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壓力管道可靠性安全評(píng)定

文檔作者：燕秀發(fā) 謝禹鈞戴耀文檔來源：解放軍裝甲兵工程學(xué)院遼寧石油化工大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月17日
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壓力管道可靠性安全評(píng)定
燕秀發(fā)! 謝禹鈞" 戴耀!
  解放軍裝甲兵工程學(xué)院，北京!  
【摘要】針對(duì)管道的斷裂失效模式以及安全評(píng)定過程中存在的不確定性，提出了壓力管道可靠
性安全評(píng)定方法。通過分析主要評(píng)定參數(shù)：缺陷尺寸、工況載荷、斷裂韌性、機(jī)械強(qiáng)度的分布特征，
對(duì)各隨機(jī)變量模擬實(shí)際工況抽樣，應(yīng)用L75B< D0:I7 數(shù)值計(jì)算方法確定管道上的各獨(dú)立缺陷的失
效概率，進(jìn)而獲得整個(gè)管道的失效概率。可靠性安全評(píng)定方法確實(shí)反映了評(píng)定參數(shù)客觀存在的不 3

影響管道安全運(yùn)行的因素很多，其中裂紋類缺陷的擴(kuò)展及
失穩(wěn)導(dǎo)致的斷裂是最常見和最危險(xiǎn)的的因素。隨著斷裂力學(xué)的
發(fā)展及工程應(yīng)用，國(guó)際上主要工業(yè)國(guó)家的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定規(guī)范
均以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，具有代表性的規(guī)范有英國(guó)核電公司的
PQ、CR86QNS’、)RL3 2TCU’QV$ 以及我國(guó)的R)8WSV 等。在
這些規(guī)范正文中給出的均為確定性評(píng)定方法，確定性評(píng)定方法
在工程應(yīng)用時(shí)由于沒有考慮評(píng)定參數(shù)實(shí)際中的不確定因素，往
往使得評(píng)定結(jié)果在參數(shù)分散程度小時(shí)偏于保守，在參數(shù)分散程
度大時(shí)又偏于危險(xiǎn)。而工程實(shí)踐中，無論是缺陷的大小，還是材
料性能參數(shù)、以及載荷都不是確定值，如材料性能數(shù)據(jù)取值常
常不準(zhǔn)確，在實(shí)際的含缺陷結(jié)構(gòu)安全評(píng)定中，由于取樣困難和
實(shí)驗(yàn)手段限制，很難得到中厚板及不同板厚焊區(qū)真實(shí)材料的斷
裂韌性值，對(duì)于管道，測(cè)得的多是裂紋沿周向擴(kuò)展的斷裂韌性，
而管道的斷裂大多沿壁厚方向擴(kuò)展，加之管道材料的各向異
性、裂紋的三維約束和焊縫的非匹配，可靠地確定管道材質(zhì)的
斷裂韌性尚要解決測(cè)試方面的諸多技術(shù)問題。但研究表明這
些評(píng)定參數(shù)符合一定的分布規(guī)律，可以用概率的方法緩解評(píng)定
參量不確定性的矛盾，定量得到結(jié)構(gòu)的失效概率。在國(guó)際上，
概率斷裂力學(xué)理論開始用于壓力容器的缺陷評(píng)定X ! Y ，近年來，
A&amp;amp;(;051 LO 和<).,()+37 A B 等人X" Y 初步對(duì)含縱向腐蝕缺陷壓
力管道的評(píng)定提出了可靠性評(píng)定方法1 該方法技術(shù)上和內(nèi)容上
存在不足X’ Y ，難以應(yīng)用于管道普遍的失效形式Z 斷裂和塑性失
穩(wěn)。在國(guó)內(nèi)，周劍秋XN Y 等對(duì)管線焊縫處環(huán)向缺陷進(jìn)行了可靠性
評(píng)定1 但缺陷類型較受局限。壓力管道可靠性評(píng)定方法是當(dāng)今
結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定技術(shù)的趨勢(shì)，有很大的發(fā)展前景，但基于評(píng)定
規(guī)范的壓力管道可靠性評(píng)定方法目前尚無人提出，因此，我們
結(jié)合可靠性理論和國(guó)內(nèi)外最新安全評(píng)定技術(shù)P [ \ [ PQ—SV，
86QNS’ 和R)8WSV，應(yīng)用W,@-0I D ] ] QO $ 企業(yè)版開發(fā)了一套
管道失效風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)。
! 管道安全評(píng)定評(píng)定參數(shù)的隨機(jī)性分布
結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定中有很多變量，其中主要的有材料的機(jī)械
性能、工況載荷、缺陷尺寸等。它們都不同程度地存在隨機(jī)性、
分散性和不確定因素。采用可靠性評(píng)定方法，首先要明確各隨
