含缺陷壓力管道安全評定系統(tǒng)的開發(fā)

林 橋 張卓凡 肖超波 陳 成 徐加初

（1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院；2.暨南大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院）

油氣運(yùn)輸管道和燃?xì)膺\(yùn)輸管道是維系現(xiàn)代城市與區(qū)域經(jīng)濟(jì)、 社會(huì)功能的基礎(chǔ)性工程設(shè)施，保障壓力管道的安全運(yùn)營對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定與發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。 壓力管道尤其是油氣運(yùn)輸管道一般都是埋在地下的，在外力或者土壤等因素作用下管體會(huì)發(fā)生譬如凹坑、機(jī)械損傷及腐蝕等缺陷，降低管道材料的力學(xué)性能，如果不能及時(shí)檢測和處理，將會(huì)產(chǎn)生極大的安全隱患［1］。我國針對壓力管道上各種類型的缺陷制定了若干相應(yīng)的評定標(biāo)準(zhǔn)，但由于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評定依據(jù)不同，所需的評定參數(shù)不同，且評定時(shí)過程繁復(fù)、計(jì)算量大給工程人員的評定帶來諸多困難。 同時(shí)， 長距離運(yùn)輸管線缺陷類型和缺陷數(shù)量眾多，使得評定工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

筆者整合《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）、《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評價(jià)方法》（SY/T 6996—2014）、《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評價(jià)方法》（SY/T 6151—2009）、《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624—2019）中的附錄G、H、I 等諸多評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［2～5］，基于Python語言開發(fā)出一款可視化的壓力管道安全評定系統(tǒng)，可對多個(gè)同類型缺陷或批量缺陷進(jìn)行同時(shí)評定，為相關(guān)工程技術(shù)人員提供一種高效快捷的評定工具。

1 評定系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言Python，它是一種廣泛使用的高級語言，具有可讀性強(qiáng)、開源性強(qiáng)和可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)， 它也是一種腳本語言，開發(fā)代碼的效率非常高，在語法表達(dá)和GUI應(yīng)用上有著獨(dú)特的優(yōu)勢［6］。 利用其成熟的庫PYQT5 作為可視化開發(fā)的主要輔助工具。系統(tǒng)可以運(yùn)行在Windows7 及以上版本的系統(tǒng)中， 界面簡潔，操作簡單，并且預(yù)留了接口，方便后續(xù)的版本更新。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)綜合了國內(nèi)關(guān)于工業(yè)管道的評定標(biāo)準(zhǔn)，按照缺陷類型分類，整理出5 個(gè)最適用的評定模塊， 分別為凹坑缺陷/帶凹坑復(fù)合缺陷評定模塊、腐蝕缺陷/金屬減薄缺陷評定模塊、點(diǎn)蝕缺陷評定模塊、錯(cuò)邊斜接缺陷評定模塊和焊縫上缺陷評定模塊。 每個(gè)評定模塊界面分為4 部分：適用條件說明、材料結(jié)構(gòu)參數(shù)、缺陷參數(shù)和評定結(jié)果顯示。主要操作放在缺陷參數(shù)輸入界面中，包括返回主界面、導(dǎo)入數(shù)據(jù)和運(yùn)算功能。 使用時(shí)依據(jù)適用條件選擇合適的評定方法，依次輸入材料結(jié)構(gòu)參數(shù)和缺陷參數(shù)，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可進(jìn)行評定。 其中材料結(jié)構(gòu)參數(shù)為單個(gè)數(shù)據(jù)輸入框，即評定對象應(yīng)為同一管線上的缺陷；缺陷參數(shù)可進(jìn)行多個(gè)缺陷數(shù)據(jù)的輸入，或者以Excel 數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)缺陷或批量缺陷同時(shí)評價(jià)的功能。 對于判定為不安全的缺陷，系統(tǒng)會(huì)以紅色字體顯示起到提示用戶的作用，并給出原因。 為了保持系統(tǒng)界面的簡潔性，將材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫、相關(guān)缺陷規(guī)則化流程、材料屬性取值估算及依據(jù)等輔助知識庫模塊放入word 說明文檔中，在系統(tǒng)主界面中可以點(diǎn)擊幫助進(jìn)入幫助文檔，輔助用戶查詢相關(guān)參數(shù)和準(zhǔn)則。 系統(tǒng)的總體框架如圖1 所示，評定系統(tǒng)的主界面如圖2 所示，限于篇幅，沒有給出各模塊的輸入界面。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2 評定系統(tǒng)主界面框圖

