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含埋藏裂紋缺陷長輸管線的安全評定及剩余壽命計算

文檔作者：王艷華王祺王澤恒文檔來源： 1．中交第一公路勘察設計研究院有限公司 2．寶雞石油鋼管有限責任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月03日
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第42卷第7期
2013年7月
當 代 化 工
Contemporary Chemical Industry
Vo1．42．NO．7
July，2013
含埋藏裂紋缺陷長輸管線的
安全評定及剩余壽命計算
王艷華 ，王 祺 ，王澤恒
(1．中交第一公路勘察設計研究院有限公司， 陜西西安710075； 2．寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西寶雞721008)
摘 要：采用GB／T19624—2004標準，對長輸管線中的埋藏裂紋缺陷進行安全評定，在評定的過程中選取
了4種壁厚不同的X80管線進行常規(guī)評定，計算出了斷裂比、載荷比并繪制出了失效評定圖。采用Pairs公式
對一段含缺陷在役管線進行剩余壽命計算，為管線的維修、檢測提供了一定的理論依據(jù)。
關鍵詞：埋藏裂紋；X80；安全評定；剩余壽命；Pairs
中圖分類號：TE 973 文獻標識碼： A 文章編號： 1671—0460(2013)07—1029—04
Safety Assessment and Calculation of Remaining Life for
Long·distance Pipeline、 th Hidden Cracks
WANG Yan—hua ，WANG Oi ，WANG Ze—he
(1．CCCC First Highway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Shaanxi Xi’an 710075，China；
2．Baoji Petroleum Steel Pipe Co．，Ltd．，Shaanxi Baoji 721008，China)
Abstract：Based on GB ／T19624．2004．safety assessment for hidden crack defects oflong．distance pipeline lack was
carried out，four kinds ofX80 pipelines witll diferent thickness were selected for general assessment．the fracture ratio
and load ratio were calculated．a(chǎn)nd the failure assessment diagram was drawn out．The remaining life of a pipeline in
service with defects was calculated by using Pairs formula，which call provide a theoretical basis for repair and testing
ofthe pipeline．
Key words：Hidden cracks；X80；Safety assessment；Remaining lire；Pairs
石油天然氣管線是實現(xiàn)石油和天然氣運輸?shù)囊?
種經(jīng)濟、快捷的運輸手段 ]。管線輸送具有運行成
本低、運輸量大、所占空間小、可靠穩(wěn)定、自動化
程度較高、連續(xù)輸送等優(yōu)點，與鐵路運輸、公路運
輸、航空運輸、水上運輸并稱為五大運輸方式 。
油氣長輸管線長年埋置地下，受環(huán)境、力學和材質(zhì)
等因素的影響，管線難免出現(xiàn)各種缺陷問題，一旦
發(fā)生事故，不僅會造成重大環(huán)境污染，還嚴重威脅
著人民群眾的生命財產(chǎn)安全網(wǎng)。因此，管道運行的
安全性與可靠性顯得越來越為重要。開展對石油天
然氣管線的安全評定以及剩余壽命預測工作具有深
遠的意義，經(jīng)濟和社會效益巨大 。
1 安全評定
1．1 安全評定方法以及評定程序介紹
目前，國際上對壓力管道、壓力容器的安全評
