)、生活中廣泛使用的可能引起
燃爆或中毒等事故、危險性較大的特種設(shè)備之一。
由于種種原因，我國相當(dāng)數(shù)量的管道存在著各種各
樣的缺陷，需要進行安全評定的超標(biāo)缺陷數(shù)量眾多。
而結(jié)構(gòu)中的缺陷并不都會影響結(jié)構(gòu)的使用，不加區(qū)
分地對其進行修復(fù)，不僅會增加成本，而且有時不恰
當(dāng)?shù)男迯?fù)反而會進一步損害材質(zhì)，使材質(zhì)性能下降
乃至產(chǎn)生新的缺陷。因此，對在役管道進行檢驗方
法的研究以及對產(chǎn)生缺陷的管道結(jié)構(gòu)進行安全評定
具有重要意義口州]。在檢驗與安全評定相結(jié)合的情
況下，不但可以保障管道安全，而且可以避免大量含
缺陷管道不必要的更換和返修。
1 常用壓力管道缺陷評定規(guī)范介紹
近年來，國際上廣泛地將缺陷評定及安全評定
稱之為完整性評定或合乎使用評定，它不僅包括超
標(biāo)缺陷的安全評估，還包括環(huán)境(介質(zhì)與溫度)的影
響和材料退化的安全評估。按合乎使用原則建立的
結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)及其相應(yīng)的工程安全評定規(guī)程(或
方法)越來越成熟，已在國際上形成了一個分支學(xué)
科，在廣度和縱深兩方面均取得了重大發(fā)展。在廣
度方面，新增了高溫評定、各種腐蝕評定、塑性評定、
材料退化評定、概率評定和風(fēng)險評估等內(nèi)容；在縱深
方面，彈塑性斷裂、疲勞、沖擊動載和止裂評定、極限
載荷分析、微觀斷裂分析以及無損檢測技術(shù)等均取
得了很大的進展。
1．1 以斷裂力學(xué)J積分為判據(jù)的評定方法
對于含缺陷結(jié)構(gòu)，通常采用斷裂力學(xué)方法進行
失效分析。根據(jù)J積分斷裂參量而產(chǎn)生的計算方
法，在理論上和試驗研究中都被廣泛應(yīng)用。采用．廠
積分的評定方法不僅可評判管道所含裂紋的啟裂，
而且還可以進行裂紋擴展的計算。通過含缺陷管道
在載荷作用下產(chǎn)生的斷裂推動力-，積分與管道材
料抗斷裂阻力( 阻力啦線)的比較，可以判斷裂紋
收稿日期：2010-06-02
基金項目：遼寧省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目— — 在用壓力管道檢驗與安全分析研究(20076014)
作者簡介：種玉寶(1976一)，男，甘肅靖遠人，工程師，碩士，主要從事壓力管道和壓力容器定期檢驗和監(jiān)督檢驗工作。
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第6期 種玉寶，等：在役含缺陷壓力管道安全評定方法
的啟裂與失穩(wěn)[7]：
J—J (起裂時)
dJ／da—dJ ／da(塑性失穩(wěn)時)
式中，J 為材料的斷裂韌度，MPa·m ；dJ／da、
dJ ／da分別為推動力和材料阻力對裂紋擴展的變
化率。
1．2 歐洲缺陷評定方法SINTAP
1996年，歐洲委員會為了建立一個統(tǒng)一的合于
使用評定標(biāo)準(zhǔn)，組織了一個研究計劃，共有9個國家
的17個組織參加，于1999年完成了歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)
完整性評定方法(Structural Integrity Assessment
Procedure)，簡稱SINTAPl8 。
sINTAP是對焊接結(jié)構(gòu)進行合于使用評定的
一種方法，涉及脆斷領(lǐng)域、塑性破壞以及二者間的相
互作用。根據(jù)可獲得的材料信息量，SINTAP給出
了不同的分析級別。高級別分析比低級別分析需要
更多的信息，但得到的分析結(jié)果反而更保守。不可
接受的結(jié)果并不是說分析的失敗，而應(yīng)該是把分析
級別推向更高。若低級別的分析足以證明結(jié)構(gòu)安
全，就沒必要進行更高級別的分析。
1．3 英國R6評定方法(雙判據(jù)準(zhǔn)則)
R6評定方法是由英國中央電力局提出的，它的
第3版(R／H／R6，Revision3)是被廣泛接受的缺陷
評定方法 ]，適用于各種含缺陷結(jié)構(gòu)的脆性斷裂、塑
性失穩(wěn)和彈塑性撕裂的評定，3種斷裂評定用1張
評定圖表示，圖的縱坐標(biāo)表示結(jié)構(gòu)脆斷的性能，橫坐
標(biāo)表示結(jié)構(gòu)的塑性失效行為。
1．4 美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API 579
近年來，美國結(jié)構(gòu)完整性評定技術(shù)也有很大發(fā)
展，在規(guī)范中最引人注目的就是已出版的API 579
《推薦用于合乎使用的實施辦法》和API 580~Risk—
Based Inspection}[1 ]。SINTAP、R6的工業(yè)背景
主要是電站(包括核電)及海洋石油平臺，它們的發(fā)
展主要反映了缺陷的斷裂評定技術(shù)(包括塑性失效
評定)和疲勞評定技術(shù)的發(fā)展。API 579的工業(yè)背
景是石油化工設(shè)備，其特點是更多地反映了石油化
工在役設(shè)備安全評估的需要。與其他標(biāo)準(zhǔn)的不同之
處是，API 579不僅包括在役設(shè)備缺陷安全評估，
還在很廣的范圍內(nèi)給出在役設(shè)備及其材料的退化損
傷安全評估方法_1 M]。
1．5 ASME XI IWB一3650壓力管道缺陷評定規(guī)范
ASME XI IWB-3650{鐵素體鋼管道缺陷評定
規(guī)程及驗收準(zhǔn)則》是美國機械工程師協(xié)會制定
