含未知深度超標(biāo)缺陷工業(yè)管道合于使用評(píng)價(jià)探究

張瀚文 司永宏 郝 博 王澤軍

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 天津 300192）

自20世紀(jì)末開(kāi)始，國(guó)際工程界逐步研究出了以合于使用（Fitness for Service，簡(jiǎn)稱(chēng)FFS)為原理的新評(píng)價(jià)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)石油協(xié)會(huì)（American Petroleum Institute）在該領(lǐng)域方面率先取得了進(jìn)展，其通過(guò)獲取研究對(duì)象的相關(guān)參數(shù)來(lái)評(píng)估該設(shè)備的安全狀況[1]；我國(guó)在2004年對(duì)該領(lǐng)域也有了一定進(jìn)展，為承壓設(shè)備焊接缺陷評(píng)估提供了指導(dǎo)[2]，該領(lǐng)域最新標(biāo)準(zhǔn)在2020年1朋1日實(shí)施[3]。

本研究在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用自研的“復(fù)代綜合評(píng)估”方法對(duì)埋藏缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法對(duì)相關(guān)企業(yè)的承壓設(shè)備合規(guī)運(yùn)行提供了技術(shù)支持與保障。

1 管道狀況介紹

利用射線工藝對(duì)某輸油碼頭的在役壓力管道進(jìn)行檢測(cè)[4]，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷見(jiàn)表1，因該企業(yè)因?yàn)楣て谂c成本原因無(wú)法進(jìn)行返修，因此需要進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)[5]以確定其是否滿足使用要求[6]，缺陷本體參數(shù)及相關(guān)管道基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。由于該圓形缺陷的長(zhǎng)徑大于壁厚的1/2，且缺陷長(zhǎng)徑方向?yàn)榄h(huán)向，根據(jù)TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》中關(guān)于安全定級(jí)的規(guī)定，該缺陷為超標(biāo)缺陷，該缺陷宏觀位置如圖1所示。

表1 缺陷本體參數(shù)及其所在管道主要技術(shù)參數(shù)

圖1 超標(biāo)缺陷位置示意圖

2 管道局部有限元模型的建立

2.1 管系應(yīng)力分析

根據(jù)管道的實(shí)際受力情況，可認(rèn)為管道主要承受內(nèi)壓、管道及介質(zhì)自身重力、溫度應(yīng)力和支架支反力。管系應(yīng)力計(jì)算采用管道專(zhuān)業(yè)應(yīng)力分析軟件，按照管線情況建立有限元模型，添加吊支架等約束，管系與固定基礎(chǔ)連接部位采用限制6個(gè)自由度的固定約束。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與圖紙，缺陷所對(duì)應(yīng)管系應(yīng)力計(jì)算所建立的模型見(jiàn)圖2[7]。圖2中標(biāo)注位置即含超標(biāo)缺陷的位置。A35、A36、C01為三通延伸的3個(gè)方向的3個(gè)節(jié)點(diǎn)，上述3個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移見(jiàn)表2。

圖2 超標(biāo)缺陷附近管系應(yīng)力分析圖

表2 超標(biāo)缺陷附近節(jié)點(diǎn)位移值

2.2 有限元模型計(jì)算

將通過(guò)管道專(zhuān)業(yè)應(yīng)力分析軟件計(jì)算出的位移（見(jiàn)表2）代入到建立好的有限元模型的邊界條件中計(jì)算缺陷焊口的內(nèi)外壁應(yīng)力值[8]，其中外表應(yīng)力為σ1，內(nèi)表應(yīng)力為σ2，如圖3所示，管道評(píng)定的材料屬性取20鋼相關(guān)參數(shù)，考慮到實(shí)際運(yùn)行工況本文所計(jì)算的管道的工作壓力都為0.7 MPa，工作時(shí)內(nèi)外溫差取10 ℃且最高工作溫度不超過(guò)50 ℃。

