基于超聲波檢測的管道內(nèi)缺陷剩余強(qiáng)度研究

唐東林，陳 昂，趙 江，王 斌，袁曉紅，任 杰，申鵬飛

基于超聲波檢測的管道內(nèi)缺陷剩余強(qiáng)度研究

唐東林1，陳 昂1，趙 江2，王 斌2，袁曉紅1，任 杰1，申鵬飛1

（1．西南石油大學(xué)石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610500；2．新疆金牛工程建設(shè)有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依834008）①

利用超聲波檢測裝置對管道內(nèi)壁的標(biāo)準(zhǔn)缺陷進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)缺陷的尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。建立管道內(nèi)缺陷的三維模型，采用有限元軟件ANSYS對其失效壓力和等效應(yīng)力進(jìn)行研究，分析不同尺寸的缺陷對管道失效壓力的影響；同時(shí)利用A SmE B31 G評價(jià)準(zhǔn)則對缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得腐蝕缺陷的失效壓力和剩余強(qiáng)度。結(jié)果表明：超聲波檢測技術(shù)在管道內(nèi)腐蝕缺陷檢測具有可行性與可靠性；當(dāng)缺陷深度為壁厚的65%以上時(shí)，隨著缺陷長度的增加，非線性隨機(jī)有限元預(yù)測結(jié)果與A SmE B31 G分析結(jié)果比較接近；當(dāng)缺陷深度約為壁厚的35%時(shí)，隨著缺陷長度的增加，兩者結(jié)果相差較大。

內(nèi)缺陷；超聲波檢測；A SmE B31 G；ANSYS；剩余強(qiáng)度

由于原油中雜質(zhì)的沖刷以及化學(xué)腐蝕，管道內(nèi)部產(chǎn)生不同類型的缺陷。隨著含缺陷管道繼續(xù)服役，缺陷區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中從而嚴(yán)重影響管道承壓能力，對管道的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的危害。為了判斷管道的腐蝕狀況及危害程度，需要對管道的缺陷和剩余強(qiáng)度進(jìn)行檢測分析。

管道內(nèi)腐蝕缺陷檢測主要采用超聲波檢測［1］和漏磁檢測［2］等無損檢測技術(shù)。管道剩余強(qiáng)度分析主要采用ASmE B31G［3］評價(jià)準(zhǔn)則和有限元分析方法；通對流變應(yīng)力和缺陷面積修正［4-5］完善A SmE B31 G評價(jià)準(zhǔn)則，提高剩余強(qiáng)度評價(jià)的準(zhǔn)確性。隨著有限元分析理論的不斷成熟，有限元分析方法對管道缺陷的分析更加精確可靠［6-8］，通過有限元軟件ANSYS對比分析不同強(qiáng)度和材料的管道，隨著缺陷長度、深度和寬度增加以及缺陷之間相互位置的變化，管道剩余強(qiáng)度和失效壓力的變化規(guī)律［9-11］。

對于有限元分析和ASmEB31G適用于何種類型的缺陷，本文利用超聲波檢測裝置對缺陷進(jìn)行檢測并計(jì)算出缺陷尺寸，再利用有限元軟件ANSYS對檢測的缺陷進(jìn)行的剩余強(qiáng)度和失效壓力分析，將分析結(jié)果與ASmEB31G分析結(jié)果進(jìn)行對比，討論有限元和ASmE標(biāo)準(zhǔn)的適用性。

1　超聲波檢測與分析

1．1 超聲波檢測裝置設(shè)計(jì)

超聲波檢測裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由探頭節(jié)、記錄節(jié)和電源節(jié)等組成，采用萬向節(jié)將各節(jié)進(jìn)行連接。探頭節(jié)在采用環(huán)形陣列布局，探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，其內(nèi)部包含探頭信號處理系統(tǒng)和慣導(dǎo)系統(tǒng)；記錄節(jié)用來存儲超聲波信號、慣導(dǎo)信號以及里程信號；電源節(jié)主要對探頭、慣導(dǎo)裝置和里程輪提供電源。通過管道內(nèi)部的壓差驅(qū)動(dòng)該檢測裝置沿輸油管道自動(dòng)行走，在運(yùn)動(dòng)過程中，對輸油管道內(nèi)部腐蝕狀況進(jìn)行全程檢測，并記錄管道內(nèi)部的數(shù)據(jù)，根據(jù)探頭的環(huán)形陣列布局實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)全覆蓋檢測。為保證不低于10%的聲束覆蓋，陣列采用3列90路傳感器，相鄰探頭之間的夾角為12°，列之間夾角為4°。

圖1　超聲波檢測裝置

圖2　超聲波檢測裝置探頭布局

1．2 檢測分析

檢測裝置的探頭采用環(huán)向陣列布局實(shí)現(xiàn)對管道環(huán)向的全覆蓋，從而對缺陷全方位檢測；利用缺陷圖形成像處理技術(shù)和缺陷深度計(jì)算公式對檢測的缺陷信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算缺陷的深度、長度和寬度。

