在用燃?xì)夤艿乐泻毕菪苯訌澒馨踩苑治?/h1>
2006-10-18 04:29:58梁航
安全與健康 2006年7期
梁 航
隨著埋地管道服役齡期的增加，埋地時(shí)間的增長，管道內(nèi)外腐蝕、外力的作用以及環(huán)境等各種因素的影響，原有的埋地管道缺陷與存在的問題將逐漸顯露出來，埋地管道的安全狀況逐漸發(fā)生變化。燃?xì)饴竦毓艿酪蚍栏瘜悠茡p或防腐措施失效，管道腐蝕引起泄漏釀成事故的情況時(shí)有發(fā)生。因此，在對(duì)城市埋地燃?xì)夤艿篱_展必要的檢驗(yàn)檢測的基礎(chǔ)上，采用有限元及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)埋地管道進(jìn)行安全性分析與評(píng)定，以確保城市埋地燃?xì)夤艿赖陌踩?、?jīng)濟(jì)、有效的運(yùn)行顯得十分必要。
現(xiàn)針對(duì)某城市燃?xì)夤竟ぷ魅藛T在對(duì)一條公稱直徑400mm的城區(qū)埋地燃?xì)廨斔椭鞴艿肋M(jìn)行巡線檢查時(shí)，檢出該管道一彎頭處防腐層破損，經(jīng)開挖去除破損的防腐層準(zhǔn)備修復(fù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)防腐層破損處管道已腐蝕的較嚴(yán)重，打磨去除腐蝕銹層后，管道壁上出現(xiàn)一個(gè)長約56mm，寬32mm，最深處達(dá)4mm的弧狀凹坑。該彎頭系采用鋼管現(xiàn)場焊接而成的斜接彎管，如圖1所示，缺陷出現(xiàn)在圖中A點(diǎn)所示的位置。
圖１、斜接彎頭結(jié)構(gòu)示意圖（圖中尺寸單位為mm）
經(jīng)查閱該管道原設(shè)計(jì)圖紙及施工資料得到管道特性參數(shù)如下：
該管道設(shè)計(jì)壓力：0.4MPa；設(shè)計(jì)溫度：-5℃~55℃；管道材質(zhì)為Q235B；原設(shè)計(jì)要求該管段安裝完畢后作特加強(qiáng)級(jí)防腐處理，對(duì)接焊口作5%的X射線探傷。
根據(jù)上述介紹，該公司工程技術(shù)人員依據(jù)GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》，取剩余壁厚作該彎管剩余強(qiáng)度校核如下：
查得材質(zhì)Q235B的鋼管許用應(yīng)力[σ]1=113MPa，取該彎管腐蝕裕度C=1.0mm，故剩余有效壁厚tsc=7-4-1=2mm
依據(jù)文獻(xiàn)[1]多接縫斜接彎管的最大許用內(nèi)壓，應(yīng)取以下兩式中計(jì)算的較小值：
式中：為管道平均半徑；為管道焊接接頭系數(shù)，局部探傷檢驗(yàn)取0.8；為斜接彎管的彎曲半徑。
最大允許內(nèi)壓力取兩計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果中的較小值，即最大允許內(nèi)壓力僅為Pm=0.34MPa，顯然該值小于原設(shè)計(jì)壓力值0.4MPa。當(dāng)時(shí)該燃?xì)夤究紤]到該管道屬于供氣的主管道，因此決定按常規(guī)做法將該彎管予以更換，由于更換彎管的施工造成了較大范圍的停氣。
該彎管僅是局部一處產(chǎn)生凹坑腐蝕，是否就須更換，還能否繼續(xù)使用。按照應(yīng)力分類分析，結(jié)構(gòu)壁厚的局部小范圍的減薄與均勻減薄產(chǎn)生的應(yīng)力狀況有明顯的不同，局部小范圍的減薄將引起結(jié)構(gòu)在缺陷周邊小范圍內(nèi)的應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)，但這種應(yīng)力影響范圍很小，其中的峰值應(yīng)力部分還帶有自限性，為了判定在這樣情況下結(jié)構(gòu)是否安全，還能否繼續(xù)使用，為今后在遇到類似情況時(shí)做出適當(dāng)?shù)臎Q定，因此有必要對(duì)該彎管壁厚減薄后的應(yīng)力狀況和缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響程度以及結(jié)構(gòu)的安全狀況作相關(guān)的強(qiáng)度分析和安全性分析。
一、彎管強(qiáng)度有限元分析
