基于Matlab編程的含缺陷長輸管道安全評定

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

基于Matlab編程的含缺陷長輸管道安全評定

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

分析各種管道評定標(biāo)準(zhǔn)給出不同裂紋情況相應(yīng)的評價方法，采用GB/T 19624—2004對壁厚為18mm的X80 管段長輸管道工程實(shí)測裂紋進(jìn)行簡化評定，繪制出失效評定圖，得出該管道可以安全運(yùn)行，并給出了最大容許等效裂紋尺寸。對評定過程中的復(fù)雜計算公式進(jìn)行Matlab軟件編程，使得計算過程程序化，提高計算準(zhǔn)確率，降低評定難度。

Matlab編程；長輸管道；安全評定

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，石油天然氣行業(yè)也越來越受到人們的關(guān)注和重視，尤其是油氣長輸管道的安全問題。長輸管道作為高壓、高溫、易燃、易爆介質(zhì)的輸送載體，在腐蝕、焊接、機(jī)械損傷等缺陷的影響下容易造成泄漏、爆炸等災(zāi)難性的事故，帶來巨大的損失。為了減少和避免管道事故的發(fā)生，保證管道安全性，提高管道的整體經(jīng)濟(jì)效益，對于含缺陷長輸管道進(jìn)行安全評定就顯得尤為重要。

1 失效評定概況

含缺陷管道安全評定方法國際上比較認(rèn)可的是英國的R6標(biāo)準(zhǔn)、美國的ASME IWB-3650“鐵素體鋼管道缺陷評定規(guī)程及驗(yàn)收準(zhǔn)則”及其附錄H、美國API 1104、日本JWES 2805以及英國PD 6493標(biāo)準(zhǔn)[14]等。我國最新成果是BG/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》，通過分析國際常用的R6、PD 6493 和 ASME IWB-3650 壓力管道評價標(biāo)準(zhǔn)方法等的基礎(chǔ)理論，針對管道不同裂紋情況，給出以下相關(guān)建議：一般裂紋問題，可采用失效評定圖法評價；對非穿透裂紋，直接計算塑性極限載荷PL和應(yīng)力強(qiáng)度因子KI，以裂紋起裂或塑性失穩(wěn)作為判定管道失效的準(zhǔn)則；若無法確定裂紋管道的PL值，建議采用斷裂力學(xué)的理論和相關(guān)計算進(jìn)行評價；若無法得到PL計算公式的裂紋情況，則可采用有限元法對其進(jìn)行計算評價。綜上所述，本文采用BG/T 19624對一般裂紋進(jìn)行簡化評定，流程如圖1所示。

圖1 安全評定流程圖

2 評定參數(shù)處理

本文選用具有較好強(qiáng)度、剛度及韌性的X80級管線鐵素體鋼，由工程背景及缺陷裂紋檢測表征得到數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基本尺寸

2.1 缺陷規(guī)則化及表征尺寸

參照BG/T -19624得裂紋缺陷可以表征為長2c，高2a的埋藏裂紋，等效裂紋尺寸：

其中：

式中：W為等效裂紋尺寸系數(shù)；

e為埋藏裂紋中心偏離壁厚中心的距離；

B為管道壁厚，mm；

p1為管道表面距埋藏裂紋的距離。

2.2 應(yīng)力計算

總當(dāng)量應(yīng)力：

其中：

式中：Kt為焊縫形狀引起的應(yīng)力集中系數(shù)；

Xb為彎曲應(yīng)力折合系數(shù)；

Xr為焊接殘余應(yīng)力折合系數(shù)；

Pm為一次薄膜應(yīng)力；

Pb為彎曲應(yīng)力；

Q 為缺陷部位熱應(yīng)力的最大值和焊殘余應(yīng)力的最大值的代數(shù)和。

由于是薄壁管道故不考慮彎曲應(yīng)力，管道安裝溫度與工作溫度相差不大故不考慮熱應(yīng)力，裂紋分布在距焊縫較近的地方故需要考慮殘余應(yīng)力。

2.3 材料性能參數(shù)