2 主要功能模塊的評定標(biāo)準(zhǔn)

2.1 凹坑缺陷/帶凹坑復(fù)合缺陷評定模塊

此模塊適用于大部分凹坑缺陷和部分帶凹坑的復(fù)合缺陷，可以選擇《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）和《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評價(jià)方法》（SY/T 6996—2014）。 前者是依據(jù)基于深度的評定準(zhǔn)則和基于應(yīng)變的評定準(zhǔn)則，該評定方法由于評定所需參數(shù)較少，測量步驟簡單，對于一些安全程度一般或者修復(fù)較為容易的管道推薦使用該評定準(zhǔn)則［7］。 后者給出了單純平滑凹陷和凹坑與溝槽復(fù)合缺陷的評定方法，相對前者所需參數(shù)較多， 前期測量工作較復(fù)雜，但給出的評定結(jié)果更精準(zhǔn)，提供了降壓運(yùn)行的判別條件并能計(jì)算出降壓運(yùn)行壓力的具體數(shù)值，適合安全級別較高的管道評定。

系統(tǒng)在凹坑缺陷評定模塊中，給出了3 種類別的評定方法，用戶可以根據(jù)檢測技術(shù)能力和實(shí)際需求選擇不同的評定方法進(jìn)行評定，并可進(jìn)行多個(gè)評定方法的對比分析。

2.2 腐蝕缺陷/金屬減薄缺陷評定模塊

腐蝕缺陷是埋地管道最常見的缺陷類型［8］，對于該類缺陷的處理一般采用打磨后再測量的方法，因此對于該類缺陷可以視作局部減薄體積型缺陷來處理，系統(tǒng)依據(jù)《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評價(jià)方法》（SY/T 6151—2009）和《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）中含體積型缺陷管道剩余強(qiáng)度評定構(gòu)建了評定腐蝕缺陷、金屬損失及制造缺陷等體積型缺陷的完整評定流程。 前者將腐蝕缺陷分為橫向腐蝕缺陷和縱向腐蝕缺陷，采用管體腐蝕損傷尺寸評定法和最大安全工作壓力評定法相互結(jié)合，該方法流程清晰，所需測量參數(shù)較少。 后者將主要評定的體積型缺陷分為均勻腐蝕缺陷和局部金屬損失缺陷，系統(tǒng)將這部分分成均勻腐蝕缺陷評定模塊和局部金屬損失缺陷兩個(gè)評定模塊，均勻腐蝕缺陷評定中，有點(diǎn)測厚法（RTP）和危險(xiǎn)截面法（CTP）兩種方法，系統(tǒng)嚴(yán)格按照選取條件將兩種方法內(nèi)置，用戶只需要輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇合適的方法進(jìn)行一級或二級評定。 局部金屬損失缺陷評定中，二級評定需要將截面分為多個(gè)并分別計(jì)算材料截面剩余強(qiáng)度因子（RSF），檢測任務(wù)加大， 因此系統(tǒng)將一級評定與二級評定分開，對于安全級別較高的管道可采用二級評定進(jìn)行評估。