的口 。鐵素體鋼管道的失效模式有脆性斷裂、彈塑
性撕裂失穩(wěn)和塑性失穩(wěn)3種。ASME XI IWB一3650
規(guī)范的編制者經(jīng)過大量的理論分析、數(shù)值計算和試
驗研究，把結(jié)果加以整理簡化，給出了使用極為方便
的表格和簡單算式。首先要根據(jù)管徑及缺陷幾何尺
寸、材料性能、外載大小計算參量S ，判別出潛在的
失效模式，最后根據(jù)不同的失效模式查出相應(yīng)的表
格和算式。
1．6 我國在用壓力管道缺陷評定規(guī)范
我國對壓力管道缺陷進行評定主要是依據(jù)
GB／T 19624-2004~在用含缺陷壓力容器安全評
定》進行_】 。該標(biāo)準(zhǔn)把缺陷分為平面缺陷(裂紋、未
熔合、未焊透及深度大于等于1 mm咬邊等)和體積
缺陷(凹坑、氣孔、夾渣以及深度小于1 mm 的咬邊
等)，給出了含局部減薄、未焊透缺陷壓力管道免于
評定條件和塑性失效工程評定方法。首次提出了含
體型缺陷壓力管道組合載荷作用下三維結(jié)構(gòu)極限
上、下限分析的逐步漸近法等3種塑性極限載荷分
析的數(shù)值計算方法，首次建立了應(yīng)用簡便、精度高、
適用于任意應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系材料的含周向面型缺陷壓
力管道的U 因子工程評定方法。
2 在役管道安全評定實例
2007—10，筆者依據(jù)文獻[16]對如圖1所示的大
連某公司液化氣管線在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)埋藏
缺陷進行了安全性評價。該管線于1997年投入使
用，材料為2O鋼，查GB／T 8163 1999《輸送流體用
無縫鋼管》¨】 ，可知2O鋼的下屈服強度R 一
245 MPa，抗拉強度R 一390 MPa，彈性模量E一
200 000 MPa，泊松比 一0．3。管線操作壓力
1．6 MPa，操作溫度為常溫，使用年限10 a。管線外
徑為108 mm，公稱壁厚為4．0 mm，實測最小壁厚
為3．8 mm，腐蝕速度C2—0．02 mm／a，減去2倍腐
蝕量后的計算厚度B 一3．68 mm。管道焊縫成型
良好，管道支架結(jié)構(gòu)完好，操作平穩(wěn)，無明顯的壓力
波動。在焊口D12 根部存在整圈未焊透，自身高
度a=1．0 mm。下次檢驗周期為3 a后。
圖1 液化氣管線單線圖
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· 22· 石油化工設(shè)備 2010年第39卷
2．1 材料斷裂韌度計算
由于材料的斷裂韌度無法實測，而且在使用狀
況下沒有脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，
因此在評定時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取壓力管道材料允許
的最低沖擊韌性A 、，一27 J。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給定的材料
允許的最低Axv和， c下限值的關(guān)系，對未焊透缺陷
取J ===2．2A 、，，根據(jù)換算關(guān)系得到以應(yīng)力強度因
子表示的材料斷裂韌度K 一~／EJ ／(1一v )一
3 613 N／mm。 。
2．2 缺陷處應(yīng)力計算
本次無損檢測中所發(fā)現(xiàn)的缺陷均為周向缺
陷，故評定時只考慮軸向應(yīng)力。另外管道操作平
穩(wěn)，無明顯的溫度及壓力波動，故無須考慮疲勞損
傷的問題。利用ANSYS有限元分析軟件中的管
道單元對此液化氣管線進行有限元分析，得到焊
口D12 處軸向應(yīng)力11．839 MPa、最大切應(yīng)力
2．493 MPa、最大彎曲應(yīng)力45．862 MPa、軸向合成
應(yīng)力57．7O1 MPa。
2．3 L 、L，因子及 的確定
確定起裂載荷比L 時，首先計算R ^／／B。／Kc，
缺陷無因次長度 ／7c及缺陷相對深度a／B 由文獻
[16]表G．1查得，對于本例則有L 一1．2。
根據(jù)u一 壺 ，得【，一1．o8。
由缺陷無因次長度 ／ 及缺陷相對深度a／B ，
查文獻E16]表G．2可得許可流變應(yīng)力比 一1．o7。
2．4 缺陷安全性評價
缺陷是否安全由下式確定：
(am+O'B)≤ (1)
式中， 為軸向膜應(yīng)力，de為彎曲應(yīng)力，MPa。
將以上各數(shù)值帶入式(1)計算可得( + n)：==
57．7 MPa< —(R
—
eL + Rm)a
一314．6 MPa，因此該缺陷
是安全的，并具有一定的安全裕度。
3 結(jié)語
隨著現(xiàn)代工業(yè)和力學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機技術(shù)的迅
速發(fā)展，由于設(shè)計壓力的提高、高強度鋼材的大量
使用、焊接技術(shù)的普遍運用以及設(shè)備使用的嚴酷
化等因素，各國都在逐漸對自己的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進
行修訂和改進。對超標(biāo)缺陷進行合乎使用的評
定，一方面可減少不必要的過大的安全裕度，同時
又考慮到了影響安全的各種因素。在保證安全的
前提下正?；謴?fù)使用一批帶有缺陷的管道，具有
重要現(xiàn)實意義。
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(張編)

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