由工程背景材料中查得管材的基本參數(shù)如下：

彈性模量 E=210GPa；屈服強(qiáng)度σs=552MPa；抗拉強(qiáng)度σb=621MPa； 斷裂韌度δc=0.2112mm；焊縫屈服強(qiáng)度σsW=588MPa 。

2.4 斷裂比、載荷比計算

斷裂比δr計算方法如下：

其中：裂紋尖端張開位移：

鼓脹效應(yīng)系數(shù)：

式中：R：管道半徑，mm；E：彈性模量，MPa。

載荷比Lr計算方法如下：

3 Matlab軟件編程

Matlab誕生于20世紀(jì)70年代末，但現(xiàn)在已成為國際公認(rèn)的最優(yōu)秀的工程應(yīng)用開發(fā)軟件，因此可利用它所提供的信息語言進(jìn)行編程完成特定的工作。

本文采用Matlab工程應(yīng)用軟件對缺陷管道評定過程中的計算公式進(jìn)行編程，將各個公式采用程序設(shè)計的方式用語言編寫成通過輸入直接輸出結(jié)果的簡單化計算，各部分計算運(yùn)行結(jié)果如表2所示。

表2 運(yùn)行參數(shù)結(jié)果

由此可見采用軟件編程的方法省去了平時手工計算的繁瑣，以及過失誤差造成的失誤，且較人工計算準(zhǔn)確且簡單。

4 安全評定

根據(jù)所計算出的斷裂比與載荷比值，繪制失效評定圖如圖2所示。由圖2可見評定點(diǎn)處于安全區(qū)內(nèi)，故該裂紋缺陷不影響長輸管道的正常運(yùn)行。

圖2 失效評定圖

最大允許等效裂紋尺寸計算如下：

由此可見該油氣長輸管道的裂紋在允許尺寸內(nèi)，故評定結(jié)果為可安全使用。

5 結(jié)語

通過各種缺陷評價方法分析得出一般裂紋可采用失效評定圖法進(jìn)行評定，利用Matlab編程對該評定過程中的公式程序化，計算簡單精確，并得出該工程背景下的缺陷裂紋被評定為可繼續(xù)安全運(yùn)行的結(jié)論?？芍?，軟件編程可減少安全評定過程中計算的工作量，提高計算的準(zhǔn)確率，降低評定難度，同時對長輸管道的使用與管理過程有所提升，使長輸管道的評定得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

[1] GB/T 19624—2004,在用含缺陷壓力容器安全評定[S].

[3] 沈士明.在役壓力管道安全評定研究的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國機(jī)械工程，2007（3）：101-104.

[3] 王予東,肖志剛.在役含缺陷油氣管道安全評價準(zhǔn)則[J].油氣儲運(yùn)，2013（32）：1-3.

設(shè)備與自控

許 煥

Safety Evaluation of Long-distance Pipeline Contained Defects based on M atlab Programm ing

XU Huan
(School of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China)

Based on analysis of various pipelines criteria, corresponding evaluation methods for dif ferent condition of crack were given. Using GB/T 19624-2004, the crack of wall thickness 18mm pipe X80 in long distance pipeline engineering measurement was simplif ed assessed, the failure assessment diagram of the pipeline was drawn out. It was got that it could be safely operated, and th e maximum allowable equivalent crack size was given. The Matlab software programm ing was used for complex formula in the evaluation process, and made the process procedural, improved the calculation accuracy and reduced the evaluation diff culty.

Matlab programm ing; long-distance pipeline; safety evaluation

TE 973

B

1671-9905(2014)07-0071-03

許煥（1989-），女，陜西榆林人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)閴毫θ萜骷肮艿赖脑O(shè)計、制造和安全保障的技術(shù)研究

2014-05-12