在用液化天然氣管道內(nèi)凹缺陷的安全評估

董群

南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210019

在用液化天然氣管道內(nèi)凹缺陷的安全評估

董群

南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210019

由于壓力管道長周期運(yùn)行的特點(diǎn)，其在使用過程中無法及時(shí)停車，因此如何對含缺陷在用壓力管道進(jìn)行準(zhǔn)確安全評估一直是石油化工企業(yè)面臨的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。針對某液化石油氣公司在用液化石油氣壓力管道定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的焊縫內(nèi)凹缺陷，基于GB/T 19624—2004評定方法對該缺陷進(jìn)行安全評定，評定結(jié)果顯示該缺陷小于臨界尺寸，在現(xiàn)行操作工況下是可以接受的，管道目前可以繼續(xù)使用。最后給出了管道后續(xù)運(yùn)行中的建議。

液化石油氣；含缺陷壓力管道；安全評估

液化石油氣管道是液化氣公司的大動(dòng)脈，一旦發(fā)生泄漏、破壞等事故，后果不堪設(shè)想，有可能造成巨大的生命和經(jīng)濟(jì)損失。目前，我國針對含缺陷在用壓力管道進(jìn)行安全評估工作已經(jīng)日趨成熟[1-9]。本文針對某液化石油氣公司含內(nèi)凹缺陷的液化石油氣管道進(jìn)行安全評估，為企業(yè)降低風(fēng)險(xiǎn)和減少維修周期、費(fèi)用提供技術(shù)支撐。

1 項(xiàng)目概述

2016年，某液化氣公司進(jìn)行液化氣管道全面檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一氣相管道的焊口存在超標(biāo)內(nèi)凹焊縫缺陷。按照在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程，該管道安全狀況等級評為4級。為保障管道的安全運(yùn)行，對超標(biāo)的焊縫缺陷進(jìn)行試評定。管道基本參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力為1.8 MPa，設(shè)計(jì)溫度為50℃，管道規(guī)格D57 mm× 3.5 mm，材質(zhì)為20#鋼，介質(zhì)為液化石油氣。該管道缺陷情況見表1。

2 管道材料常溫性能

20#鋼是常見的管道材料，根據(jù)GB/T 20801.2-2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第2部分：材料》[10]以及《壓力容器材料實(shí)用手冊-碳鋼及合金鋼》，20#鋼的力學(xué)性能見表2。

表1 缺陷情況

表2 20#鋼常溫力學(xué)性能

3 含缺陷管道安全評定

焊縫的超標(biāo)缺陷根部內(nèi)凹是由于根部焊縫金屬低于母材金屬，焊縫邊緣又被電弧熔化而形成的，因此可認(rèn)為是局部減薄缺陷。從GB/T 19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》[11]可知，未熔合缺陷可表征為平面缺陷，內(nèi)凹和氣孔缺陷可表征為體積缺陷，平面缺陷和體積缺陷均為表面缺陷。

3.1 缺陷的規(guī)則化處理

依據(jù)GB/T 19624-2004，內(nèi)凹缺陷可規(guī)則化為軸向半長A、環(huán)向半長B、深度C的表面體積缺陷，T為實(shí)測壁厚。氣相線的2#焊縫內(nèi)凹缺陷可簡化為表面體積缺陷，規(guī)則化處理后A=1.5 mm、B=25 mm、C=1.5 mm。

對經(jīng)規(guī)則化處理得到的缺陷尺寸，按如下規(guī)定進(jìn)行無量綱化處理：相對軸向長度：

相對環(huán)向長度：

相對深度：

式中：Ro為管道外半徑，mm；Ri為管道內(nèi)半徑，mm。

本項(xiàng)目Ro取28.5 mm，Ri取25 mm，代入上式，可以得到a=0.16，b=0.32，c=0.48。

3.2 應(yīng)力計(jì)算

管道除受到介質(zhì)的內(nèi)壓外，還受到管件重力、支撐約束等引起的彎矩。因此評定時(shí)采用CAESARII軟件對管系進(jìn)行應(yīng)力分析，得到管系應(yīng)力以及缺陷處管道橫截面的彎矩。

3.2.1 模型建立

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測量的管道長度及其約束情況，建立CAESARII模型，其中氣相線的模型如圖1所示，模型起點(diǎn)為現(xiàn)場圍墻，模型終點(diǎn)為管道入地前之法蘭。

圖1 氣相線的CAESARII模型

3.2.2 應(yīng)力分析

經(jīng)過建模后計(jì)算，結(jié)果表明氣相線的管系應(yīng)力最大值在節(jié)點(diǎn)140處，而非含內(nèi)凹缺陷的2#焊縫處（節(jié)點(diǎn)120，見圖2），管系應(yīng)力最大值35.51 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值137 MPa，這表明管道選材和結(jié)構(gòu)都滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖2 氣相線的CAESARII模型局部放大