機(jī)變量的分布特征。
材料機(jī)械性能的分布規(guī)律。日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)對(duì)!$ 種結(jié)構(gòu)鋼
的調(diào)查結(jié)果表明!54 !3，均服從正態(tài)分布。變異系數(shù)為NO ’ ^
VO Q_ ，另外大量統(tǒng)計(jì)資料表明XV Y ，材料強(qiáng)度的概率分布近似服
從對(duì)數(shù)正態(tài)分布和正態(tài)分布。在結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分析中，若資料不足
以明確分布的形式時(shí)可參照上述結(jié)論適當(dāng)?shù)剡x取變異系數(shù)。由
于影響斷裂韌性的因素較多，如軋制方向，焊接輸入熱量，熱處
理程度等造成的組織差異以及取樣方向、厚度等。斷裂韌性的
分散性比其它機(jī)械性能指標(biāo)要大得多。!"! 的變異系數(shù)可達(dá)
"# $ %#&amp;amp; 。按最薄弱環(huán)鏈模型考慮，最弱缺陷的強(qiáng)度決定材料
的強(qiáng)度，建議!"! 選用二參數(shù)’()*+,, 分布- 也可采用對(duì)數(shù)正態(tài)
分布和正態(tài)分布，但’()*+,, 分布數(shù)據(jù)擬合最佳- 正態(tài)分布偏于
保守。若分析時(shí)未做深入研究，可選用正態(tài)分布，變異系數(shù)適當(dāng)
放寬。
工況載荷的分布規(guī)律。含缺陷管道的截面應(yīng)力是由管系
的內(nèi)壓、溫度、各種約束等多種因素的作用而產(chǎn)生的。正常工
況下壓力和溫度都是波動(dòng)的，具有一定的隨機(jī)不確定性。文獻(xiàn)
推薦. / 0 ，工況載荷服從正態(tài)分布，對(duì)數(shù)正態(tài)分布和威布爾分
布。管線中的軸力和彎矩對(duì)管線操作溫度十分敏感，是管線中
的主要載荷之一。因此，需將壓力和溫度作為重要參量。壓力
和溫度的變異系數(shù)較小，可參照工藝要求來確定，其中考慮停
車和超壓對(duì)管道失效的影響。
缺陷幾何參量的分布規(guī)律。在進(jìn)行管線失效風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)。
需要知道缺陷的狀態(tài)，即缺陷的位置、形狀和大小。按國(guó)內(nèi)外缺
陷評(píng)定規(guī)范中裂紋表征的要求，簡(jiǎn)化后的缺陷是非常保守的。
對(duì)單個(gè)缺陷進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，可不考慮檢測(cè)誤差等不確定因
素。但對(duì)于同一截面上，如果有多個(gè)裂紋按表征要求需要復(fù)合，
由于同時(shí)存在檢測(cè)誤差和表征誤差，應(yīng)按裂紋統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析評(píng)
定尺寸。檢測(cè)誤差和表征誤差造成的缺陷尺寸分布一般為正態(tài)
分布.% 0 ，但深度尺寸的分散性較大。
1 抽樣方法和數(shù)值模擬
管道失效風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)應(yīng)用2345( !67,3 方法計(jì)算失效概
率。應(yīng)用2345( !67,3 方法要求首先明確各隨機(jī)變量的分布特
征，根據(jù)上述分析，機(jī)械強(qiáng)度推薦選擇正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分
布。缺陷尺寸推薦選擇服從正態(tài)分布；工況載荷和斷裂韌性推
薦選擇服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布和威布爾分布；2345( !67,3 方
法計(jì)算失效概率的過程中要對(duì)各隨機(jī)變量按各自的分布進(jìn)行隨
機(jī)抽樣，下面給出了上述三種分布的通用隨機(jī)變量抽樣方法。
其中.#，" 0 上均勻分布的隨機(jī)變量!，!#，!$ 由! 8 8 中偽隨機(jī)
變量函數(shù)7649（）產(chǎn)生，起始種子借助于系統(tǒng)時(shí)間確定。經(jīng)過變換
后即可將均勻分布抽樣變換成所求分布的抽樣。
1: " 正態(tài)分布的隨機(jī)變量抽樣
正態(tài)分布的概率密度為
;" <
!" !1 為.#，" 0 均勻分布的隨機(jī)變量，利用二元函數(shù)變換
;1 <
" 是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布%（#- "）隨機(jī)變量抽樣值，于是得到均
值為! 標(biāo)準(zhǔn)差為" 的隨機(jī)變量抽樣值為
&amp;amp; ’ "# ( $ ;= <