管道內(nèi)缺陷的深度值計(jì)算公式為：

式中：di為在位置i處的缺陷深度，m；uf為反射波的速度，m／s；ti為在位置i處反射回波的時(shí)間，s；t0為探頭在提離高度處測試無缺陷位置發(fā)射回波的時(shí)間，s。

2　剩余強(qiáng)度的評價(jià)方法

2.1 ASmE B31G評價(jià)分析

采用A SmE B31 G的二級評價(jià)方法（有效面積法）對缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

管道內(nèi)缺陷的環(huán)向剩余強(qiáng)度和失效壓力為

膨脹壓力系數(shù)M計(jì)算公式為

當(dāng)L2／Dt≤50時(shí)：

當(dāng)L2／Dt≥50時(shí)：

式中：SF為缺陷管道的環(huán)向剩余強(qiáng)度，MPa；Sflow為材料流變應(yīng)力（Sflow＝σs＋69mPa），但Sflow不能超過拉伸強(qiáng)度σb；σs為屈服強(qiáng)度，M Pa；d為缺陷深度，mm；t為管道壁厚，mm；D為管道外徑，mm；pF為缺陷管道的失效壓力，MPa；L為缺陷長度，mm。

2.2 有限元AnSYS分析方法

2.2.1 模型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

該分析涉及到幾何非線性和材料非線性的彈塑性問題，采用SOLID186單元，將缺陷簡化為對稱形狀，截取缺陷部分的四分之一進(jìn)行分析，將管道模型分割為3個(gè)部分，其中不規(guī)則的缺陷部分采用四面體單元進(jìn)行劃分；規(guī)則部分采用六面體單元進(jìn)行自由掃掠劃分。不同形狀類型的缺陷網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3　不同形狀缺陷網(wǎng)格劃分

2．2．2 施加位移和壓力

由于模型的對稱性，在靠近缺陷的橫截面、縱截面需要施加對稱約束。埋地管道受到內(nèi)壓、土壤壓力以及自重，但是土壤壓力和自重對埋地直管道的影響不是很大，而內(nèi)壓才是管道的主要載荷，因此管道的內(nèi)表面及缺陷表面承受內(nèi)壓載荷。

2．2．3 求解分析

管道的失效主要考慮的是幾何非線性和材料非線性的彈塑性問題。選用M IS O材料模式，為了得到更為精確的塑性分析結(jié)果，應(yīng)該緩慢施加載荷，在一個(gè)時(shí)間載荷步內(nèi)，最大的塑性應(yīng)變增量小于5%。同時(shí)通過開啟自動(dòng)時(shí)間步長來控制載荷的加載，采用線性搜索和預(yù)測器選項(xiàng)加快迭代過程。

2．2．4 失效判斷標(biāo)準(zhǔn)

在缺陷管道的數(shù)值模擬分析中，腐蝕管線一般屬于塑性失效，但對于腐蝕油氣長輸管線，通常采用第四強(qiáng)度理論。

一般情況下，由于管道的管道壁厚較薄，所以環(huán)向應(yīng)力σ3可以忽略不計(jì)，V onmises應(yīng)力σv為：

3　實(shí)例分析

以X56型管線鋼為研究對象，管道外徑為219mm，壁厚t為7．5mm。屈服強(qiáng)度為385mPa，抗拉強(qiáng)度為490mPa，彈性模量為2．06×105M Pa，安全系數(shù)為1．5；管道正常運(yùn)行壓力為1．6mPa。

缺陷的三維形狀如圖4所示。

表1包含標(biāo)準(zhǔn)缺陷尺寸和超聲波檢測分析的缺陷尺寸。標(biāo)準(zhǔn)缺陷是按設(shè)計(jì)的尺寸加工，以便驗(yàn)證超聲波檢測的精度。圖5為超聲波檢測缺陷尺寸的精度分析，圖6～8為缺陷時(shí)失效壓力的影響分析。

表1　標(biāo)準(zhǔn)缺陷尺寸和檢測缺陷尺寸　mm

圖4　缺陷的等效應(yīng)力云圖

圖5　超聲波檢測缺陷尺寸的精度

圖6　標(biāo)準(zhǔn)尺寸的　ANSYS和A SmE失效壓力誤差

圖7　標(biāo)準(zhǔn)缺陷深度對失效壓力的影響

圖8　標(biāo)準(zhǔn)缺陷長度對失效壓力的影響

由圖5對比分析發(fā)現(xiàn)，超聲波檢測技術(shù)在缺陷深度的檢測方面其精度能夠達(dá)到80%左右，利用缺陷圖形成像處理技術(shù)對深度信號進(jìn)行分析，計(jì)算得到的缺陷長度和寬度，計(jì)算結(jié)果的精度在75%左右，表明超聲波檢測技術(shù)在管道內(nèi)腐蝕缺陷的檢測方面可靠性較好。

由圖6～8對比分析發(fā)現(xiàn)，利用有限元分析軟件ANSYS分析的失效壓力大于A SmE B31 G準(zhǔn)則計(jì)算的失效壓力；同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)缺陷深度為壁厚的65%以上時(shí)，隨著缺陷長度的增加，非線性隨機(jī)有限元預(yù)測結(jié)果與A SmE B31 G分析結(jié)果比較接近；當(dāng)缺陷深度為壁厚的35%左右時(shí)，隨著缺陷長度的增加，兩者結(jié)果明顯相差較大。

