管道的失效評(píng)定方法研究

常方圓 馬貴陽(yáng) 冉龍飛 安利姣

摘 要：管道是油氣輸送的主要形式，在國(guó)民生產(chǎn)、生活中起著重要作用。由于管道輸送介質(zhì)的易燃、易爆等特點(diǎn)，正在服役的管道由于承受載荷過(guò)大、過(guò)量變形等原因引發(fā)管道產(chǎn)生失效行為，其后果可能污染環(huán)境，引發(fā)人員傷亡，造成經(jīng)濟(jì)損失?；诠艿朗鶐?lái)危害的災(zāi)難性，實(shí)際工程中采用失效評(píng)定圖法、基于應(yīng)力的失效評(píng)定方法、基于應(yīng)變的失效評(píng)定方法作為管道失效行為的判定依據(jù)，對(duì)管道的失效情況作出評(píng)定，以保證管道安全、可靠、高效運(yùn)行。

關(guān) 鍵 詞：管道；介質(zhì)；易燃；易爆；失效

中圖分類號(hào)：TE 832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1580-03

Study on Failure Assessment Method for Pipelines

CHANG Fang-yuan， MA Gui-yang， RAN Long-fei， AN Li-jiao

（Liaoning Shihua University ， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract：Pipeline is the main way to transport oil and gas， and it plays an important role in the national production and life. Because the medium of pipeline transportation is flammable， explosive and other characteristics， the failure of pipeline in service due to too large load or excessive deformation may pollute the environment， cause casualties and economic loss. Based on catastrophic damages of pipeline failure in the actual engineering， the failure assessment diagram method， the failure assessment method， stress based failure assessment method are usually used to assess the pipeline failure， in order to ensure safe ，reliable and efficient operation of the pipeline.

Key words：Pipeline；Medium；Flammable；Explosive；Failure

管道作為油氣資源輸送的主要方式，為“西氣東輸”等長(zhǎng)距離油氣輸送管線的建立起著重要作用，并促使輸送管網(wǎng)的進(jìn)一步完善。由于管道鋪設(shè)距離的進(jìn)一步增加，管道不可避免的會(huì)經(jīng)過(guò)各種地質(zhì)災(zāi)害（如地震、塌陷、滑坡、泥石流等）頻發(fā)區(qū)，可能對(duì)管道的安全運(yùn)行造成影響。因?yàn)槭艿礁鞣N地質(zhì)災(zāi)害影響的管道，在拉伸載荷、壓縮載荷等多種載荷的共同作用下，管道可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，過(guò)量變形可導(dǎo)致管道斷裂失效。因此在進(jìn)一步延長(zhǎng)油氣輸送管線距離的同時(shí)，應(yīng)確保管道的安全運(yùn)行，需及時(shí)、正確的對(duì)管道的適用情況和失效情況作出評(píng)定[1，2]。

因?yàn)橥ㄟ^(guò)管道失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以降低管道事故的發(fā)生概率，減少因?yàn)椴槐匾墓艿谰S修和更換帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)成本，這對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益，保證管道安全、高效運(yùn)行有著重要意義。

1 油氣管道的失效模式及原因

根據(jù)管道失效的各種案例分析得出，油氣管道的失效模式有斷裂、過(guò)量變形、腐蝕、機(jī)械損傷四種[3]，如表1所示。針對(duì)油氣管道的失效模式，其失效原因包括外部干擾、腐蝕、焊接及材料缺陷、設(shè)備和操作等原因。依據(jù)實(shí)際管道失效案例分析得出油氣管道失效原因，如表2所示。

