X80管道環(huán)焊縫缺陷安全評(píng)定方法對(duì)比研究

武明明，姚安林，蔣宏業(yè)，付冉，陳玉超

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院(四川成都610500)

X80管道環(huán)焊縫缺陷安全評(píng)定方法對(duì)比研究

武明明，姚安林，蔣宏業(yè)，付冉，陳玉超

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院(四川成都610500)

管道環(huán)焊縫缺陷是影響管道正常運(yùn)行的重要因素之一，通過對(duì)國際上常用的焊縫缺陷安全評(píng)定規(guī)范和方法的對(duì)比分析，選擇《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》(GB/T 19624-2004)這一符合我國管道使用情況的規(guī)范:采用其中的失效評(píng)定圖法和U因子工程評(píng)定法對(duì)某X80管道環(huán)焊縫進(jìn)行安全評(píng)定，并對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析，得出適合評(píng)價(jià)此管道的方法為U因子法。根據(jù)評(píng)定結(jié)果確定是否有必要對(duì)管道進(jìn)行維修或更換，節(jié)省了人力和物力資源。

X80管道;環(huán)焊縫缺陷;U因子評(píng)定法;失效評(píng)定圖法

近10年來，隨著中國天然氣需求量的大幅度增長，管道輸送能力也日益增強(qiáng)，天然氣輸送用管線鋼級(jí)別從X60迅速提高到了X80。2005年在冀寧線上建成了中國首條X80鋼級(jí)管道應(yīng)用工程，而西氣東輸二線管道是中國首次大規(guī)模采用X80建設(shè)的長距離輸氣管道，其長度達(dá)到4 843km，超過了國外所有X80管道的總長[1]?？梢灶A(yù)見，未來X80管線鋼在天然氣輸送方面的使用范圍將更加廣泛。

X80管線鋼是目前國際上輸氣管道的主導(dǎo)鋼材，它屬于控軋控冷的低碳微合金鋼，具有高強(qiáng)度和良好的抗延性斷裂能力[2]。X80管線鋼在制造、安裝、使用過程中不可避免地會(huì)存在各種缺陷，有可能使管道發(fā)生泄漏或爆炸事故，而環(huán)焊縫缺陷是導(dǎo)致事故發(fā)生的重要因素之一。因此有必要對(duì)日益普及的X80鋼管進(jìn)行環(huán)焊縫缺陷安全評(píng)定，既能保障管道運(yùn)行安全，還能使大量含缺陷管道避免不必要的返廠維修和更換。

1 常用管道環(huán)焊縫缺陷安全評(píng)定規(guī)范概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)和力學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的快速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)在安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用日益廣泛，在高強(qiáng)度鋼材的大量使用、設(shè)計(jì)壓力的逐步提高、焊接技術(shù)的不斷機(jī)械化以及工藝操作嚴(yán)格化等因素的影響下，各國都不斷修訂和完善評(píng)定規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，使得評(píng)定過程更為成熟，評(píng)定方法更加普及。常用管道環(huán)焊縫缺陷安全評(píng)定規(guī)范主要有以下幾種：

1)英國含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)簡稱為R6，是目前含缺陷壓力容器安全評(píng)定廣泛采用的方法[3]。

2)美國EPRI評(píng)定規(guī)程。EPRI評(píng)定規(guī)程是“含缺陷壓力容器及管道的完整性評(píng)定規(guī)程”的簡稱，該規(guī)程分為兩部分：較簡單的用于典型的核級(jí)壓力容器評(píng)定，另一種用于其他鋼材，并能適用于更薄截面的部件[4]。

3)歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法(SINTAP)。該規(guī)范在壓力容器評(píng)定規(guī)范領(lǐng)域內(nèi)具有代表意義，它涉及塑性破壞、脆斷領(lǐng)域以及二者間的相互作用，并提出一種估算缺陷形狀變化的新方法[5]。