分析90°斜接彎管結(jié)構(gòu)，其具有兩個(gè)對(duì)稱面，因此對(duì)其進(jìn)行有限元分析時(shí)，只需取結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行相關(guān)分析，對(duì)于彎管壁面上腐蝕凹坑采用弧球面擬合形成，建模時(shí)斜接彎管壁厚扣除1mm的腐蝕裕度。應(yīng)用Ansys結(jié)構(gòu)分析程序，采用四面體單元，忽略彎管焊縫余高的影響，對(duì)于結(jié)構(gòu)中有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，尤其是腐蝕凹坑及其邊緣部位采用減小單元幾何尺寸，加密單元的方法，以提高有限元計(jì)算精度，經(jīng)Ansys結(jié)構(gòu)分析程序劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，整個(gè)模型共形成21291個(gè)節(jié)點(diǎn)，70759個(gè)單元。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，對(duì)對(duì)稱面上的單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，取對(duì)稱面法線方向位移為0。在分析結(jié)構(gòu)所受的載荷時(shí)，考慮到該管道為埋地管道，且埋深0.8m以上，此時(shí)地面溫度的變化對(duì)其產(chǎn)生的影響很小，且現(xiàn)場實(shí)際在離該彎頭約80m處有一閥門井，閥門的兩側(cè)均裝有便于閥門裝拆的柔性管接頭，其可以較好的釋放管道因溫差變化引起的熱脹冷縮，因此可以認(rèn)為該彎管所受的彎矩很小，可以忽略不計(jì)。故此時(shí)結(jié)構(gòu)僅受壓力載荷。當(dāng)結(jié)構(gòu)模型在0.4MPa的設(shè)計(jì)壓力作用下，經(jīng)有限元法計(jì)算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云紋圖（如圖2所示）。
由圖2可見該彎管結(jié)構(gòu)在腐蝕凹坑處出現(xiàn)兩處高應(yīng)力區(qū)，其一在腐蝕凹坑缺陷的位置，最大應(yīng)力強(qiáng)度（Von Mises）達(dá)21.254MPa，其應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖3，由圖可清楚的看出該應(yīng)力強(qiáng)度雖發(fā)生在腐蝕凹坑處，壁厚最小的位置，但其應(yīng)力強(qiáng)度值很小，遠(yuǎn)小于彎管材料的許用應(yīng)力值113MPa，按照應(yīng)力分類原理可知該應(yīng)力強(qiáng)度值中還包含有因結(jié)構(gòu)局部薄膜不連續(xù)產(chǎn)生的帶有自限性的峰值應(yīng)力成分。因此從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度角度考慮該結(jié)構(gòu)此時(shí)還是十分安全的。另一個(gè)高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在斜接管對(duì)接焊縫處，該區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度值相對(duì)較小，僅為18.6 MPa，從結(jié)構(gòu)分析該處高應(yīng)力是由結(jié)構(gòu)總體薄膜不連續(xù)，在內(nèi)壓力作用下結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中。
二、含缺陷彎管安全性分析
根據(jù)缺陷實(shí)際狀況可以確定該缺陷屬于管道體積缺陷，對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)定。
已知管道外徑2Ro=457mm，管道內(nèi)徑2Ri=221.5mm，
三、結(jié)論
從以上的分析可見，該帶有腐蝕凹坑的斜接彎管，不論依據(jù)有限元法得出應(yīng)力強(qiáng)度，還是從安全性評(píng)定的角度分析該斜接彎管在腐蝕凹坑達(dá)4mm時(shí)依然是安全的。因此，只要對(duì)該腐蝕管段在打磨除去腐蝕銹層，并采用特加強(qiáng)級(jí)防腐處理后，確保該結(jié)構(gòu)不再繼續(xù)受到腐蝕，使缺陷進(jìn)一步加劇，該彎管可以繼續(xù)使用，無需更換。同時(shí)在日常巡線中，加強(qiáng)對(duì)該管段的檢查，即對(duì)不同安全等級(jí)的管段，實(shí)施不同力度的巡線管理，這樣即可以確保管道的運(yùn)行安全，又可以避免因換管造成大范圍停氣，而帶來的經(jīng)濟(jì)損失。若該管段的防腐層再次出現(xiàn)破損，管道局部凹坑腐蝕呈蔓延趨勢時(shí)，應(yīng)依據(jù)腐蝕實(shí)際狀況重新予以評(píng)定，確保管段安全運(yùn)行；隨著“西氣東輸”工程的深入，城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿垒斔徒橘|(zhì)由煤氣或液化石油空混氣變?yōu)樘烊粴?，管道運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)含缺陷的管道進(jìn)行相關(guān)的安全性評(píng)定，當(dāng)安全性評(píng)定結(jié)果表明管道安全性能指標(biāo)達(dá)不到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求時(shí)，應(yīng)更換不安全的管段。