表1 油氣管道的失效模式

Table 1 The failure mode of oil and gas pipeline

失效原因 分 類

外部干擾 第三方人為造成的機(jī)械損傷

地面交通因素引起的疲勞失效

自然災(zāi)害引起的管道損傷

腐蝕 內(nèi)腐蝕：輸送介質(zhì)引起

外腐蝕：外部環(huán)境引起

焊接及材料缺陷 焊接缺陷和材料缺陷

設(shè)備和操作 設(shè)備故障和違規(guī)操作

其他原因 混合型原因和未知原因

表2 油氣管道失效原因

Table 2 Oil and gas pipeline failure

模式類型 分 類

斷裂 脆性斷裂：斷口以結(jié)晶狀為主

延性斷裂：斷口以剪切狀為主

疲勞斷裂

應(yīng)力腐蝕和氫致開裂

過(guò)量變形 過(guò)載引起的屈曲、伸長(zhǎng)、膨脹等

外力引起的壓扁

焊接引起的變形

腐蝕 內(nèi)腐蝕、表面腐蝕、化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕

機(jī)械損傷 第三方人為造成的機(jī)械損傷

2 管道失效判定方法

隨著世界各國(guó)對(duì)管道失效行為的進(jìn)一步研究，已經(jīng)提出各種工程失效評(píng)定方法或規(guī)范。依據(jù)實(shí)際情況采用不同的失效評(píng)定方法或規(guī)范，保證失效評(píng)定的正確性。

2.1 失效評(píng)定圖法

失效評(píng)定圖法最為常用，最初該方法是由D-M模型發(fā)展而來(lái)的，在極限狀態(tài)下[5，6]：

（1）

依據(jù)（1）式，以Lr為橫坐標(biāo)，Kr為縱坐標(biāo)，得到如圖1所示的失效評(píng)定圖：

圖1 基于D-M模型的失效評(píng)定圖

Fig.1 The failure assessment diagram based on D-M model

失效評(píng)定圖法對(duì)彈性斷裂和塑性失穩(wěn)兩種情況作出判定，當(dāng)Kr=1時(shí)，為線彈性斷裂判定依據(jù)；Lr=1時(shí)，為塑性失穩(wěn)的判定依據(jù)。通過(guò)Kr和Lr 確定評(píng)價(jià)點(diǎn)在失效評(píng)定曲線的內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，若外側(cè)則評(píng)價(jià)管道的結(jié)構(gòu)不安全。

2.2 基于應(yīng)力的失效評(píng)定方法

實(shí)際工程管道設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，即管道所受的最大應(yīng)力應(yīng)小于管材的最小屈服應(yīng)力。在評(píng)定管道失效行為時(shí)，管道的強(qiáng)度應(yīng)同時(shí)滿足兩個(gè)條件，即環(huán)向應(yīng)力條件和組合應(yīng)力條件[7]：

環(huán)向應(yīng)力條件：

（2）

對(duì)于薄壁管道，忽略徑向應(yīng)力，只考慮環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。常用評(píng)價(jià)管道失效的校核條件為Tresca屈服條件和Mises屈服條件，兩種屈服條件的只主要區(qū)別在于主應(yīng)力σ2對(duì)屈服是否起作用。

Tresca屈服條件：

（3）

Mises屈服條件：

（4）

式中：φ-設(shè)計(jì)系數(shù)；σs -管材的最小屈服強(qiáng)度。

2.3 基于應(yīng)變的失效評(píng)定方法

為防止管道受外界載荷作用產(chǎn)生過(guò)量變形，導(dǎo)致管道產(chǎn)生失效行為，可采用基于應(yīng)變的失效評(píng)定方法來(lái)評(píng)價(jià)管道失效。管道應(yīng)變能力分為壓縮應(yīng)變、拉伸應(yīng)變以及橢圓化變形的限制[8，9]。在各種載荷共同作用下，管道應(yīng)變能力應(yīng)滿足以下條件：

壓縮應(yīng)變：

（5）

拉伸應(yīng)變：

（6）

橢圓化變形：

（7）

式中：φcf -壓縮應(yīng)變的阻力因子；

φct -拉伸應(yīng)變阻力因子。

在缺乏具體信息時(shí)，管道的極限拉伸應(yīng)變?chǔ)舤crit、極限壓縮應(yīng)變?chǔ)與crit和臨界橢圓化變形率Δθcrit按照加拿大油氣管道規(guī)范CSA-2662 2007要求計(jì)算得到。

