工業(yè)管道合于使用評定軟件的開發(fā)及應用

楊宇清* 惠 虎

（1.上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院 2.華東理工大學化工機械研究所）

對含缺陷壓力管道進行合于使用評定是使用單位、檢驗機構和監(jiān)察機構的共同需求。開展評定工作需要具有專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗,而且評定標準包含了大量的公式、數(shù)據(jù)表格，純粹靠人工計算完成一項評定任務，需要花費大量的人力資源和時間。為了輔助評定人員對含缺陷工業(yè)管道快速準確作出安全評定，將相關標準軟件化、智能化，并融入大量的數(shù)據(jù)庫、評定案例庫及專家知識庫信息，對于提升我國含缺陷合于使用評定的水平，實現(xiàn)評定工作自動化及智能化，都具有十分重要的意義。

本文依據(jù)GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》，API 579-1/ASME FFS-1 2016 "Fitness-For-Service"等標準中含缺陷壓力管道合于使用評定方法，以Visual C++ 2010 作為開發(fā)軟件，將2 種標準中的含缺陷壓力管道合于使用評定方法程序化，將標準中大量的圖和表保存在軟件數(shù)據(jù)庫中，并建立了相關材料數(shù)據(jù)庫、評定案例庫等，開發(fā)了工業(yè)管道合于使用評定軟件，該軟件能在Windows 操作系統(tǒng)（Windows Me，Windows2000 以及Windows XP 及以上版本）下運行。該軟件可實現(xiàn)對含面型缺陷、體積型缺陷壓力管道的安全評價及疲勞評定。在使用時用戶輸入壓力管道的結構尺寸、材料性能以及檢測到的缺陷數(shù)據(jù)，軟件即可自動對典型含缺陷工業(yè)管道進行評價分析。對典型含缺陷的壓力管道進行了評定分析，研究結果表明，該軟件進行工業(yè)管道合于使用評定時準確、快速、智能、界面友好且使用方便。

1 軟件功能模塊

該軟件主要包括用戶管理、含面型缺陷的工業(yè)管道安全評定、含體積型缺陷的工業(yè)管道安全評定、含面型缺陷的工業(yè)管道疲勞評定、含體積型缺陷的工業(yè)管道安全評定、文件及報告管理等模塊，各模塊可通過程序主界面進行調(diào)用，并且模塊之間相互聯(lián)系、有機結合。另外，軟件還配備了材料力學性能數(shù)據(jù)庫、材料與介質(zhì)相容性等數(shù)據(jù)庫以及應力強度因子計算、載荷比計算、缺陷干涉效應計算、斷裂韌性數(shù)據(jù)估算等知識庫模塊，既能服務于各評定模塊，又方便了用戶直接查詢。軟件總體框架圖如圖1 所示。該本軟件將各功能模塊的問題過程模型化，采用面向?qū)ο蟮姆治龇ǎ⒘饲逦?、友好的人機界面。

2 主要模塊設計與技術實現(xiàn)

2.1 用戶管理模塊

該模塊由管理員登錄、用戶登錄、注銷等三部分組成，可實現(xiàn)管理員對用戶賬號、密碼的分配、用戶登錄及密碼修改等功能。該功能主要通過軟件添加或讀取自編格式的manager.cod 文件中的用戶及密碼信息來實現(xiàn)。只有管理員或用戶登錄成功后，軟件其他部分的功能才能被使用。

2.2 含面型和體積型壓力管道缺陷靜強度工況和疲勞工況評定

該模塊可分別選擇GB/T 19624—2019 或API 579-1 這2 種標準，對含面型缺陷、體積型缺陷的壓力管道在靜載荷工況或疲勞工況下進行評定。可評定的面型缺陷包括軸向裂紋和周向裂紋，體積型缺陷包含凹坑、氣孔、夾渣和特定未焊透等缺陷，可評定的焊接接頭形式包括對接接頭和角接接頭。

圖1 軟件總體框架圖

以含面型缺陷壓力管道的合于使用評定模塊為例，其缺陷評定流程可見圖2，其評定過程主要包括以下幾個方面。

2.2.1 缺陷數(shù)據(jù)輸入及規(guī)則化

用戶可從界面輸入檢測到面型缺陷的位置、長度、深度等參數(shù)，輸入時需要考慮檢測方法的精度，輸入相對保守的數(shù)據(jù)。軟件會按照相關標準中的缺陷規(guī)則化方法對面型缺陷進行規(guī)則化，將其簡化為規(guī)則的表面橢圓裂紋、埋藏橢圓裂紋或穿透裂紋。

圖2 軸向裂紋面型缺陷評定流程圖

2.2.2 管道數(shù)據(jù)輸入及應力水平計算

對典型結構典型缺陷管道評定時，用戶需要輸入相應的參數(shù)（設計壓力、管道直徑和壁厚等），軟件根據(jù)存儲的公式計算得到應力分析結果，以及管道缺陷處的一次應力（薄膜應力和彎曲應力）和二次應力（薄膜應力和彎曲應力）；對非典型結構非典型部位管道評定時，用戶需要將有限元分析結果手動輸入軟件，再由軟件進行相應計算后得到結果。

2.2.3 材料性能數(shù)據(jù)輸入

合于使用評價時需要輸入材料的屈服強度、抗拉強度和斷裂韌性等材料性能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最好取自評定的管道本身，但是對在役管道取樣較為困難，可在軟件中將一些常用材料的屈服強度、抗拉強度的標準下限值及實測斷裂韌性數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，當用戶選擇材料時，軟件可直接調(diào)用某些材料數(shù)據(jù)，供用戶參考。用戶輸入的材料力學性能數(shù)據(jù)應充分估計使用環(huán)境對材料性能的影響。