值得注意的是，此次管系應(yīng)力分析是為了得到含缺陷焊縫處的拉力以及彎矩值，以便用于安全評定，它并不能代替管道應(yīng)力校核及柔性分析。

3.3 內(nèi)凹缺陷評定

3.3.1 無缺陷管道PL0和ML0計(jì)算

無缺陷管道在純內(nèi)壓條件下的塑性極限內(nèi)壓PL0（MPa）和純彎矩條件下的塑性極限彎矩ML0（N·m）由下列公式計(jì)算：

式中：φ為焊縫系數(shù)值；σs為屈服強(qiáng)度，MPa。

本項(xiàng)目φ取0.8，σs取245MPa，代入上述公式可以得到：PL0=29.67（MPa），ML0=1 966.31（N·m）。

評定時(shí)認(rèn)為管道結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)制造條件，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19624-2004的附錄H.9.3計(jì)算，則：

缺陷相對深度：

式中：P為管道內(nèi)壓，MPa；T0為管道公稱壁厚，mm。

本項(xiàng)目P取1.8 MPa；T0取3.5 mm，計(jì)算得c0= 0.543＞0.4，不符合要求，因此不能免于評定。

3.3.2 含缺陷管道PLS和MLS計(jì)算

含缺陷管道在純內(nèi)壓條件下的塑性極限內(nèi)壓PLS（MPa）為：

ae=min（3.0，a）=0.16

將b、c值分別代入公式（8）、（9），得到pLS=0.935，PLS=27.75 MPa。

純彎矩條件下的塑性極限彎矩MLS為：

將b、c代入公式（10）、（11），計(jì)算可得mLS=0.995 8，MLS=1 958.05 N·m。

3.3.3 安全性評價(jià)

依據(jù)GB/T 19624-2004附錄H.12，如果公式（12）成立，則認(rèn)為缺陷是安全的或可以接受的。

對于含內(nèi)凹缺陷的氣相線的2#焊縫，彎矩載荷M=180 N·m，代入公式（12），該公式成立，表明焊縫的內(nèi)凹缺陷是可以接受的。

4 焊縫缺陷的臨界尺寸

評定管道的氣孔缺陷以及圓形缺陷屬于埋藏性缺陷，不與介質(zhì)接觸，一般不考慮擴(kuò)展，不進(jìn)行臨界尺寸計(jì)算。氣相線的內(nèi)凹缺陷與介質(zhì)接觸，應(yīng)考慮擴(kuò)展，進(jìn)行臨界尺寸計(jì)算。

由管道的使用工況條件可知，介質(zhì)為液化石油氣LPG，不可避免地含有H2S，管道可能發(fā)生濕硫化氫破壞，包括氫鼓泡、HIC、SOHIC以及SCC等4種損傷形式。另一方面，由管道的測厚結(jié)果可知，管道的最大平均腐蝕速率約為0.13 mm/a，由此推算3年后氣相線焊縫的內(nèi)凹缺陷深度為1.89 mm。由于應(yīng)力腐蝕破壞引起的裂紋擴(kuò)展速率很難獲得，因此綜合考慮把內(nèi)凹缺陷為整圈、缺陷深度為缺陷附近母材厚度（3.1mm）的70%（即2.17mm）設(shè)定為臨界尺寸。

5 結(jié)束語

（1）上述分析表明，管道在正常操作工況條件下，該焊縫的內(nèi)凹缺陷是可以接受的，滿足使用原則，管道可以繼續(xù)使用。

（2）管道運(yùn)營期間應(yīng)加強(qiáng)管道缺陷部位的巡檢和監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷擴(kuò)展，其深度接近臨界尺寸時(shí)（其臨界尺寸為：長度整圈、深度2.17 mm）或壁厚異常減薄，應(yīng)立即停止運(yùn)行并對缺陷焊縫進(jìn)行維修。

（3）在后續(xù)管道運(yùn)行中，應(yīng)杜絕出現(xiàn)超溫超壓工況，同時(shí)建議將液化石油氣中的H2S含量控制在50 ppm以下（1 ppm=10-6），以防止管道發(fā)生濕H2S破壞。

[1]王亞新，謝禹鈞.基于GB/T19624-2004對含缺陷壓力管道的安全評定[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2007，20（2）：54-57．

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[9]盧黎明.未焊透缺陷壓力管道安全評定工程方法研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2006.

[10]GB/T 20801.2-2006，壓力管道規(guī)范工業(yè)管道第2部分：材料[S].

[11]GB/T 19624-2004，在用含缺陷壓力容器安全評定[S].

Safety assessment for in-service L PGpipeline containing concave defect

DONG Qun

Nanjing Boiland Pressure VesselInspection Institute，Nanjing 210019，China

Pressure pipeline operation cannot be promptly stopped due to its long-term operation feature，so its safety assessment has been a hot and difficult problem for petrochemical enterprises.Concave weld defect was found in the regular inspection of the LNG pressure pipeline in a LNG company，and then the safety assessment for the defect was conducted based on GB/T 19624-2004.The results showed that the defect was smaller than the critical defect dimension，so the defect degree was acceptable in the current operating condition，the pipeline could be continually used at present.Finally，the suggestions for the pipeline follow-up operation were given.

LPG；pressure pipeline with defect；safety assessment

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.018

董 群（1989-），男，江蘇鹽城人，2012年畢業(yè)于南京工程學(xué)院過程裝備與控制過程專業(yè)，現(xiàn)從事壓力容器壓力管道的檢驗(yàn)檢測工作。Email：361631421@qq.com

2016-12-20