1: 1 對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量的抽樣
對(duì)數(shù)正態(tài)分布的概率密度為
;> <
其中 % ’ )*,4 +,，- ? ,.（,4+）隨機(jī)變量抽樣值為
&amp;amp; ’ (@A; -" ( %< ;B <
# 是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布%（#- "）隨機(jī)變量抽樣值。
1: = ’()*+,, 分布的隨機(jī)變量抽樣
’()*+,, 分布的概率密度為上述抽樣方法編制了抽樣分析模塊程序，圖" 給出了正態(tài)
分布的模擬結(jié)果。由抽樣模塊抽樣"## 萬次，不僅數(shù)度快，統(tǒng)計(jì)
出來的概率密度曲線十分光滑，表明抽樣質(zhì)量是很高的。
1: > 管道應(yīng)力強(qiáng)度因子的隨機(jī)抽樣計(jì)算表達(dá)式
國(guó)內(nèi)外安全評(píng)定規(guī)范中，彈塑性斷裂分析主要以E 型裂紋
為參量。對(duì)于$型和%型裂紋采用等效應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法處
理，可應(yīng)用FG/>H= 附錄推薦的計(jì)算方法。管道中環(huán)向裂紋和軸
向裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子主要來自裂紋所在管段軸力、彎矩、內(nèi)壓
的貢獻(xiàn)。而管段中的軸力、彎矩與管道的溫度、內(nèi)壓、自重約束
以及安裝誤差有關(guān)。這些因素在管道的操作工況下具有一定的
隨機(jī)性，因此，在管道的失效風(fēng)險(xiǎn)分析中應(yīng)將這些因素當(dāng)中的主
要部分作為隨機(jī)變量，通過2345( !67,3 方法抽樣計(jì)算相關(guān)的應(yīng)
力強(qiáng)度因子，按安全評(píng)定規(guī)范中雙判據(jù)準(zhǔn)則統(tǒng)計(jì)出失效概率。
因此，需要結(jié)合2345( !67,3 方法的計(jì)算要求和應(yīng)力強(qiáng)度因子的
計(jì)算特點(diǎn)，給出恰當(dāng)?shù)膽?yīng)力強(qiáng)度因子抽樣計(jì)算表達(dá)式。對(duì)于管
道環(huán)向裂紋，E 型裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子由疊加法可表示成拉伸
應(yīng)力強(qiáng)度因子與彎曲應(yīng)力強(qiáng)度因子之和，即
!E ’ !E * %1 01 2, ( !E * 31 01 2, ;I <
其中J 為裂紋所在位置的軸向內(nèi)力；2 為裂紋所在位置的彎
矩；0、2 分別為裂紋幾何參數(shù)，分別為裂紋長(zhǎng)
圖" 正態(tài)分布抽樣測(cè)試
度、高度。管道中的溫度4、自重5、內(nèi)壓6、約束以及安裝誤差
7 等因素直接影響管道中的內(nèi)力，它們對(duì)裂紋所在管段軸力和
彎矩的貢獻(xiàn)可表示成
% ’ %* 61 41 71 %5 , ;H <
3 ’ 3* 61 41 71 35 , ;"# <
JK 為管道自重引起的軸力；35 為管道自重引起的彎矩。將0、
2、6、4 和7 作為隨機(jī)變量，按已知的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和分布形式
進(jìn)行抽樣，;I < 式即為抽樣計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的表達(dá)式。對(duì)于軸
向裂紋，內(nèi)壓對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子有實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)，應(yīng)力強(qiáng)度因子抽
樣計(jì)算式為
!E ’ !E * 61 01 2, ;"" <
（8 9）’ "
# ,1&amp;amp;
 
圖! 管道簡(jiǎn)化力學(xué)模型
"# $ 含缺陷壓力管道失效風(fēng)險(xiǎn)概率
管道失效風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)應(yīng)用%&amp;amp;’() *+,-&amp;amp; 方法，設(shè)計(jì)了基于
. / 0 / .1—2$，34152! 以及67382$ 三種評(píng)定規(guī)范的可靠性安
全評(píng)定方法，計(jì)算流程基本類似，但各評(píng)定規(guī)范的失效判據(jù)不
盡相同，. / 0 / .1—2$ 規(guī)范的計(jì)算流程如圖" 所示。應(yīng)用. / 0 /
.1—2$ 9: ;（<=(>&amp;amp;’ ?）通用曲線，圖中!"