圖3 超標(biāo)缺陷所在焊縫區(qū)域最大內(nèi)外壁應(yīng)力值計(jì)算云圖

3 缺陷安全評(píng)估

3.1 管道基本參數(shù)和復(fù)代綜合評(píng)估

評(píng)估計(jì)算用管道基本參數(shù)：內(nèi)半徑Ri=155.65 mm，計(jì)算厚度B=6.3 mm，缺陷表征半長(zhǎng)c進(jìn)行保守性放大之后取5 mm。

因本檢驗(yàn)項(xiàng)目先期已進(jìn)行的射線檢測(cè)不具備獲取缺陷深度的能力，并且采用其他無(wú)損檢測(cè)方法獲取超標(biāo)缺陷深度難度高、成本大，因此本評(píng)估采用“復(fù)代綜合評(píng)估”方法：將缺陷距近表面深度p1所有可能的數(shù)值代入到計(jì)算方法中進(jìn)行評(píng)定，根據(jù)GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》，當(dāng)缺陷距表面的最近距離p1<0.8 mm時(shí)（p1<0.4h≤p2，p1+h+p2=B），該缺陷表征為表面缺陷（如圖4所示），可將缺陷表征高度a取作2.7 mm（a=h+p1，此為最嚴(yán)重情況）。當(dāng)0.8 mm≤p1≤3.5 mm時(shí)（0.4h≤p1≤p2，p1+h+p2=B），缺陷表征為埋藏缺陷（如圖5所示），p1分別取0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm、1.4 mm、1.5 mm、1.6 mm、1.7 mm、1.8 mm、1.9 mm、2.0 mm、2.1 mm代入式（7)、式（11）中計(jì)算，缺陷表征高度a取1 mm，分別代入式（6）、式（11）中計(jì)算，當(dāng)所有計(jì)算結(jié)果全部合格時(shí)，則該管道的安全狀況為可接受，如果有未通過(guò)公式計(jì)算的結(jié)果，則需要采取其他無(wú)損檢測(cè)方法獲取確切缺陷深度后再進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)。

圖4 表面缺陷表征示意圖

圖5 埋藏缺陷表征示意圖

3.2 評(píng)價(jià)計(jì)算材料數(shù)據(jù)取值

由于本次評(píng)估不具備材料取樣測(cè)試的條件，故根據(jù)相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范確定管道材料性能數(shù)據(jù)的替代值，彈性模量E=210 GPa，屈服強(qiáng)度σs=245 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=410 MPa[9]，斷裂韌度CTOD進(jìn)行保守性估算取0.2 mm[10]。

3.3 荷載比Lr的計(jì)算

當(dāng)缺陷為表面缺陷時(shí)，載荷比Lr的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式（1)～式 （4)[3]。

式中：

Pm——一次膜應(yīng)力分量；

Pb——一次彎曲應(yīng)力；

σ1——外表應(yīng)力；

σ2——內(nèi)表應(yīng)力；

ζ——為簡(jiǎn)化公式書(shū)寫(xiě)繁雜度所設(shè)定的過(guò)程參數(shù)，

Pm為127 MPa，Pb為20 MPa，其他計(jì)算結(jié)果見(jiàn)第4節(jié)中闡述內(nèi)容。

當(dāng)缺陷為埋藏缺陷時(shí)，載荷比Lr的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式（5)～式 （7)[3]。

式中：

ζ，γ——為簡(jiǎn)化公式書(shū)寫(xiě)繁雜度所設(shè)定的過(guò)程參數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)第4節(jié)中闡述內(nèi)容。

3.4 施加載荷與流變強(qiáng)度載荷比值Sr及平面缺陷簡(jiǎn)化評(píng)定用斷裂比的計(jì)算

施加載荷與流變強(qiáng)度載荷比值Sr的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式（8)[3]。