2.2.4 其他數(shù)據(jù)庫的調(diào)用

該軟件已將標準中涉及的大量數(shù)據(jù)、圖表程序化并導入BaseTable.mdb 數(shù)據(jù)庫中，當需要時，軟件會通過ODBC 調(diào)用該數(shù)據(jù)庫，采用內(nèi)插法求得對應的數(shù)值進行計算。另外，該軟件中的事故案例數(shù)據(jù)庫記錄了多個化工企業(yè)發(fā)生的壓力容器及管道失效事故案例數(shù)據(jù)，包括發(fā)生事故的設備名稱、類別、體積、半徑、材料、介質(zhì)、缺陷、產(chǎn)生缺陷原因、缺陷部位、事故后果、時間、地點等信息，有助于軟件使用者借鑒分析。

該軟件建立了各數(shù)據(jù)庫字段、變量之間的對應關系，通過InquireTable 類的對象來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的檢索，或者以內(nèi)插方法求取表中數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查詢方便、快捷、準確。

2.2.5 知識庫模塊的調(diào)用

該軟件在進行結構失效模式判別，或者當材料力學性能數(shù)據(jù)缺乏時，可調(diào)用專家系統(tǒng)知識庫模塊。當啟動專家知識庫時，軟件會啟動推理機，根據(jù)推理規(guī)則、比較事實庫中的信息匹配度，并搜索相關知識庫中的信息。知識庫與數(shù)據(jù)庫模塊相互關系可見圖3。

上文中的知識庫是指廣義的知識庫，包含了缺陷規(guī)則化子模塊、載荷比計算子模塊、應力強度因子計算子模塊以及含缺陷結構失效模式判別子模塊以及材料斷裂韌性數(shù)據(jù)缺乏時，專家?guī)熳幽K等。當材料斷裂韌性數(shù)據(jù)缺乏時專家?guī)熳幽K收集了瑞典SAQ標準，API 579 標準，BS7910 標準及學術論文以及有關專家關于斷裂韌性的估算方法，同樣也是按照產(chǎn)生式規(guī)則來實現(xiàn)知識表達。

圖3 專家系統(tǒng)知識庫等各模塊相互關系

2.2.6 選擇合適的評定方法評定并得出結果

合于使用評定模塊嚴格按照標準規(guī)定的步驟進行評定，如基于GB/T 19624—2019 對軸向裂紋評定時將按照雙參量斷裂評定法通用失效評定圖進行計算，如基于GB/T 19624—2019 對環(huán)向裂紋評定時將按照U因子法對裂紋進行評定。

3 實際應用示例

選取某石化企業(yè)含保溫層下腐蝕管線進行評定，其基本情況如表1 所示，腐蝕凹坑規(guī)則化后的形態(tài)如圖4 所示。

表1 含凹坑缺陷管道基本情況

圖4 單個凹坑缺陷表征示意圖

評定所運用的屈服強度為試驗獲得的屈服強度σs=284.14 MPa，軟件評定步驟如下。

（1）打開軟件，通過登陸頁面進入計算主頁面。選擇“體積缺陷評定”“局部減薄凹坑-按GB/T 19624”欄，輸入管道及缺陷尺寸，如圖5 所示。同時輸入管道工作壓力、工作溫度等參數(shù)，得到評定結果為“安全”，評定報告示意圖可見圖6。

圖5 GB/T 19624—2019評定凹坑缺陷尺寸輸入框示意圖

圖6 評定報告示意圖

（2）打開軟件，通過登陸頁面進入計算主頁面。選擇“體積缺陷評定”、“局部減薄凹坑-按API 579”欄，輸入管道及缺陷尺寸，如圖7 所示。檢查輸入的數(shù)據(jù)，確認正確后點擊“確定”，得到評定結果為“安全”，評定報告如圖8 所示。

（3）由于篇幅限制，本文省略了根據(jù)GB/T 19624—2019 和API 579-1 標準中計算步驟的手算過程，計算結果與軟件的計算結果一致。由此可見，采用軟件計算，大大降低了使用人員的難度和減少了其工作量，而且可以將按照2 種標準計算得到的結果進行比對。

4 小結

圖7 API 579-1評定凹坑缺陷尺寸輸入框示意圖

圖8 評定報告示意圖

（1）基于GB/T 19624—2019 及API 579-1 標準中壓力管道合乎使用評定方法，采用面向?qū)ο蟮恼Z言Visual C++并結合數(shù)據(jù)庫和專家?guī)熘R，開發(fā)了工業(yè)管道合于使用評定軟件。該軟件在進行含缺陷壓力管道安全評定時快捷、方便、準確。大部分需要人工計算的工作，都由計算機來完成，大大縮短了評定所需的時間。

（2）采用2 種標準中的方法進行計算，一方面可使評定者通過對比計算來驗證計算結果的正確性，另一方面可以根據(jù)不同的設計標準，選擇GB/T 19624—2019 或API 579-1 方法進行評定。

（3）該系統(tǒng)界面友好，用戶使用方便。評定規(guī)程中的具體評定方法、計算公式等大量技術細節(jié)均隱含在輔助評定軟件的程序中，如失效評定曲線、應力強度因子計算方法、極限載荷計算方法等，使用者只需根據(jù)輔助評定軟件的提示輸入相關的數(shù)據(jù)就能得到結果。

（4）該系統(tǒng)含有大量的數(shù)據(jù)庫、案例庫及專家知識庫，因此具有智能化的特點，當評定所需的數(shù)據(jù)缺乏時，系統(tǒng)將自動搜索數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

（5）輔助評定軟件完成評定工作后，可自動打印評定報告。

（6）輔助評定軟件能夠提供幫助文件，引導評定者進行評定工作，并給出相應的解釋及建議。