任何設(shè)備和管道在使用中由于種種原因造成這樣或那樣的缺陷是在所難免的，一味的追求完整性是不科學(xué)的，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行安全性評(píng)估既有經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也具有一定的社會(huì)效益。通過對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖臋z測與安全性評(píng)估，提供管道企業(yè)制定合理、經(jīng)濟(jì)的埋地管道管理措施提供科學(xué)依據(jù)：可以實(shí)現(xiàn)按照不同的安全級(jí)別，采取不同力度的管理模式，把有限的人力物力用在實(shí)際需要上，盡量減少不必要的更換，同時(shí)確保管道運(yùn)行的安全。
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圖１、斜接彎頭結(jié)構(gòu)示意圖（圖中尺寸單位為mm）
經(jīng)查閱該管道原設(shè)計(jì)圖紙及施工資料得到管道特性參數(shù)如下：
該管道設(shè)計(jì)壓力：0.4MPa；設(shè)計(jì)溫度：-5℃~55℃；管道材質(zhì)為Q235B；原設(shè)計(jì)要求該管段安裝完畢后作特加強(qiáng)級(jí)防腐處理，對(duì)接焊口作5%的X射線探傷。
根據(jù)上述介紹，該公司工程技術(shù)人員依據(jù)GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》，取剩余壁厚作該彎管剩余強(qiáng)度校核如下：
查得材質(zhì)Q235B的鋼管許用應(yīng)力[σ]1=113MPa，取該彎管腐蝕裕度C=1.0mm，故剩余有效壁厚tsc=7-4-1=2mm
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該彎管僅是局部一處產(chǎn)生凹坑腐蝕，是否就須更換，還能否繼續(xù)使用。按照應(yīng)力分類分析，結(jié)構(gòu)壁厚的局部小范圍的減薄與均勻減薄產(chǎn)生的應(yīng)力狀況有明顯的不同，局部小范圍的減薄將引起結(jié)構(gòu)在缺陷周邊小范圍內(nèi)的應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)，但這種應(yīng)力影響范圍很小，其中的峰值應(yīng)力部分還帶有自限性，為了判定在這樣情況下結(jié)構(gòu)是否安全，還能否繼續(xù)使用，為今后在遇到類似情況時(shí)做出適當(dāng)?shù)臎Q定，因此有必要對(duì)該彎管壁厚減薄后的應(yīng)力狀況和缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響程度以及結(jié)構(gòu)的安全狀況作相關(guān)的強(qiáng)度分析和安全性分析。
一、彎管強(qiáng)度有限元分析
分析90°斜接彎管結(jié)構(gòu)，其具有兩個(gè)對(duì)稱面，因此對(duì)其進(jìn)行有限元分析時(shí)，只需取結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行相關(guān)分析，對(duì)于彎管壁面上腐蝕凹坑采用弧球面擬合形成，建模時(shí)斜接彎管壁厚扣除1mm的腐蝕裕度。應(yīng)用Ansys結(jié)構(gòu)分析程序，采用四面體單元，忽略彎管焊縫余高的影響，對(duì)于結(jié)構(gòu)中有可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，尤其是腐蝕凹坑及其邊緣部位采用減小單元幾何尺寸，加密單元的方法，以提高有限元計(jì)算精度，經(jīng)Ansys結(jié)構(gòu)分析程序劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，整個(gè)模型共形成21291個(gè)節(jié)點(diǎn)，70759個(gè)單元。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，對(duì)對(duì)稱面上的單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，取對(duì)稱面法線方向位移為0。在分析結(jié)構(gòu)所受的載荷時(shí)，考慮到該管道為埋地管道，且埋深0.8m以上，此時(shí)地面溫度的變化對(duì)其產(chǎn)生的影響很小，且現(xiàn)場實(shí)際在離該彎頭約80m處有一閥門井，閥門的兩側(cè)均裝有便于閥門裝拆的柔性管接頭，其可以較好的釋放管道因溫差變化引起的熱脹冷縮，因此可以認(rèn)為該彎管所受的彎矩很小，可以忽略不計(jì)。故此時(shí)結(jié)構(gòu)僅受壓力載荷。當(dāng)結(jié)構(gòu)模型在0.4MPa的設(shè)計(jì)壓力作用下，經(jīng)有限元法計(jì)算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云紋圖（如圖2所示）。