價方法諸多，國際上比較著名的方法有：近年來，
最具有代表意義的是SINTAP評定方法，BS7910評
定方法，R6評價方法和API579評定方法等 。2004
年，我國頒布了一部壓力容器安全評定標準，即：
《在用含缺陷壓力容器安全評定》，標準國標號為
GB／T19624—2004嗍。本文將采用GB／T19624—2004標
準，對長輸管線中的埋藏裂紋缺陷進行常規(guī)安全評定。
安全評定程序，如圖1所示。
圖1 評定流程圖
Fig．1 The assessment flow diagram
1．2 評定參數(shù)確定
1．2．1 缺陷表征
收稿日期：2013-01—23
作者簡介：王艷華(1982-)，女，工程師，在讀博士，主要研究方向：水資源與水環(huán)境保護。E-mail：yhwang930@f0xmai]．com。
通訊作者：王澤恒(1984-)，男，工程師，碩士，國家注冊安全工程師，研究方向：長輸管線的安全評定及安全管理工作。
E-mail：wangzeheng3OO8@sina．com。
l030 當 代 化 工 2013年7月
對于管線埋藏裂紋，缺陷表征為長為2c，高為
2口的橢圓形裂紋。
1．2．2 確定應力
長輸管線屬于薄壁管，因此在安全評定的過程
中可以忽略彎曲應力；長輸管線的工作溫度與現(xiàn)場
安裝溫度相差較小，因此在安全評定的過程中可以
忽略熱應力 。因此，該管道只需考慮一次薄膜應
力，即：
= 尸ID／(2 (1)
1．2．3 長輸管線材料基本性能參數(shù)的確定
確定材料的抗拉強度 ，屈服強度 以及材料
斷裂韌度 。
1．2．4 斷裂比
= G( +／6 )／ +P (2)
式中： 一斷裂比；
一斷裂韌度；
一評定用斷裂韌度；
G一相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應系數(shù)；
p一塑性修正因子；
妁L 應力強度因子(由一次應力引起的)，N，mm ；
L 應力強度因子(由二次應力引起的)，N／ram3 。
= √1．5 E／(1一 )
Kp=Kc／1．2
f 1 厶<0．8
卜
fM 0 L， Ll
(0_o76 _l9)
L1=0．24+0．04(n一5、
l=0．016n一0．056+1．024(s~)一0
．
048(s~) (8)
其中，iv／為材料硬化指數(shù)，當n<5，可保守地取n=5
進行計算。 可由標準附錄A中表查得。
K，=√ (仃 + ) (9)
式中： 一由應力分布線性化規(guī)則得到的彎曲應力；
一薄膜應力；
厶 一計算由薄膜應力am引起裂紋尺寸c方向裂紋尖端處應力強
度因子時所用的裂紋構(gòu)型因子，無量綱；
一計算由彎曲應力 引起裂紋尺寸c方向裂紋尖端處應力強度
因子時所用的裂紋構(gòu)型因子，無量綱。
1．01—0．3 7
{1_( ] 。 s酉( 川
f(1．0(1 —磊0．3 7 ) f2e／B一口／B一0．3 4a ／(cB)] ¨
． ( 一兒
1．2．5載荷比
= — — 一 ¨ )
式中： ， 正系數(shù)。
2ac
= 一
B(C+ 、
：
1．3 長輸管線的安全評定
1．3．1 項目背景
(13)
(14)
西氣東輸三線貴陽一一中衛(wèi)聯(lián)絡線，于2012
年底竣工。管線主要參數(shù)如表1所示。
表1 線路用管參數(shù)
Table 1 The parameters of pipdine
本文擬對外徑為1 219 mm，四種壁厚不同
(15-3，18．4，22，25．7 mm)材質(zhì)為X80的雙面焊
螺旋焊縫管道安全評定。
1．3．2 失效評定圖
假設某段管線有一缺陷，對該缺陷進行表征，
表征后缺陷類型為埋藏裂紋缺陷，該裂紋的長徑方
向與焊縫的融合線平行，具體的裂紋參數(shù)如表2。
表2 裂紋缺陷表征尺寸
Table 2 The characterizati0n size of cracks defect
壁厚／mm 15．3 18．4 22 25．7
裂紋長度／mm 8 8 8 8
裂紋高度／ram 4 4 4 4
裂紋位置(
、
內(nèi)壁 4 4 4 4
／mm) ’ 。
外徑／ram 1 219 1 219 1 219 1 219
由公式(1)一(11)可得4種不同壁厚管線
的斷裂比，如表3所示。
表3 各種缺陷管道的斷裂比
Table 3 Fracture ratio of various pipeline with defect
