高溫蒸汽管道焊接接頭缺陷分析與安全評(píng)定

方學(xué)鋒，張伯君，梁 斌，雒相垚，文耀華

（南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，江蘇南京210019）

壓力管道焊縫易存在多種缺陷，造成接頭承載面積降低和強(qiáng)度下降，引起失效［1～4］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)管道安全評(píng)估做了大量研究，但對(duì)高參數(shù)含缺陷蒸汽管道的分析評(píng)定較少［5～7］。因此，文中通過(guò)有限元結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的方法對(duì)某企業(yè)高溫含缺陷管道進(jìn)行安全性評(píng)定，為管道安全提供數(shù)據(jù)支撐。

1 情況概述

對(duì)某新安裝的蒸汽管道運(yùn)用射線RT 檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)埋地段的焊接接頭存在缺陷。管道的材質(zhì)是20 鋼，基本參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)計(jì)溫度下的力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。管道射線檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 蒸汽管道基本數(shù)據(jù)表

表2 20鋼設(shè)計(jì)溫度下性能參數(shù)

表3 管道射線檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)GB/T 19624［8］附錄G第G4.1條規(guī)定，評(píng)定用材料斷裂韌度的下限值（JIC）下限可取1.1AKV。根據(jù)試驗(yàn)，該壓力管道材料容許的最低值A(chǔ)KV=27 J。由于該管道使用過(guò)程中一般不存在脆化傾向，因此JIC=29.7 N/mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［8］，

將表2 中的性能參數(shù)代入公式，可得Kc=2 050.998 N·mm，取1.2 的 安 全 系 數(shù)，即Kc=2 461.198 N·mm。

2 有限元建模

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［8］，評(píng)定計(jì)算時(shí)所需軸向力與彎矩時(shí)不考慮管道缺陷的影響。因管道較長(zhǎng)，整體建模不夠現(xiàn)實(shí)，因此選取對(duì)含有缺陷的部分管段進(jìn)行建模計(jì)算。根據(jù)管道規(guī)格、缺陷位置、管道設(shè)計(jì)施工圖等，采用CAESARⅡ軟件進(jìn)行有限元建模。

3 含缺陷焊接接頭軸向力與彎矩計(jì)算結(jié)果

管系應(yīng)力采用設(shè)計(jì)工況進(jìn)行計(jì)算，除了考慮內(nèi)壓與溫度，還考慮了管道的重力與支撐約束。設(shè)計(jì)工況下，缺陷焊縫處不考慮缺陷情況下軸向力及彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。焊縫編號(hào)MD-03 MD-40 MD-63軸向力/N 66 301 17 675 36 228彎矩/N·m

451

302

88

4 焊縫缺陷評(píng)定

4.1 MD-03焊縫缺陷評(píng)定

4.1.1 缺陷的規(guī)則化處理由表3 可知為未熔合缺陷，長(zhǎng)度為10 mm，缺陷高度為0.6 mm。出于保守計(jì)算考慮，將未熔合缺陷規(guī)則化為內(nèi)表面平面缺陷，其尺寸為l=10 mm，h=0.6 mm。由于缺陷自身高度h=0.6 mm＜0.7B，B為壁厚6 mm。因此缺陷可以表征為半軸的橢圓，即a=h=0.6 mm，計(jì)算中取安全系數(shù)1.1，因此a=0.66 mm，c=5.5 mm。

4.1.2 軸向膜應(yīng)力σm及彎曲應(yīng)力σB的計(jì)算評(píng)定所需的軸向膜應(yīng)力σm及彎曲應(yīng)力σB可按照下列公式計(jì)算：

由表4 可知，MD-03 焊縫的軸向拉力N=66 301 N，橫截面彎矩MB=451 N·m，管道中徑R為106.5 mm，Ri=100 mm，B=6 mm，因 此σm=28.25 MPa，σB=2.11 MPa。

4.1.3 起裂時(shí)的載荷比計(jì)算由缺陷無(wú)因次長(zhǎng)度θ/π = 0.017和相對(duì)深度a/B=0.11，查標(biāo)準(zhǔn)［8］表G.1可知：LF r≈1.1。

4.1.4 U因子的計(jì)算由標(biāo)準(zhǔn)［8］附錄G.4.2.3可知，

4.1.5 許可流變應(yīng)力比[]計(jì)算由缺陷尺寸θ/π和a/B查表標(biāo)準(zhǔn)［8］G.2 可知，焊縫的許可流變應(yīng)力比[]= 1.254。