4)ASME管道缺陷評(píng)定規(guī)范。該規(guī)范先對(duì)含缺陷管道的失效模式進(jìn)行篩選，然后根據(jù)不同的失效模式分別進(jìn)行評(píng)定。此規(guī)范考慮了材料撕裂后抗力增加，能完成韌性撕裂失穩(wěn)極限載荷分析[6]。

5)美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 579。該標(biāo)準(zhǔn)采用逐級(jí)推進(jìn)的評(píng)定形式，更多反映了承壓設(shè)備安全評(píng)估的需要，在較大范圍內(nèi)給出了在役設(shè)備及其材料裂化損傷的安全評(píng)估方法[7]。

6)以斷裂力學(xué)J積分為判據(jù)的評(píng)定方法。含缺陷壓力管道使用該評(píng)定方法一方面可以評(píng)定管道所含裂紋的啟裂，另一方面能夠計(jì)算裂紋的擴(kuò)展趨勢(shì)，得到的分析結(jié)果較為全面。

7)我國在用壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)范GB/T19624 -2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》[8]，這一規(guī)范中的評(píng)定方法較適合我國含缺陷管道的安全評(píng)定。

2 常用管道環(huán)焊縫缺陷安全評(píng)定方法

由于各國管道可能在多個(gè)方面都存在著差異，如管材材料、設(shè)計(jì)原理、輸送介質(zhì)、敷設(shè)方式、焊接方法等，從而壓力管道安全評(píng)定的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)環(huán)焊縫缺陷安全評(píng)定方法也各不相同，常用安全評(píng)定方法有[9]：失效評(píng)定圖法(FAD)、U因子安全評(píng)定法、局部減薄缺陷的塑性失效評(píng)定法、ASMEIWB-3650壓力管道缺陷評(píng)定法以及焊縫質(zhì)量等級(jí)評(píng)定方法等。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及編程人員技能的提高，也相應(yīng)地研發(fā)出對(duì)含缺陷壓力管道進(jìn)行安全評(píng)定的專家系統(tǒng)。常用管道安全評(píng)定方法對(duì)比見表1。

由表1可見，失效評(píng)定圖法和U因子評(píng)定法具有評(píng)定過程簡便、評(píng)定結(jié)果精確的優(yōu)點(diǎn)，因此筆者分別采用這兩種方法對(duì)某X80管道進(jìn)行安全評(píng)定。

3 管道環(huán)焊縫缺陷評(píng)定

X80是高強(qiáng)度管線鋼的美國分類型號(hào)，其最小屈服值為551MPa。該鋼屬于高度的潔凈鋼，通過形變強(qiáng)化使材料具有較高的強(qiáng)韌性，因而對(duì)焊接加工提出了特殊的要求。X80管線鋼在焊接時(shí)容易出現(xiàn)的缺陷是裂紋，其他焊接缺陷和其他鋼種的焊接類似，有未焊透、夾渣、氣孔和焊縫外觀缺欠等[10]。

以西氣東輸某X80管道為例，此管道某一段上存在環(huán)焊縫缺陷，為了使管道的運(yùn)行更加安全，需要對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)定。管道原始數(shù)據(jù)：管道材料為X80鋼材，管道內(nèi)介質(zhì)為天然氣，管道工作壓力為12MPa，設(shè)計(jì)壓力為18MPa，管道腐蝕余量C2為1mm，管道公稱直徑D為1 219mm，壁厚t為18.4mm。查得材料性能參數(shù)為：屈服強(qiáng)度σs=550MPa，抗拉強(qiáng)度σb=610 MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。

經(jīng)檢測(cè)得到管道的缺陷參數(shù)：實(shí)測(cè)管道最小厚度δn=15mm，管道存在一焊縫缺陷，缺陷最大深度a=7mm，沿軸向長度為20mm。

