基于BS 7910的管道環(huán)焊縫缺陷工程臨界評(píng)估研究①

李 安

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司建設(shè)項(xiàng)目管理分公司，河北 廊坊 065000）

長輸油氣管道作為經(jīng)濟(jì)、便捷的石油天然氣傳輸方式，以X65、X70和X80為代表的高鋼級(jí)油氣管道被廣泛采用［1-3］。鐵精礦漿體管道主要采用X65鋼管管道［4］。由于高鋼級(jí)管線鋼焊接性能較低鋼級(jí)管線鋼差、服役環(huán)境惡劣，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)焊接過程中管線鋼焊接接頭中存在大量未熔合或氣孔等缺陷，導(dǎo)致高鋼級(jí)管線鋼管運(yùn)行過程中管道焊縫事故頻發(fā)［5-7］。

工程臨界評(píng)估（Engineering Critical Assessment，ECA）是以斷裂力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)及可靠性系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，以“合于使用為原則”進(jìn)行的評(píng)估［8］。ECA評(píng)估承認(rèn)結(jié)構(gòu)存在構(gòu)件形狀、材料性能偏差和缺陷的可能性，通過應(yīng)力分析、斷裂力學(xué)分析、材料力學(xué)性能分析、無損檢測(cè)等，在考慮經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，科學(xué)分析已存在缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)完整性的影響，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生脆性斷裂、塑性垮塌、疲勞斷裂等失效。海底管道采用ECA評(píng)估技術(shù)較多，主要基于環(huán)焊縫性能給出缺陷的極限尺寸，為工程提供參考［9-12］。BS 7910［13］作為一種基于雙判據(jù)的典型缺陷評(píng)定方法，適用于高鋼級(jí)油氣管道環(huán)焊縫的缺陷評(píng)估（主要采用評(píng)估失效圖（FAD）進(jìn)行評(píng)估）［14］。FAD圖的橫坐標(biāo)（塑性失效比率Lr）從力學(xué)性能的角度來進(jìn)行度量，表征結(jié)構(gòu)趨向于塑性失效破壞的程度；FAD圖的縱坐標(biāo)（斷裂比率Kr）則從斷裂韌性的角度來進(jìn)行度量，表征裂紋在實(shí)際負(fù)載作用趨向于斷裂失效破壞的程度。

本文針對(duì)含缺陷的環(huán)焊縫進(jìn)行工程臨界評(píng)估（ECA），并采用寬板拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證基于規(guī)范的ECA結(jié)果的可靠性。

1 評(píng)估參量

1.1 基本參量

研究所用管道鋼級(jí)為X70，外徑為1 016.0 mm。2種管道的壁厚分別為17.5 mm和21.0 mm，管道運(yùn)行內(nèi)壓9.5 MPa。管道環(huán)焊縫所用焊接工藝為纖維素焊條（AWS A5.1 E6010）根焊，自保護(hù)藥芯焊絲（AWS A5.29 E81T8-Ni2J H8）填充蓋面焊接。

1.2 環(huán)焊縫缺陷尺寸與類型

根據(jù)無損檢測(cè)信息確定本評(píng)估對(duì)象均為含埋藏裂紋管道。使用缺陷容積矩形的高度和長度定義埋藏缺陷，如圖1所示，其中2a表示高度，2c表示長度，p表示韌帶長度，單位均為mm。錯(cuò)邊尺寸選取實(shí)際測(cè)量值中的最大值，B為管道壁厚，單位為mm，具體尺寸如表1所示。

圖1 埋藏缺陷位置和尺寸定義

表1 環(huán)焊縫缺陷尺寸

1.3 斷裂韌性

評(píng)估所需斷裂韌性通過夏比沖擊吸收功（CV）轉(zhuǎn)化而來，同時(shí)參考設(shè)計(jì)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，保守起見，在評(píng)估過程中取CV＝60 J；采用V形缺口沖擊試樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm。

根據(jù)此次評(píng)估環(huán)焊縫接頭脆性斷裂形式，采用在韌-脆轉(zhuǎn)變溫度的下平臺(tái)區(qū)，選取韌脆轉(zhuǎn)變曲線的下包絡(luò)線。對(duì)于在下平臺(tái)脆性區(qū)間工作的材料，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS 7910遵循主曲線方法建立轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式中Kmat為斷裂韌性，N／mm1.5；CV為夏比缺口沖擊吸收功，J；B為試樣厚度，mm。