3 算例

某管線為例，按照以上方法，對(duì)該管線分別基于應(yīng)力和應(yīng)變兩種方法進(jìn)行安全評(píng)定，得到評(píng)定結(jié)果。

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)：管徑0.508，壁厚0.008 7，鋼級(jí)X60，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，最小屈服強(qiáng)度414 MPa，內(nèi)壓，線膨脹系數(shù)1.2×10-5 mm/（mm·℃），操作溫度和安裝溫度之差為40 ℃，管道的設(shè)計(jì)系數(shù)取值為0.72。

（2）缺陷尺寸參數(shù)：最大可接受表面缺欠參數(shù)：長(zhǎng)25 mm，深5 mm；拉伸應(yīng)變阻力因子φεf，無(wú)內(nèi)壓取0.8，有內(nèi)壓0.7；壓縮應(yīng)變阻力因子φεc取0.8；表觀CTOD韌性δ：0.24 mm；屈強(qiáng)比λ：0.9。

計(jì)算結(jié)果如下：

（1） 基于應(yīng)力評(píng)定：

環(huán)向應(yīng)力：

上述計(jì)算過(guò)程表明滿足管道強(qiáng)度要求。

內(nèi)壓引起的管道軸向應(yīng)力：

溫度引起的管道熱應(yīng)力：

管道軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的組合應(yīng)力不應(yīng)大于0.72σs。

組合應(yīng)力：

上述計(jì)算過(guò)程表明滿足強(qiáng)度要求。

理論計(jì)算得到管道的環(huán)向應(yīng)力和組合應(yīng)力同時(shí)滿足強(qiáng)度要求，所以管道處于安全工作狀態(tài)。

（2）基于應(yīng)變?cè)u(píng)定：

應(yīng)用加拿大CSA-Z662油氣管道標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算管道的極限拉伸應(yīng)變和極限壓縮應(yīng)變，計(jì)算結(jié)果如表3所示：

表3 管道的極限應(yīng)變和容許應(yīng)變

Table 3 Ultimate strain and allowable strain of pipeline

應(yīng)變類型 拉伸應(yīng)變，% 壓縮應(yīng)變，%

極限應(yīng)變 0.57 0.80

容許應(yīng)變 0.40 0.64

基于選取的拉伸或壓縮應(yīng)變阻力因子，理論計(jì)算得到管道的極限應(yīng)變和容許應(yīng)變，應(yīng)用文中介紹的基于應(yīng)變的評(píng)定方法判定管道的適用情況和失效情況，得到在有內(nèi)壓情況下，該管線管道滿足應(yīng)變要求，處于適用階段，能夠繼續(xù)使用。

4 結(jié) 論

針對(duì)油氣管道的失效模式、失效原因，采用不同的管道失效評(píng)定方法，對(duì)管道失效作出比較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，以保證管道安全、高效運(yùn)行，最大限度的減少輸送費(fèi)用。

分析上述三種管道失效評(píng)定方法，失效評(píng)定圖法理論嚴(yán)格、操作簡(jiǎn)便、安全可靠，并可對(duì)線彈性斷裂和塑性失穩(wěn)作出判定，適用于含裂紋缺陷的油氣管道。基于應(yīng)力的失效評(píng)定方法在強(qiáng)度校核過(guò)程中，針對(duì)管道鋪設(shè)所經(jīng)地區(qū)等級(jí)的不同，管道設(shè)計(jì)系數(shù)取值不同。根據(jù)設(shè)計(jì)系數(shù)完成管材最小屈服應(yīng)力到許用應(yīng)力的計(jì)算。基于應(yīng)變的失效評(píng)定方法對(duì)管材性能要求較高，需考慮拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等參數(shù)，因?yàn)榛趹?yīng)變的失效評(píng)定方法依賴于管道屈服后的受力情況。通過(guò)實(shí)際管線的參數(shù)，分別通過(guò)基于應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)該管線的失效以及適用情況作出評(píng)定，結(jié)果表明管道適用，但是強(qiáng)度要求已經(jīng)接近極限取值，在管道運(yùn)行中，應(yīng)采取措施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦達(dá)不到要求，應(yīng)采取相應(yīng)的措施保證管道安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]李新運(yùn)，常勇，李望，等.重大工程項(xiàng)目災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1998，7（4）：25-29.

