含缺陷在用壓力管道合于使用評(píng)價(jià)

陳勛，鄭連學(xué)，周麗琴

1.武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所（湖北 武漢430024）

2.武漢鍋爐集團(tuán)閥門有限責(zé)任公司（湖北 武漢430200）

工業(yè)管道廣泛用于石油、化工等多個(gè)領(lǐng)域，是一種輸送易燃、易爆、腐蝕或毒性介質(zhì)的承壓類特種設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)石化企業(yè)的工業(yè)管道投用年限較長(zhǎng)，普遍存在未焊透、未熔合等平面缺陷和氣孔、夾渣等體積缺陷[1]。隨著工業(yè)管道定期檢驗(yàn)普遍開(kāi)展，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)工業(yè)管道中大量存在未焊透缺陷，尤其是投用年限較長(zhǎng)的石化企業(yè)中的工業(yè)管道。在按照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—工業(yè)管道》對(duì)管道進(jìn)行安全狀況等級(jí)評(píng)定時(shí)，達(dá)到一定自身高度的未熔合、未焊透缺陷被評(píng)定為4級(jí)，需要返修處理，否則不得繼續(xù)使用。但大量的工程應(yīng)用表明，很大比例的此類管道在多年的使用過(guò)程中并未出現(xiàn)問(wèn)題，這種定級(jí)劃分范圍有很大的保守性[2]，會(huì)給工業(yè)管道使用單位造成較大的影響，使檢驗(yàn)工作難度加大。為此《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—工業(yè)管道》中規(guī)定，安全狀況等級(jí)為4級(jí)的缺陷，除采用修理的方法消除外，還可以采用合于使用評(píng)價(jià)對(duì)超標(biāo)缺陷進(jìn)行處理。由于合于使用評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中涉及到整個(gè)管系的應(yīng)力分析，常規(guī)方法難以準(zhǔn)確計(jì)算出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中要求的應(yīng)力值，且評(píng)價(jià)流程較為復(fù)雜，要求評(píng)價(jià)人員具備斷裂力學(xué)、材料學(xué)、無(wú)損檢測(cè)等多方面專業(yè)知識(shí)，因此大多數(shù)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)要求使用單位對(duì)安全狀況等級(jí)為4級(jí)的缺陷采用修理的方法消除，極少采用合于使用評(píng)價(jià)對(duì)超標(biāo)缺陷進(jìn)行處理。采用Start_Prof 管道應(yīng)力分析軟件對(duì)某化工廠工業(yè)管道進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算缺陷處的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，按照GB∕T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》[3]對(duì)某化工企業(yè)反應(yīng)工段管道中8處未焊透缺陷進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)。

1 管道情況概述

某化工企業(yè)反應(yīng)工段管道2014年投用，管道材質(zhì)為304H，規(guī)格為Φ377 mm×10 mm，介質(zhì)為反應(yīng)油氣，最高工作壓力0.75 MPa，最高工作溫度480 ℃，保溫層為巖棉。在進(jìn)行首次定期檢驗(yàn)時(shí)，經(jīng)X 射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)多處環(huán)焊縫中存在未焊透缺陷，其中8 道環(huán)焊縫中未焊透缺陷超標(biāo)，須對(duì)缺陷進(jìn)行返修處理。由于返修難度較大且周期較長(zhǎng)，故采用合于使用評(píng)價(jià)方法來(lái)評(píng)價(jià)處理這8 道環(huán)焊縫中的缺陷，定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的8 處超標(biāo)未焊透缺陷尺寸見(jiàn)表1。該管道焊縫及熱影響區(qū)顯微組織如圖1 所示，焊縫組織為δ 鐵素體加奧氏體，熱影響區(qū)顯微組織為奧氏體。管道母材顯微組織如圖2 所示，母材顯微組織為奧氏體，焊縫、熱影響區(qū)和母材組織，均未析出脆化σ相，晶界處也未產(chǎn)生晶間腐蝕，顯微組織形貌也發(fā)生明顯變化。該管道P120403-2H1 和P120603-5W3焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)和母材硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，焊縫、熱影響區(qū)和母材硬度值均位于110～130 HB，與304H 不銹鋼焊接接頭硬度值相當(dāng)。這說(shuō)明在該條件下，管道焊接接頭材質(zhì)未發(fā)生劣化、晶間腐蝕開(kāi)裂等奧氏體不銹鋼材料在高溫油氣環(huán)境下易出現(xiàn)的損傷模式。