式中：

Lrmax——Lr的容許極限。

公式中部分參數(shù)在文章其他部分已有闡述，依3.2節(jié)所述式（11)～式（16)中：

δc——斷裂韌度CTOD，其數(shù)值依據(jù)保守性原則可取0.2 mm[10]；

δ——裂紋尖端張開(kāi)位移；

Fm——拉伸載荷的裂紋形狀系數(shù)；

σ∑——總當(dāng)量應(yīng)力；

Xr——焊接殘余應(yīng)力結(jié)合系數(shù)，取0.6；

Kt——應(yīng)力集中系數(shù)（在GB/T 19624—2019標(biāo)準(zhǔn)[3]中1.5為其最大值，Kt取值越大所得的評(píng)價(jià)結(jié)果也就越保守）；

Xb——彎曲應(yīng)力結(jié)合系數(shù)，當(dāng)缺陷為埋藏缺陷時(shí)取0.2，當(dāng)缺陷為表面缺陷時(shí)取0.75；

Q——二次應(yīng)力，取屈服強(qiáng)度σs；

Mg——膨脹系數(shù)；

E——楊氏模量。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)第4節(jié)中闡述內(nèi)容。

4 評(píng)定結(jié)果

根據(jù)GB/T 19624—2019標(biāo)準(zhǔn)中5.6.1節(jié)所述，當(dāng)且Sr≤0.8時(shí)，此超標(biāo)缺陷為安全或可接受。

對(duì)于該缺陷的評(píng)估按照3.1節(jié)所述將數(shù)據(jù)代入式（1）～式（16），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表3中第2行數(shù)據(jù)為缺陷按照最嚴(yán)重表面缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)的計(jì)算結(jié)果；第3行數(shù)據(jù)是按照埋藏缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，代入所有可能出現(xiàn)的缺陷深度p1后得到的危害程度中最大的一種情況的計(jì)算結(jié)果。

表3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，上述評(píng)估結(jié)果在2.2節(jié)條件內(nèi)，該缺陷符合標(biāo)準(zhǔn)中判定為安全或可接受的條件要求。

5 結(jié)論

1）本文對(duì)GB/T 19624—2019標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用在工業(yè)管道領(lǐng)域評(píng)定材料中的超標(biāo)缺陷具有一定參考作用。

2）同時(shí)在計(jì)算超標(biāo)缺陷區(qū)域應(yīng)力時(shí)，本文采用了專(zhuān)業(yè)型軟件與通用型軟件相結(jié)合方式去求解超標(biāo)缺陷區(qū)域應(yīng)力，利用專(zhuān)業(yè)管道分析軟件計(jì)算超標(biāo)缺陷鄰近管段節(jié)點(diǎn)的位移以保證計(jì)算的高效性，并將位移數(shù)據(jù)作為邊界條件應(yīng)用到通用型軟件的模型分析求解中以保證求解的準(zhǔn)確性[11]，為快速、準(zhǔn)確地求解管道特定區(qū)域應(yīng)力探究了一種方法。

3）在實(shí)際檢驗(yàn)任務(wù)中經(jīng)常遇到無(wú)法獲得缺陷深度的壓力管道而又無(wú)法進(jìn)行返修，這時(shí)根據(jù)TSG D7005—2018可對(duì)超標(biāo)缺陷進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，在使用該方法時(shí)需要得到埋藏缺陷距表面深度距離，即缺陷深度，但得到該距離相對(duì)困難，且成本高。在GB/T 19624—2019標(biāo)準(zhǔn)中也沒(méi)有具體說(shuō)明在無(wú)法獲得缺陷深度時(shí)的評(píng)價(jià)方法。

在有限無(wú)損檢測(cè)[12]得出的數(shù)據(jù)中（即無(wú)缺陷深度數(shù)據(jù)的情況下）經(jīng)過(guò)“復(fù)代綜合評(píng)估”對(duì)缺陷進(jìn)行表征的方法，為得出壓力管道的超標(biāo)缺陷安全狀況掃清了無(wú)法獲得缺陷深度的障礙，拓展了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)未覆蓋到的領(lǐng)域。