[2]Moan T. Current trends in the safety of off shore structures [A].Proceeding of the seventh international offshore engineering conferences[C].USA， 1998： 420-427.

[3]李鶴林，李霄，吉林康，等.油氣管道基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)及抗大變形管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用[J].焊管，2007，30（5）：5-11.

[4]姜為夷.油氣管道失效與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2014：112-113.

[5]帥健，于桂杰.管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)[M].，北京：石油工業(yè)出版社，2006：162-165.

[6]盧黎明，胡兆吉，高勁松，等.失效評(píng)定圖技術(shù)及其在含缺陷壓力管道安全評(píng)定中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2006，27（3）：51-55.

[7]帥健.管線力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010：4-7.

[8]馬明利.慶一哈輸油管道腐蝕缺陷評(píng)估與補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)：東北石油大學(xué)，2011.

[9]周劍秋.失效評(píng)定圖在含缺陷壓力管道斷裂評(píng)定中的應(yīng)用[J].化工機(jī)械，1997，13（3）：89-91.

中國(guó)成為全球鉀肥新引擎

中國(guó)鉀鹽鉀肥工業(yè)經(jīng)歷50多年的發(fā)展，成為繼加拿大、俄羅斯和白俄羅斯之后的第四大鉀鹽鉀肥生產(chǎn)國(guó)。同時(shí)，中國(guó)的鉀鹽鉀肥研究水平也達(dá)到全球領(lǐng)先。中國(guó)無(wú)機(jī)鹽工業(yè)協(xié)會(huì)鉀鹽鉀肥行業(yè)分會(huì)會(huì)長(zhǎng)李剛表示：“中國(guó)鉀鹽鉀肥行業(yè)在全球具有舉足輕重的地位和作用。在產(chǎn)能方面，十二五”期間，中國(guó)鉀鹽鉀肥工業(yè)得到快速發(fā)展，到2014年底，中國(guó)共有鉀肥生產(chǎn)企業(yè)200多家，資源型鉀肥產(chǎn)能682萬(wàn)噸/年，產(chǎn)量553萬(wàn)噸（以K2O計(jì)）。目前中國(guó)鉀鹽鉀肥已形成了科研、設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、施工安裝、生產(chǎn)、銷售、農(nóng)化服務(wù)等一套完整的工業(yè)體系，產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力也在不斷增強(qiáng)。

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所、中國(guó)工程院院士鄭綿平指出，在科技方面，中國(guó)鉀鹽鉀肥工業(yè)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，在資源勘探開發(fā)方面打破了“中國(guó)鉀資源赤貧、中國(guó)無(wú)鉀可尋”的老論斷。這主要是由于我們有技術(shù)和資源綜合利用方面取得一系列新成果，擁有了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科技成果。中科院青海鹽湖研究所常務(wù)副所長(zhǎng)段東平認(rèn)為，中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所建所以來(lái)多次組織鹽湖科考隊(duì)，行程數(shù)十萬(wàn)公里，對(duì)全國(guó)的主要鹽湖資源進(jìn)行了系統(tǒng)深入的調(diào)查，積累了豐富的基礎(chǔ)資料，基本摸清了中國(guó)鹽湖情況，初步建立了高原鹽湖成鹽演化、成礦規(guī)律的理論體系。