2 合于使用評(píng)價(jià)方法選用

該管道操作壓力0.75 MPa，運(yùn)行溫度480 ℃，已投入運(yùn)行5年，管道系統(tǒng)操作壓力和運(yùn)行溫度穩(wěn)定，根據(jù)管道材質(zhì)、介質(zhì)和運(yùn)行工況，可僅考慮腐蝕減薄損傷，以及在內(nèi)壓、拉壓、彎矩為主的組合載荷作用下未焊透缺陷的彈塑性斷裂失效。因此可直接采用《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》附錄G《壓力管道直管段平面缺陷安全評(píng)定方法》進(jìn)行超標(biāo)未焊透缺陷的U因子評(píng)價(jià)[4]。

圖1 管道焊縫及熱影響區(qū)顯微組織

圖2 管道母材顯微組織

表2 焊接接頭硬度值 ∕HB

3 合于使用評(píng)價(jià)過(guò)程

以管線P120403的焊縫P120403-2H1為例進(jìn)行計(jì)算。其環(huán)焊縫X 縫射線檢測(cè)底片如圖3 所示，該環(huán)焊縫整圈均存在未焊透缺陷，未焊透缺陷影像表征為焊縫中心部分呈規(guī)則性的邊緣整齊的直線，有連續(xù)或間斷的黑色條紋，圖3 中黑色條紋區(qū)域即為未焊透缺陷的影像。將環(huán)焊縫處切開(kāi)實(shí)測(cè)未焊透深度，如圖4所示，未焊透最大自身高度3.2 mm。

圖3 環(huán)焊縫X縫射線底片圖

圖4 環(huán)焊縫未焊透深度實(shí)測(cè)圖

3.1 缺陷的表征

缺陷附近實(shí)測(cè)最小壁厚9.4 mm，預(yù)估均勻腐蝕速率C1為0.02 mm∕a，預(yù)計(jì)下一檢驗(yàn)周期3 年，則管道缺陷附近的計(jì)算壁厚B 為9.34 mm。假設(shè)未焊透缺陷位置腐蝕速率與附近腐蝕速率一致，則到下一檢驗(yàn)周期缺陷高度a 為3.26 mm。缺陷無(wú)因此長(zhǎng)度θ∕π=1；缺陷相對(duì)深度：a∕B=0.349。

3.2 材料性能數(shù)據(jù)確定

該管道材質(zhì)為304H，在使用條件下無(wú)脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，可取壓力管道材料容許的最低值A(chǔ)KV為27 J，則評(píng)定用材料斷裂韌度值JIC=2.2AKV=59.4 J。

評(píng)定斷裂韌性用KC值，由JIC值按式（1）進(jìn)行估算：

式中：E為彈性模量，v為泊松比。

3.3 應(yīng)力的計(jì)算

缺陷處應(yīng)力分析是合于使用評(píng)價(jià)的關(guān)鍵[5]。壓力管道和壓力容器的應(yīng)力分析有明顯區(qū)別，壓力容器的一次應(yīng)力主要考慮內(nèi)壓載荷下筒體和接管壁厚的問(wèn)題，而壓力管道的一次應(yīng)力主要考慮重量和內(nèi)壓載荷下跨距問(wèn)題；壓力容器的二次應(yīng)力考核接管在外載力、彎矩等作用下，漸進(jìn)塑性變形控制，而壓力管道二次應(yīng)力主要考慮溫度導(dǎo)致的彎矩交變作用，兩者應(yīng)力分析中應(yīng)力分類相似，但概念不同。壓力容器是薄壁殼體、板殼單元，主要是計(jì)算承壓壁厚、局部結(jié)構(gòu)抵抗外載力和彎矩作用下的漸進(jìn)塑性變形，以及計(jì)算壓力、溫度交變和外載高頻交變作用下局部結(jié)構(gòu)疲勞分析，應(yīng)力分析時(shí)常采用有限元分析法。而壓力管道作為梁?jiǎn)卧?，主要分析在不同載荷下管道的彎、拉、扭、壓變形，計(jì)算跨度、疲勞、彎曲和失穩(wěn)，由于在實(shí)際運(yùn)行工況下，由溫度引起管道位移造成的二次應(yīng)力值常超過(guò)一次應(yīng)力，采用有限元分析不太適用[6-8]，須采用專業(yè)的管系應(yīng)力分析軟件。