4.1.6 安全性評(píng)價(jià)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［8］附錄G.4.3，如果公式（4）成立，則認(rèn)為缺陷是安全的或可接受的。

其中載荷安全系數(shù)np=1.5。

4.2 MD-40焊縫缺陷評(píng)定

4.2.1 缺陷的無(wú)量綱處理由表3 可知，焊縫超標(biāo)缺陷為圓形缺陷，其最大尺寸為Φ2mm，深度為0.5mm。出于保守考慮將其表征為內(nèi)表面體積缺陷，同時(shí)考慮1.1 倍安全系數(shù)，表征尺寸為A=1.1mm，B=1.1mm，C=0.55mm。將其無(wú)量綱化為：

相對(duì)環(huán)向長(zhǎng)度：b=B(πRi)= 0.003 5；

相對(duì)深度：c=C T= 0.135 7。

4.2.2 純內(nèi)壓下塑性極限內(nèi)壓

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［8］附錄H，含缺陷管道在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓可以通過(guò)下式計(jì)算：

其中：PL0為無(wú)缺陷管道在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓，其計(jì)算式如下：

σ'= ΦσS；Φ 為管道焊接接頭系數(shù),根據(jù)GB/T 20801.3，保守取0.8；R0=54 mm，Ri=50 mm。經(jīng)計(jì)算可得：PL0= 11.162 MPa；

pLS為無(wú)量綱的含缺陷管道在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓，其計(jì)算式如下：

4.2.3 純彎矩下的塑性極限彎矩根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［8］附錄

H，純彎矩下塑性極限彎矩采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中mLS—無(wú)量綱的含缺陷管道在純彎矩下的塑性極限彎矩；ML0為無(wú)缺陷管道在純彎矩下的塑性極限彎矩，其計(jì)算公式為：

4.2.4 安全性評(píng)價(jià)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［8］附錄H，H.12安全評(píng)價(jià)要求，滿足下式即認(rèn)定缺陷可以接受。

將P=1.4 MPa，M=302 N·mm，PLS=10.603 MPa，MLS= 5 431 201.2 N·mm代入公式（11），計(jì)算可得:

因此認(rèn)為MD-40焊縫的超標(biāo)缺陷可以接受。

4.3 MD-63焊縫缺陷評(píng)定

根據(jù)表3，該焊縫存在2處超標(biāo)缺陷，分別為未熔合缺陷和條形缺陷。2 處缺陷相距較遠(yuǎn)，不存在干涉現(xiàn)象，因此對(duì)2處缺陷進(jìn)行分開(kāi)評(píng)定。未熔合缺陷可以規(guī)則化為內(nèi)表面平面缺陷，條形缺陷可以規(guī)則化為內(nèi)表面體積缺陷。

4.3.1 平面缺陷的規(guī)則化處理 由表3 可知，未熔合缺陷尺寸為l=28 mm，h=0.5 mm。由于缺陷自身高度h=0.5 mm＜0.7B，因此缺陷可以表征為半軸的橢圓，即a=h=0.5 mm，計(jì)算中取安全系數(shù)1.1，因此a=0.55 mm。缺陷的無(wú)因次長(zhǎng)度

4.3.2 平面缺陷評(píng)定計(jì)算計(jì)算過(guò)程與4.1 計(jì)算過(guò)程一致，計(jì)算關(guān)鍵數(shù)據(jù)與結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 MG-63未熔合缺陷評(píng)定關(guān)鍵參數(shù)與結(jié)果

4.3.3 提及缺陷的無(wú)量化處理出于保守估計(jì)，將條形缺陷規(guī)則化為內(nèi)表面體積缺陷，缺陷長(zhǎng)4 mm，寬3 mm，高度0.6 mm，考慮1.1倍安全系數(shù)，缺陷表征尺寸為A=1.1 mm，B=2.2 mm，C=0.66 mm。無(wú)量綱化后為：

4.3.4 提及缺陷評(píng)定計(jì)算計(jì)算過(guò)程與4.2 計(jì)算過(guò)程一致，計(jì)算關(guān)鍵數(shù)據(jù)與結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 MD-63焊縫夾渣缺陷評(píng)定計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

（1）在正常工況條件下，管線焊縫的超標(biāo)缺陷可以接受，滿足合于使用原則，可以繼續(xù)使用。

（2）管道在使用過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)管線缺陷焊縫部位的監(jiān)控，首次定期檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)該含缺陷焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)對(duì)管道缺陷焊縫進(jìn)行修復(fù)。