@+A 和#"
@+A 為失效判據(jù)
B?" C
#"
@+A $ ! % !&amp;amp; B?! C
!" $ !"
’ ( !"
&amp;amp; B?5 C
! 為材料流變應(yīng)力，與管道材質(zhì)有關(guān)。一般材料可取) !* ( !&amp;amp; + %
"。!,
- 為一次應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子；!,
. 為二次應(yīng)力引起的
應(yīng)力強(qiáng)度因子。其中!"
 
#" $ !9 % !&amp;amp;。!9 為凈截面應(yīng)力。假設(shè)管道上有9 個(gè)獨(dú)立缺陷B 復(fù)
合缺陷和干涉缺陷表征后對(duì)管道失效的影響等效于獨(dú)立缺
陷C ，每個(gè)獨(dú)立缺陷經(jīng)評(píng)定后的安全概率為-?E -"E !E -’，根據(jù)
獨(dú)立性原理則管道的失效概率為
- $ ? : -? -" -! #-9 B?1 C
! 工程評(píng)定實(shí)例
某管路如圖! 材料為"< 鋼，經(jīng)探傷發(fā)現(xiàn)三處缺陷：在彈簧
支撐7 處有一環(huán)向表面裂紋，該裂紋的幾何尺寸：長(zhǎng)為$<@@，
高為"@@ 在彎管環(huán)向未熱理焊縫I 處有一環(huán)向夾渣長(zhǎng)為
?"@@，高為<# $@@，距管外壁距離為5@@；在彎管環(huán)向未熱理
焊縫* 處有一環(huán)向未熔合缺陷長(zhǎng)?$<@@，高為"@@，距管外壁
距離為$@@。屈服極限均值!&amp;amp; F "5$%3+E 標(biāo)準(zhǔn)差?"# "$，強(qiáng)度極
限均值!* $ $!<%3+，標(biāo)準(zhǔn)差"1# $<，!,; 均值?1!$# 1GJ·@@ H
!"
E 標(biāo)準(zhǔn)差見表?，操作壓力均值- $ $%3+，標(biāo)準(zhǔn)差<# 5$，安裝位
移均值< F ?@@，標(biāo)準(zhǔn)差<# ?，工作溫度均值= F "&amp;amp;’ ?）通用曲線評(píng)定，評(píng)定
結(jié)果如表?（模擬次數(shù)? M ?<1 ）。由評(píng)定結(jié)果可見評(píng)定參數(shù)的分
散程度，對(duì)安全概率的影響是很大的。特別是以斷裂韌性最不
穩(wěn)定，在母材和焊縫的不同區(qū)域它的分散性很大。隨著斷裂韌
性標(biāo)準(zhǔn)差的增大，抽樣值偏離均值的程度也增加，表? 中給出的
安全概率下降較快，表明缺陷失效概率對(duì)斷裂韌性標(biāo)準(zhǔn)差是很
敏感的，如果應(yīng)用確定性評(píng)定方法評(píng)定將導(dǎo)致評(píng)定結(jié)果偏于危
 
圖" . / 0 / .1—2$ 缺陷失效概率計(jì)算流程

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