根據(jù)管道單線圖和各單元的長(zhǎng)度及約束點(diǎn)位置，采用Start_Prof 管道應(yīng)力分析軟件建立管系模型，對(duì)整條管道進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算缺陷部位在運(yùn)行工況下應(yīng)力值。管線P120403應(yīng)力分析模型如圖5所示。經(jīng)Start_Prof軟件分析得焊縫P120403-2H1處內(nèi)力為59.95 kN,彎矩MB為30 409.89 N·m，計(jì)算得評(píng)價(jià)所需的軸向薄膜應(yīng)力σm=4.59 MPa,彎曲應(yīng)力σB=28.75 MPa。

圖5 管線P120403應(yīng)力分析模型

3.4 起裂時(shí)載荷比LFr 的確定

3.5 U因子值的計(jì)算

式中：σb為工作溫度下材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；σs為工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，MPa；經(jīng)計(jì)算U=1.54。

3.6 許可流變應(yīng)力比[]的確定

由缺陷無(wú)因次長(zhǎng)度θ/π 值和缺陷相對(duì)深度a∕B值，由GB∕T 19624—2004表G.2查得[]=0.992。

3.7 安全性評(píng)價(jià)

如果式（3）判據(jù)成立，則評(píng)定結(jié)論為安全。

式中：σb為工作溫度下材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；σs為工作溫度下材料的屈服強(qiáng)度，MPa；σm為管道缺陷處軸向薄膜應(yīng)力，MPa,；σB為管道缺陷處彎曲應(yīng)力，MPa；np為安全系數(shù)，對(duì)于輸送易燃易爆介質(zhì)管道，安全系數(shù)取1.5。

經(jīng)計(jì)算得σm+σB=33.34 MPa，88.25 MPa，判據(jù)成立，說(shuō)明在正常操作工況下，焊縫P120403-2H1 處的未焊透缺陷不影響管道的安全運(yùn)行。

按以上步驟對(duì)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的其余7道焊縫中的未焊透缺陷進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，8道環(huán)焊縫中超標(biāo)未焊透缺陷均能通過(guò)合于使用評(píng)價(jià)判據(jù)。

為驗(yàn)證無(wú)損檢測(cè)結(jié)果并保證設(shè)備安全運(yùn)行，與使用單位協(xié)商僅返修焊縫P120403-2H1。此返修焊縫位于二層平臺(tái)上，返修施工較為方便，施工質(zhì)量可控，切下含缺陷焊縫的彎頭，焊接新彎頭，檢測(cè)合格后投用，其余7 處缺陷保留在管道上不作處理。自2017年定期檢驗(yàn)后反應(yīng)工段管道使用至今，整個(gè)工段的管道一直安全運(yùn)行。這說(shuō)明管道實(shí)際運(yùn)行情況與合于使用評(píng)價(jià)結(jié)果相符，TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—工業(yè)管道》對(duì)未焊透缺陷安全狀況等級(jí)評(píng)定較為保守，采用合于使用評(píng)價(jià)的方法對(duì)管道中未焊透缺陷進(jìn)行處理，在保證管道安全運(yùn)行的同時(shí)也降低了壓力管道缺陷的返修維護(hù)成本。

表3 超標(biāo)未焊透缺陷合于使用評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

該化工廠定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的8處超標(biāo)未焊透缺陷，按照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則—工業(yè)管道》安全狀況等級(jí)評(píng)價(jià)均為4級(jí)，須對(duì)未焊透缺陷進(jìn)行返修，由于該管道中缺陷返修難度大且采購(gòu)管件周期長(zhǎng)，故采用Start_Prof應(yīng)力分析軟件對(duì)存在缺陷的管道進(jìn)行應(yīng)力分析后，對(duì)超標(biāo)未焊透缺陷進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：在正常操作工況下，定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的8 處超標(biāo)未焊透缺陷在下一檢驗(yàn)周期內(nèi)均不影響管道的安全運(yùn)行。