由圖2可見該彎管結(jié)構(gòu)在腐蝕凹坑處出現(xiàn)兩處高應(yīng)力區(qū)，其一在腐蝕凹坑缺陷的位置，最大應(yīng)力強(qiáng)度（Von Mises）達(dá)21.254MPa，其應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖3，由圖可清楚的看出該應(yīng)力強(qiáng)度雖發(fā)生在腐蝕凹坑處，壁厚最小的位置，但其應(yīng)力強(qiáng)度值很小，遠(yuǎn)小于彎管材料的許用應(yīng)力值113MPa，按照應(yīng)力分類原理可知該應(yīng)力強(qiáng)度值中還包含有因結(jié)構(gòu)局部薄膜不連續(xù)產(chǎn)生的帶有自限性的峰值應(yīng)力成分。因此從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度角度考慮該結(jié)構(gòu)此時(shí)還是十分安全的。另一個(gè)高應(yīng)力區(qū)發(fā)生在斜接管對(duì)接焊縫處，該區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度值相對(duì)較小，僅為18.6 MPa，從結(jié)構(gòu)分析該處高應(yīng)力是由結(jié)構(gòu)總體薄膜不連續(xù)，在內(nèi)壓力作用下結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中。
二、含缺陷彎管安全性分析
根據(jù)缺陷實(shí)際狀況可以確定該缺陷屬于管道體積缺陷，對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)定。
已知管道外徑2Ro=457mm，管道內(nèi)徑2Ri=221.5mm，
三、結(jié)論
從以上的分析可見，該帶有腐蝕凹坑的斜接彎管，不論依據(jù)有限元法得出應(yīng)力強(qiáng)度，還是從安全性評(píng)定的角度分析該斜接彎管在腐蝕凹坑達(dá)4mm時(shí)依然是安全的。因此，只要對(duì)該腐蝕管段在打磨除去腐蝕銹層，并采用特加強(qiáng)級(jí)防腐處理后，確保該結(jié)構(gòu)不再繼續(xù)受到腐蝕，使缺陷進(jìn)一步加劇，該彎管可以繼續(xù)使用，無需更換。同時(shí)在日常巡線中，加強(qiáng)對(duì)該管段的檢查，即對(duì)不同安全等級(jí)的管段，實(shí)施不同力度的巡線管理，這樣即可以確保管道的運(yùn)行安全，又可以避免因換管造成大范圍停氣，而帶來的經(jīng)濟(jì)損失。若該管段的防腐層再次出現(xiàn)破損，管道局部凹坑腐蝕呈蔓延趨勢時(shí)，應(yīng)依據(jù)腐蝕實(shí)際狀況重新予以評(píng)定，確保管段安全運(yùn)行；隨著“西氣東輸”工程的深入，城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿垒斔徒橘|(zhì)由煤氣或液化石油空混氣變?yōu)樘烊粴?，管道運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)含缺陷的管道進(jìn)行相關(guān)的安全性評(píng)定，當(dāng)安全性評(píng)定結(jié)果表明管道安全性能指標(biāo)達(dá)不到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求時(shí)，應(yīng)更換不安全的管段。
任何設(shè)備和管道在使用中由于種種原因造成這樣或那樣的缺陷是在所難免的，一味的追求完整性是不科學(xué)的，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行安全性評(píng)估既有經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也具有一定的社會(huì)效益。通過對(duì)埋地燃?xì)夤艿赖臋z測與安全性評(píng)估，提供管道企業(yè)制定合理、經(jīng)濟(jì)的埋地管道管理措施提供科學(xué)依據(jù)：可以實(shí)現(xiàn)按照不同的安全級(jí)別，采取不同力度的管理模式，把有限的人力物力用在實(shí)際需要上，盡量減少不必要的更換，同時(shí)確保管道運(yùn)行的安全。
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