2.3 點(diǎn)蝕缺陷評定模塊

點(diǎn)蝕缺陷是管道彌散損傷缺陷的一種，是腐蝕缺陷的初級階段，由于現(xiàn)有的技術(shù)可以對點(diǎn)蝕進(jìn)行無損檢測［9］，因此系統(tǒng)單獨(dú)開設(shè)點(diǎn)蝕缺陷評定模塊，對該類缺陷的評定采用的是《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）中的含彌散損傷型缺陷管道剩余強(qiáng)度評定方法，借用了體積型缺陷的評價(jià)方法，將管道彌散損傷缺陷視作孔洞型均勻損傷，基于損傷力學(xué)，通過研究缺陷損傷隨時(shí)間演化規(guī)律、損傷沿壁厚方向分布規(guī)律和損傷材料宏觀力學(xué)性能退化規(guī)律，建立的極限承壓能力工程評定方法。

2.4 錯(cuò)邊斜接缺陷評定模塊

此模塊包含錯(cuò)邊缺陷評定和斜接缺陷評定。錯(cuò)邊缺陷是指管道在焊接或安裝過程中由于工程問題造成的環(huán)焊縫錯(cuò)邊缺陷，分為等直徑錯(cuò)邊和不等直徑錯(cuò)邊。 斜接缺陷是指鋼管對接焊縫產(chǎn)生斜接而引起的缺陷。 對這兩類缺陷的評定采用的是《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）中含錯(cuò)邊和斜接缺陷管道剩余強(qiáng)度評定方法，僅考慮管道所受載荷不會(huì)進(jìn)一步引起錯(cuò)邊變形的情況。

此模塊分為錯(cuò)邊缺陷和斜接缺陷兩部分，用戶可以按照評定規(guī)則分別進(jìn)行評定。 兩類缺陷評定均不考慮附加應(yīng)力的影響，對于有較大附加載荷的缺陷不適用。

2.5 焊縫上缺陷評定模塊

焊縫缺陷是對焊縫及與焊接有關(guān)的缺陷的總稱，在系統(tǒng)中主要包括未熔合、未焊透等平面缺陷和氣孔、 夾渣及特定未焊透缺陷等體積缺陷。

對于非焊縫缺陷，如裂紋和局部減薄也可以用此模塊進(jìn)行評定，由于本系統(tǒng)對于裂紋默認(rèn)為打磨成局部減薄評定或直接修復(fù)處理，并沒有針對裂紋等缺陷設(shè)置相應(yīng)的安全評定，因此僅能進(jìn)行直管段平面缺陷中的安全評定中的裂紋計(jì)算。此模塊適用于在內(nèi)壓或內(nèi)壓與彎矩組合載荷下的彎頭、三通、直管上體積缺陷和平面缺陷的安全評定。

3 工程實(shí)例

3.1 工作實(shí)例與結(jié)構(gòu)參數(shù)

均勻腐蝕是導(dǎo)致金屬管道失效的主要原因之一，因此以工程中的均勻腐蝕為例進(jìn)行計(jì)算［10］。

某油氣運(yùn)輸管道檢測出一個(gè)腐蝕缺陷，因腐蝕區(qū)域相對均勻，將腐蝕區(qū)域打磨后測得變異系數(shù)COV 為2%，按均勻腐蝕缺陷評定方法進(jìn)行評定，其材料結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

管材 20#

工作壓力 2.6 MPa

工作溫度 15 ℃

外徑 720 mm

內(nèi)徑 700 mm

彈性模量 206 GPa

泊松比 0.3

屈服強(qiáng)度 345 MPa

缺陷參數(shù)如下：

管材 20#

寬度 90 mm

軸向長度 100 mm

深度 6 mm

變異系數(shù) 2%

缺陷位置 直管段

3.2 系統(tǒng)評定結(jié)果

打開評定系統(tǒng)，通過主界面進(jìn)入腐蝕缺陷/金屬減薄缺陷評定模塊，進(jìn)入模塊后選擇“局部減薄評定”，進(jìn)入“均勻腐蝕減薄”子模塊中，依次輸入材料結(jié)構(gòu)參數(shù)和缺陷參數(shù)，其中管道設(shè)計(jì)系數(shù)F 取0.8，未來腐蝕裕量FCA 取2 mm，均勻減薄厚度LOSS 取2 mm， 由于腐蝕區(qū)域經(jīng)打磨處理，表面較光滑，缺陷參數(shù)中厚度均可取4 mm。 點(diǎn)擊“運(yùn)行”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選取合適的評定方法，將結(jié)果顯示到“評定結(jié)果”一欄中。 最終評定結(jié)果為點(diǎn)測厚法運(yùn)算，且管道不安全，需要降壓處理，最大允許工作壓力為1.7 MPa， 缺陷參數(shù)輸入界面如圖3 所示，評定結(jié)果如圖4 所示。