由公式(12)一(14)可得四種不同壁厚管線
、 ＼ ＼ ＼ ＼
3 4 5 6 7
， ／ ／L ／L ，L
第42卷第7期 王艷華，等：含埋藏裂縫缺陷X80長輸管線的安全評定及剩余壽命計算 1031
的載荷比，如表4所示。
表4 各種缺陷管道的載荷比
Table 4 Load ratio of various pipeline with defect
通過斷裂比與載荷比的數(shù)值，進行安全評定，
評定結(jié)果如圖2所示。
圖2 失效評定圖
Fig．2FAD
1．4 評定結(jié)論
如圖2所示，橫軸 ，縱軸Kr與曲線FAC所
形成的區(qū)域為安全區(qū)域，四個評定點全部處于安全
區(qū)域之中，管線可以安全運行。
2 長輸管線剩余壽命計算
2．1 參數(shù)的確定
從初始裂紋長度ao擴展到臨界裂紋長度a 所
需要載荷循環(huán)數(shù) 稱為疲勞裂紋擴展壽命 m]。Paris
公式是目前使用最廣泛的壓力管道缺陷評定規(guī)范
之一，其數(shù)學表達式為：
= 1 ]
式中：M 一疲勞次數(shù)
ar 表示極限裂紋尺寸；
口0一表示缺陷尺寸；
y一修正系數(shù)，Y-1．12；
re／一與材料有關的系數(shù)，對于高強度鋼，m=2～7，多數(shù)材料 =
2～4：
C一與材料性能加載頻率、、應力變化以及平均負荷等常數(shù)有關。
由公式(15)可得到，在得到所需評定缺陷的ao
及t2o后，只要得出Kz(應力強度因子)，就可以得
出管線的Ⅳc(剩余壽命)””。
局的計算：
對于I型埋藏裂紋，裂紋尖端的應力強度因子可由
公式(16)表述，即
= √7ca (16)
通常情況下，由于裂紋尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀等因
素的原因，采用修正系數(shù)Y進行對應力強度因子結(jié)果
進行修正，如公式(17)所示：
Ks=Ycr~／na (17)
2．2 工程應用
某天然氣輸送管線基本參數(shù)如下：鋼級X80，
1 219 mm x 18．4 mm，屈服強度552 MPa，抗拉強
度621 MPa，工作壓力7 MPa，疲勞裂紋的擴展門檻
值^r山=8 MPax／m ， 為102 MPax／m ，彈性模量E
為2．06×10 MPa，泊松比為0．3， O'max=228
MPa ，O"min=0 MPa
，
Act 228 MPa
，
m=3，c=1．15 X 10 ，y_1．12，管道內(nèi)壓波動頻率
為2次／d，初始裂紋為2 mm。
計算步驟如下：
1)應力強度因子
由公式(17)可得，AKs=YAcrx／~ra
MP √ 。
2)裂紋是否擴展
由于AKI：20 MPa√ >K,h：8 MPa√ ，
擴散。
3)確定臨界裂紋長度
，
AKI=20
故裂紋會
令 =1．12~-max√兀 =
( 竺)z： ( 蘭)z：51 mm
兀1．1 crm 7c 1．12X228
4)裂紋擴展壽命
由公式(15)可得，
Ⅳc= 1
? ? 一
[口
。
1
2 '
?
o1]=7·32次
由于該管道內(nèi)壓波動頻率為2次，d，計算得，該
管線的剩余壽命為9．9 1 a。
3 結(jié)論
(1)在含埋藏缺陷的管線進行評定時，對于大
小、位置相同的缺陷，管線壁厚越厚，評定點坐標
值越小，管線越安全。
1032 當 代 化 工 2013年7月
(2)對含缺陷在役輸氣管道進行剩余壽命計
算，為管線的維修、檢測提供了一定的理論依據(jù)。
(3))(寸于開展同類管線安全評定與剩余壽命計
算工作，具有一定的借鑒和指導意義。
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(上接第954頁)
結(jié)果表明，低溫等離子體處理染料廢水在間距
5 mm，pH為7，液面厚度9 mm，濃度為2 g／L的條
件下，對直接桃紅溶液COD降解率達到最好。
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環(huán)保，2002(2)：111-114．
(上接第1022頁)
3 結(jié)論
采用微波消解一雙道原子熒光光譜法同時測定
大米中微量砷和汞，具有靈敏度高、操作簡便、快
速、節(jié)省試劑、抗干擾性強等特點。適合大批量大
米樣品中微量砷、汞的檢測。
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