3.1 U因子評(píng)定方法

國家標(biāo)準(zhǔn)《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》[8](GB/T 19624-2004)中對(duì)壓力管道平面缺陷采用了U因子工程評(píng)定方法。此評(píng)定方法適用于任意應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系材料、任意材料斷裂韌度，而且評(píng)定過程簡便，評(píng)定精度高。針對(duì)西氣東輸某X80管道存在的環(huán)焊縫缺陷情況，采用此標(biāo)準(zhǔn)中的U因子評(píng)定方法對(duì)該缺陷進(jìn)行評(píng)定。

3.1.1 U因子評(píng)定法評(píng)定步驟

1)材料性能數(shù)據(jù)的確定。

2)應(yīng)力的確定。

3)管道材料斷裂韌度的確定。

4)起裂時(shí)載荷比和許可流變應(yīng)力比的確定。

5)U因子評(píng)定法。

6)安全性評(píng)價(jià)。

3.1.2 管道材料斷裂韌度的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[8]附錄G.4.1中材料性能數(shù)據(jù)確定的特殊規(guī)定，未焊透缺陷的斷裂韌度的下限值JC可取2.2Akv。由于缺乏在役材料夏比V型缺口沖擊功Akv的具體數(shù)據(jù)，但能判斷該材料適用于壓力管道，且在使用狀況下無脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此可取壓力管道材料容許的最低值27J，則JC=2.2Akv=59.4N/mm。

評(píng)定計(jì)算用斷裂韌度Kc值，可按文獻(xiàn)[8]中公式進(jìn)行估算：

計(jì)算得Kc=3 666.95N/mm3/2

3.1.3 應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)管系應(yīng)力分析確定缺陷處管道橫截面的彎矩MB為10.5×107N·mm，拉力F為8×105N，內(nèi)壓為12MPa。按文獻(xiàn)[8]G.4.2.1中的公式(2)、(3)分別計(jì)算評(píng)定所需的軸向膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力：

其中R為管道中間面半徑，R=600.3mm;Ri為管道內(nèi)半徑，Ri=591.1mm;B為管道有效厚度，B=δn-C2=14mm。

將各值代入式(2)和式(3)得：σm=264.6MPa，σB= 6.63MPa。

3.1.4 起裂時(shí)載荷比和許可流變應(yīng)力比的確定

管道缺陷深度a=7mm，管道有效厚度B=14mm，則a/B=0.5;缺陷半包角為θ=π/5，則θ/π=0.2;無量綱系數(shù)

根據(jù)a/B和Y由文獻(xiàn)[8]表G.1查得管道起裂時(shí)載荷比Lr=1.71;根據(jù)a/B和θ/π由文獻(xiàn)[8]表G.2查得許可流變應(yīng)力比=1.071。

3.1.5 安全性評(píng)價(jià)

按式(4)計(jì)算U因子值：

(當(dāng)U＜1時(shí)，取U=1)計(jì)算得U=0.617，故取U=1。

按式(5)計(jì)算含缺陷管道當(dāng)量許用應(yīng)力[σ]

其中n為安全系數(shù)，按文獻(xiàn)[8]表5.1規(guī)定，取n=1.5，計(jì)算得[σ]=414.12MPa。

當(dāng)?shù)禺?dāng)量總應(yīng)力σ=σm+σB=271.23MPa。

文獻(xiàn)[8]附錄G規(guī)定平面缺陷安全性評(píng)價(jià)條件為σ≤[σ]，若能滿足此條件，則評(píng)定結(jié)果為安全或可以接受;否則，為不能保證安全或不可接受。

評(píng)定結(jié)果：由于σ＜[σ]，該X80管道環(huán)焊縫缺陷安全，該缺陷可以接受。

3.2 失效評(píng)定圖法

失效評(píng)定圖法(FAD)具有評(píng)價(jià)過程簡便，評(píng)價(jià)結(jié)果又不失安全的性能而廣泛應(yīng)用于工程界。在評(píng)定含缺陷壓力管道時(shí)，首先選擇相應(yīng)的失效評(píng)定圖，然后將計(jì)算出的評(píng)定點(diǎn)(Kr，Lr)繪制在圖中，根據(jù)評(píng)定點(diǎn)和評(píng)定曲線的位置關(guān)系判定管道是否失效。若評(píng)定點(diǎn)位于評(píng)定曲線(FAC)的下方(安全區(qū))，那么可以判定此管道缺陷是安全的;若評(píng)定點(diǎn)處于失效評(píng)定曲線的上方(失效區(qū))，那么可以判定此管道缺陷將失效，需要對(duì)管道進(jìn)行維修或更換。