圖3 均勻腐蝕評定缺陷參數(shù)輸入

圖4 均勻腐蝕評定結(jié)果

3.3 ANSYS 仿真驗(yàn)算

為了驗(yàn)證評定系統(tǒng)的可靠性， 采用ANSYS對3.2 節(jié)中的含均勻腐蝕減薄的缺陷管道進(jìn)行有限元計(jì)算。 利用ANSYS workbench 平臺建立管道模型，為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，管長取外徑的3 倍［11］，即2 160 mm，將管道缺陷規(guī)則化為均勻壁厚缺失的模型，減薄厚度為6 mm，坑底為圓柱面。 由于模型尺寸和載荷具有對稱性，取局部管道和缺陷區(qū)域的1/2 建立理想化模型， 為了避免應(yīng)力集中的影響，將缺陷周圍棱角處設(shè)置為3 mm 的倒角［12］。 在兩端部的薄壁上設(shè)置軸向位移約束，對稱面上設(shè)置對稱約束，并依據(jù)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，在管道內(nèi)表面施加1.7 MPa 的內(nèi)壓，模型如圖5 所示，網(wǎng)格劃分如圖6 所示。

圖5 含均勻腐蝕缺陷管道模型

圖6 網(wǎng)格劃分

腐蝕管道的失效可由腐蝕區(qū)域von-Mises等效應(yīng)力來確定，即采取塑形局部失效的失效模式［13］，認(rèn)為當(dāng)腐蝕區(qū)域的等效應(yīng)力σ 超過管道的屈服強(qiáng)度時(shí)，即為失效。 依據(jù)有限元的計(jì)算結(jié)果（圖7）可知，含缺陷壓力管道在評定結(jié)果的要求內(nèi)壓下， 最大等效應(yīng)力發(fā)生在減薄區(qū)域的倒角處，數(shù)值為314.16 MPa，安全裕度為8.9%，與系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果基本符合。

圖7 ANSYS 計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論與展望

4.1 系統(tǒng)基于《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方法》（SY/T 6477—2017）、《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評價(jià)方法》（SY/T 6996—2014）、《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評價(jià)方法》（SY/T 6151—2009）、《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624—2019）中的附錄G、H、I 等諸多評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中壓力管道的評定方法綜合而成。 可以為工程技術(shù)人員提供多種評定標(biāo)準(zhǔn)以供選擇，工程人員可以根據(jù)現(xiàn)場的工程條件和可以獲取的測量參數(shù)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定。

4.2 使用系統(tǒng)進(jìn)行安全評定時(shí)，可以免去瑣碎復(fù)雜的計(jì)算環(huán)節(jié)，界面友好簡潔，能夠方便、快捷、精準(zhǔn)地幫用戶實(shí)現(xiàn)含缺陷壓力管道的安全評定，計(jì)算結(jié)果安全可靠并保有一定的安全充裕度，極大地縮短了評定時(shí)間，提高了工作效率。

4.3 系統(tǒng)對于含缺陷壓力管道僅考慮內(nèi)壓為主要載荷的情況， 并未考慮有較大附加應(yīng)力的情況， 并且對于裂紋缺陷沒有確定的評定方式，僅做打磨處理，未來可以加入裂紋缺陷的評定方法并與ANSYS 等仿真系統(tǒng)結(jié)合獲取管道缺陷處應(yīng)力數(shù)據(jù)輔助計(jì)算。