評(píng)估過程中采用CV＝60 J作為初始條件，由式（1）求得Kmat＝3 533.27 N／mm1.5。

1.4 材料力學(xué)性能

材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度取API X70管線鋼下限要求：屈服強(qiáng)度σs＝485 MPa；抗拉強(qiáng)度σb＝570 MPa，彈性模量E＝207 GPa；泊松比v＝0.3。

1.5 載 荷

本次評(píng)估中將對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行2種工況條件下的服役安全性評(píng)估。

1）服役載荷條件：軸向應(yīng)力內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力＋溫差應(yīng)力（－25℃）＋殘余應(yīng)力（0.4SMYS）＋彎曲應(yīng)力＋錯(cuò)邊引起的附加應(yīng)力。

2）極限設(shè)計(jì)載荷條件：軸向應(yīng)力（設(shè)計(jì)極限載荷（0.9SMYS））＋殘余應(yīng)力（0.4SMYS）＋錯(cuò)邊引起的附加應(yīng)力。

管道服役軸向應(yīng)力：按照《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50251—2015附錄B，由內(nèi)壓和溫度引起的軸向應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中σL為管道軸向應(yīng)力，MPa，拉應(yīng)力取正，壓應(yīng)力取負(fù)；μ為泊松比，取0.3；σh為由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，MPa；P為管道設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，MPa；d為管道內(nèi)徑，mm；δn為管道公稱壁厚，mm；E為彈性模量，207 GPa；α為鋼材線膨脹系數(shù)，取1.2×10－5m／（m·℃）；t1為管道安裝溫度，為10℃；t2為管道運(yùn)行溫度，分別為－15℃和

40℃。

管道極限設(shè)計(jì)載荷：0.9σs＝436.5 MPa（API X70，σs＝485 MPa）。不同規(guī)格的管道服役條件下的軸向應(yīng)力見表2。保守起見，服役條件下的軸向應(yīng)力取值見表3。

表2 管道服役條件下的軸向應(yīng)力

表3 管道服役條件下的軸向應(yīng)力取值

1.6 殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力會(huì)在焊縫位置引起應(yīng)力集中［15］。根據(jù)環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)形式和裂紋擴(kuò)展取向，這里只考慮橫向殘余應(yīng)力的作用（即平行于裂紋擴(kuò)展面法線方向、垂直于焊接方向的殘余應(yīng)力的作用）。保守性假設(shè)殘余應(yīng)力在管道壁厚方向上的分布是均勻的，并且在結(jié)構(gòu)變形過程中不會(huì)發(fā)生重分布和釋放，根據(jù)以往對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，此處殘余應(yīng)力取0.4σs＝194 MPa。

1.7 錯(cuò)邊引起的應(yīng)力集中

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工控制要求，這里錯(cuò)邊尺寸選取實(shí)際測(cè)量值中的最大值。錯(cuò)邊的存在會(huì)使焊接接頭在承受彎曲應(yīng)力時(shí)發(fā)生應(yīng)力變化，結(jié)果直接影響到應(yīng)力強(qiáng)度因子和參考應(yīng)力。BS 7910以膜應(yīng)力函數(shù)的形式給出了計(jì)算彎曲應(yīng)力的公式。對(duì)于同時(shí)承受膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的焊接接頭，公式只應(yīng)用于膜應(yīng)力作用部分。以放大因子km來表示錯(cuò)邊的影響，其定義為：

式中e為錯(cuò)邊量，mm；B為管道壁厚，mm；σsc為因錯(cuò)邊引起的彎曲應(yīng)力最大值；Pm為一次膜應(yīng)力；km為放大因子。錯(cuò)邊引起的應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算如圖2所示。

圖2 管道環(huán)焊縫接頭錯(cuò)邊應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算

2 評(píng)估結(jié)果分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BS 7910，在管道設(shè)計(jì)服役載荷條件和極限設(shè)計(jì)載荷條件下對(duì)6道含缺陷環(huán)焊縫進(jìn)行了斷裂評(píng)估。選用Option 2方法進(jìn)行評(píng)估，通過計(jì)算斷裂比率Kr和塑性失效比率Lr確定評(píng)估點(diǎn)位置，如果被評(píng)定點(diǎn)落入坐標(biāo)軸線的評(píng)定曲線（包括面積）之內(nèi)，則該缺陷可以驗(yàn)收；如果被評(píng)定點(diǎn)落入評(píng)定曲線上或評(píng)定曲線之外，則缺陷被判拒收。這個(gè)方法適用于各種類型的母材和焊縫，所需要的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)在對(duì)應(yīng)的服役溫度下測(cè)試。