3.2.1 失效評(píng)定圖法評(píng)定步驟

失效評(píng)定圖法評(píng)定步驟如圖1所示。

3.2.2 確定缺陷參數(shù)

平面缺陷的表征。缺陷的實(shí)際情況如圖2(a)所示，對(duì)管道進(jìn)行缺陷規(guī)則化表征處理，將其表征為規(guī)則的裂紋狀表面缺陷，表征后裂紋的形狀為半橢圓形，表征裂紋尺寸由缺陷外接矩形的長和高確定。缺陷的表征尺寸如圖2(b)所示。

為使評(píng)定結(jié)果更為可靠，安全系數(shù)選為1.1，計(jì)算用缺陷尺寸，計(jì)算方法為：缺陷表征尺寸乘以安全系數(shù)，得表征裂紋高度h=7.7mm，裂紋沿殼體方向的半長c=11mm

按式(6)計(jì)算縱截面上應(yīng)力σφ：

由應(yīng)力分解得到一次薄膜應(yīng)力Pm=596.25MPa，一次彎曲應(yīng)力Pb=0。

考慮焊接殘余應(yīng)力，二次薄膜應(yīng)力為Qm=，焊接殘余應(yīng)力在截面上的最大值取管道材料的屈服強(qiáng)度σs，故Qm為165MPa，二次彎曲應(yīng)力Qb為0。

考慮失效后果嚴(yán)重性，各類應(yīng)力均乘以分安全系數(shù)，一次應(yīng)力的分安全系數(shù)為1.5，二次應(yīng)力的分安全系數(shù)為1.0，并作為評(píng)定計(jì)算的應(yīng)力：Pm=894.37 MPa，Pb=0，Qm=165MPa，Qb=0。

3.2.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算

式中：fm、fb分別為計(jì)算由薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力引起的裂紋尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子所用的裂紋構(gòu)形因子，fm、fb依據(jù)附錄D計(jì)算分別為0.877和0.254，故一次應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子=3 856.8 N/mm3/2，二次應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子=711.53 N/mm3/2。

3.2.4 斷裂比的計(jì)算

斷裂比的計(jì)算式為：

評(píng)定用材料斷裂韌度計(jì)算式為：

載荷比的計(jì)算式為：

鼓脹效應(yīng)計(jì)算式為：

根據(jù)式(11)和式(12)計(jì)算，結(jié)果為：Mg=1.00，Lr=0.044。

查材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)，此管材平面應(yīng)變斷裂韌度KIC取3 548MPa·mm1/2，考慮斷裂后果嚴(yán)重性，分安全系數(shù)n1取1.2，故Kp=93 498.67N/mm3/2。不考慮裂紋群影響，裂紋干涉效應(yīng)因子G取1，又因?yàn)檩d荷比Lr＜1.1，根據(jù)文獻(xiàn)[8]得塑性修正因子ρ=0.02，將數(shù)據(jù)代入式(9)后得Kr=0.27。

常規(guī)評(píng)定通用失效評(píng)定圖已知評(píng)定曲線，計(jì)算得到的Kr=0.27和Lr=0.24確定失效評(píng)定點(diǎn)(Lr，Kr)，并將其描繪在圖中相應(yīng)的位置，如圖3所示。由圖中評(píng)定點(diǎn)與評(píng)定曲線的位置關(guān)系可以看出，評(píng)定點(diǎn)在曲線的下方，屬于安全區(qū)域，表示該缺陷對(duì)管道正常運(yùn)行的危害性較小，無需進(jìn)行管道更換或返修。