4　結(jié)論

超聲波檢測技術(shù)在管道內(nèi)腐蝕缺陷檢測方面可靠性高，深度檢測精度可以達(dá)到80%。利用缺陷圖形成像處理技術(shù)對超聲波數(shù)據(jù)分析計(jì)算的缺陷長度和寬度，其分析結(jié)果精度達(dá)到75%。

非線性隨機(jī)有限元分析的失效壓力和ASmEB31G分析的結(jié)果相對誤差比較大，主要在于ASmEB31G準(zhǔn)則沒有考慮寬度等方面的影響。當(dāng)缺陷深度比較大時(shí)，隨著缺陷長度增加，ASmE評價(jià)方法可靠性隨之增高；當(dāng)缺陷深度較小，隨著缺陷長度的增加，ASmE B31G分析結(jié)果與非線性隨機(jī)有限元分析結(jié)果的誤差較大，表明ASmEB31G評價(jià)準(zhǔn)則保守性大。

［1］ JB／T 4730．3—2005，承壓設(shè)備無損檢測第3部分：超聲波檢測［S］．

［2］ N B／T47013．8—2012，承壓設(shè)備無損檢測第8部分：泄漏檢測［S］．

［3］ A SmE B31 G—2009，M anual for determining the remaining strength of corroded pipeline［S］．

［4］ 馬彬，帥健，李曉魁，等．新版A SmE B31 G2009管道剩余強(qiáng)度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性分析［J］．天然氣工業(yè)，2011，31（8）：112-115．

［5］ 張鵬，南立團(tuán)，胡明，等．壓力管道爆裂壓力模型比較研究和改進(jìn)的剩余強(qiáng)度評價(jià)方法［J］．計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2009，12（06）：785791．

［6］ 洪來鳳，孫鐵，趙志海．基于ANSYS的雙點(diǎn)腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度評價(jià)［J］．油氣儲運(yùn)，2010，29（12）：917-920．

［7］ Chauhan V，S wankie T D，Espiner R，et al．Developments inmethods for assessing the remaining strength of corroded pipelines：International A utobody Congress ＆Exposition［C］／／H ouston：National Association of Colleges and Employers，2009：129．

［8］ Freire JLF，Vieira RD，Benjamin AC，et al．Burst tests of pipeline with extensive longitudinalmetal loss ［J］．Experimental Techniques，2006（11）：60-65．

［9］ 崔銘偉，曹學(xué)文．腐蝕缺陷對中高強(qiáng)度油氣管道失效壓力的影響［J］．石油學(xué)報(bào)，2012，33（6）：1086-1092．

［10］ 帥健，張春娥，陳福來．非線性有限元法用于腐蝕管道失效壓力預(yù)測［J］．石油學(xué)報(bào)，2008，29（6）：933-937．

［11］ 崔銘偉，曹學(xué)文．不同鋼級腐蝕管道剩余強(qiáng)度分析方法的對比［J］．油氣儲運(yùn)，2012，31（7）：486490．

［12］ 王鐘羨，黃建業(yè)．X100管線鋼裂紋體的彈塑性斷裂失效分析［J］．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（2）：175-178．

Research on Remaining Strength in Internal Defects of Pipeline Based on Ultrasonic Detectingmethod

TANG Donglin1，CHENAng1，ZHAO Jiang2，WANG Bin2，YUAN Xiaohong1，R E N Jie1，SHEN Pengfei1
（1．Theministry of E ducation Key Laboratory of N atural Gas Equipment，South west PetroleumUniuersity，Chengdu610500，China；2．Xinjiang Jinniu Engineering&Construction Co．，Ltd．，K aramay834008，China）

The normal defects ofinner pipeline were detected by Ultrasonic Testing，the testing results were compared with dimensional data of normal defects；3D defectivemodels of pipeline had been built by using finite element software ofANSYS to study failure and equivalent stress of different sizes，the influence of failure pressure with different size of defects were also analyzed．Mean w hile，ASmE B31 G—2009 was used to analyze defective data and count failure stress and remaining strength of corrosion defects．These results indicate that ultrasonic detecting has both feasibility and reliability in detecting internal corrosion defects of pipeline by results．W hen the defective depth exceeds 65%of the wallthickness and the defective length increases，the predicted results of nonlinear stochastic finite element are comparatively consistent with that of the A SmE B31 G．H owever，w hen the defective depth comes close to 35%，the discrepancies are adequately large with the increase of defective length．

internal defect；ultrasonic testing；A SmE B31 G；ANSYS；remaining strength

TE973．1

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．004

10013482（2015）03001505

①2014-09-15

石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（2010ST-S04）

唐東林（1970-），四川成都人，教授，博士后，主要從事無損檢測技術(shù)、石油裝備安全評價(jià)技術(shù)研究，Email：chen8ang1＠126．com。