表4列出了不同載荷條件下各缺陷的Lr和Kr值，評(píng)價(jià)結(jié)果均為可接受。

表4 管道設(shè)計(jì)服役載荷和極限載荷條件下環(huán)焊縫缺陷的斷裂評(píng)估結(jié)果

3 寬板拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 鋼管環(huán)焊試驗(yàn)

寬板拉伸試驗(yàn)允許的測(cè)試材料尺寸更大，能夠在更加接近實(shí)際工況的情況下反應(yīng)環(huán)焊縫的缺陷容限。

采用直徑1 016 mm的X70鋼管開展了寬板拉伸試驗(yàn)，環(huán)焊縫工藝與評(píng)估的含缺陷環(huán)焊縫一致。寬板拉伸試樣尺寸如圖3所示，平行段外弧寬度為620 mm，試樣總長4 000 mm，夾頭外弧寬度780 mm。

圖3 寬板拉伸試樣的尺寸

3.2 缺陷制備

焊縫缺陷加工在根焊縫的焊縫中心，缺口加工前采用冷加工的方式去除缺口處焊縫余高，然后對(duì)缺陷加工位置處的根焊縫進(jìn)行拋光和浸蝕，定位缺口位置。采用電火花加工方式，在管材內(nèi)側(cè)焊縫根焊處制備缺陷。采用電火花加工雙臺(tái)階缺口時(shí)，起始缺口寬度不大于0.6 mm，最終缺口尖端寬度不大于0.3 mm，缺陷長度為焊縫中心處50 mm，深度2 mm，制備的缺陷如圖4所示。

圖4 寬板拉伸試樣缺陷示意圖

3.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在2 000 t寬板拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，寬板拉伸試樣通過焊接方式連接到兩個(gè)可以重復(fù)使用的夾頭上，拉伸速率1.66 mm／min。依據(jù)最低設(shè)計(jì)溫度－19℃，確定本次試驗(yàn)溫度為－20℃，試樣放在環(huán)境箱中，采用液氮制冷。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

圖5為寬板拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-位移曲線。拉伸過程中最大力為7 096.9 kN，最大位移量為113.3 mm，拉伸強(qiáng)度664.8 MPa時(shí)試件發(fā)生斷裂，該強(qiáng)度超過了X70鋼名義抗拉強(qiáng)度（570 MPa）。

圖5 寬板試驗(yàn)拉伸性能曲線

寬板拉伸試驗(yàn)完成后，拆掉環(huán)境箱后觀察試樣斷裂位置，發(fā)現(xiàn)試樣斷裂在焊縫處。從焊縫斷口可以看出（見圖6），斷裂過程為：自機(jī)加工的缺陷處起裂，向缺陷兩邊焊縫擴(kuò)展至斷裂。通過寬板拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在含a＝2 mm、2c＝50 mm的根焊縫表面機(jī)加工缺陷的情況下，焊縫能夠承受的極限軸向應(yīng)力為664.8 MPa，高于基于規(guī)范的ECA評(píng)估結(jié)果，驗(yàn)證了評(píng)估結(jié)果的可靠性。

圖6 寬板拉伸試樣斷口形貌

4 結(jié) 論

1）針對(duì)含缺陷的環(huán)焊縫進(jìn)行工程臨界評(píng)估，在管道工作載荷條件和管道設(shè)計(jì)極限載荷條件下，當(dāng)夏比沖擊吸收功CV＞60 J時(shí)，環(huán)焊縫中的缺陷尺寸均在可接受范圍內(nèi)。

2）寬板拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了環(huán)焊縫中各缺陷在評(píng)價(jià)輸入?yún)?shù)條件下是可接受的，表明含缺陷焊接接頭的安全裕度較高。

3）基于BS 7910的工程臨界評(píng)估方法，對(duì)管道環(huán)焊縫缺陷能作出有效合理的評(píng)估，在保證接頭力學(xué)性能的同時(shí)能夠避免對(duì)缺陷的過度返修，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。