4 分析與比較

U因子工程評(píng)定方法可適用于任意材料斷裂韌度、任意應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的材料，此方法能夠自由選擇安全系數(shù)，并且評(píng)定過程簡單，評(píng)定精度高，適用于周向面型缺陷壓力管道的評(píng)定，但只適用于扭矩載荷不大的情況[11]。相比之下，失效評(píng)定圖評(píng)定過程中需要大量的缺陷及管材參數(shù)，并且需要針對(duì)不同材料建立失效評(píng)定曲線，評(píng)定過程較為復(fù)雜。

由于X80管道環(huán)焊縫缺陷較小，扭矩載荷不大，針對(duì)本管道具有事先編制的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表，參數(shù)容易獲得，因此更適合采用U因子工程評(píng)定方法，評(píng)定過程簡單且結(jié)果更為精確。采用失效評(píng)定圖評(píng)定此管道環(huán)焊縫缺陷時(shí)，需要根據(jù)規(guī)范選擇特定的失效評(píng)定曲線，由于沒有考慮每種材料的特性，本文所選曲線對(duì)應(yīng)的管材參數(shù)與實(shí)際存在偏差，評(píng)定結(jié)果具有一定的保守性，評(píng)定結(jié)果相對(duì)較為直觀。

5 結(jié)論

1)對(duì)國內(nèi)外常用壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)范及方法進(jìn)行了總結(jié)及對(duì)比分析。

2)選擇《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》(GB/T 19624-2004)這一符合我國管道使用情況的規(guī)范，采用其中的失效評(píng)定圖法和U因子工程評(píng)定法對(duì)某X80管道環(huán)焊縫平面缺陷進(jìn)行安全評(píng)定，詳細(xì)地呈現(xiàn)出評(píng)定步驟及計(jì)算過程，并對(duì)2種方法進(jìn)行比較，得出適合評(píng)價(jià)此管道的方法為U因子法。

3)2種評(píng)定方法得出的結(jié)論都為缺陷可以接受，因此不需要更換管道或修補(bǔ)，節(jié)省了人力和物力資源。

[1]張斌，錢成文，王玉梅，等.國內(nèi)外高鋼級(jí)管線鋼的發(fā)展及應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2012，38(1):1-4.

[2]劉志毅.X80管線鋼環(huán)焊縫焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[3]R/H/R6-Revision 3-1997 Assessment of the Integrity of Structure Containing Defects[S].

[4]EPRI and Noveltech Corporation.Ductile Fracture Handbook：Volume1[R].California:Research Reports Center Palo Alto，1991:20-25.

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[6]ASME B&PV Code Case N-480-1990 Examination Requirements for Pipe Well Thinning Due to Single Phase Erosion and Corrosion[S].

[7]API 579-1/ASME FFS-1-2007 Fitness-for-Service-Second Edition[S].

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[11]李倩倩，張巨偉.含缺陷壓力管道簡化因子評(píng)定方法的研究[J].當(dāng)代化工，2011，40(9):978-981.

The defect in pipeline circular weld is one of the important factors that influence the normal operation of pipeline.Through the analysis and comparison of international common weld defect safety assessment standards and methods，it is found that“safety assessment of pressure vessels with defects”(GB/T19624-2004)is more suitable to pipeline use situation of our country.The circular welds of a X80 pipeline are evaluated using failure assessment diagram method and U factor engineering assessment method in GB /T19624-2004，and the evaluation results of two methods were compared and analyzed.The results show that the U factor method is more suitable for the evaluation of the pipeline.According to the assessment results，it is can be determined whether to repair or replace the pipeline，which saves the manpower and material resources.

X80 steel pipeline;defect in circular weld;U factor assessment method;failure assessment diagram method

王梅

2015-04-24

武明明(1990-)，女，碩士，主要從事油氣管道安全評(píng)價(jià)研究。