常減壓裝置含缺陷管道安全評定分析

摘要：以某常減壓裝置含缺陷管道為研究對象，采用超聲相控陣檢測方法對管道焊接接頭進(jìn)行無損檢測，確定管道缺陷類型和尺寸，根據(jù)GB/T 19624—2019推薦的安全評定方法對管道缺陷進(jìn)行安全評定，通過改變?nèi)毕莸拇笮『烷g距，探究缺陷類型、尺寸和相互位置對管道安全評定的影響，結(jié)果表明：裂紋缺陷單獨存在時，缺陷高度對安全評定影響最大；未焊透缺陷單獨存在時，缺陷長度對安全評定影響最大；兩條缺陷共存時，隨著缺陷間距S的增大，缺陷處應(yīng)力先緩慢增大后快速減小并逐步趨于穩(wěn)定，但是由于管道中缺陷數(shù)量增加，導(dǎo)致兩條單獨存在時均安全的缺陷在共存時可能造成管道不安全。

關(guān)鍵詞：缺陷；常減壓裝置；管道；安全評定

中圖分類號：TQ055.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-4348（2023）01-0006-08

Safety assessment analysis of pipes with defects in atmospheric and

decompression devices

SHI Xiang¹， HUANG Lihong²， GONG Lingzhu¹， SU Xuanji³， HUANG Yaobo³， ZHU Meng¹

（1. School of Ecological Environment and Urban Construction， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， China;

2. School of Mechanical and Automotive Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou， 350118， China;

3. Fujian Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute， Fuzhou 350008， China）

Abstract：The defective pipes in an atmospheric and decompression device were selected as the research object. The ultrasonic phased array detection method was adopted to conduct nondestructive testing on welded joints of pipelines to determine the type and size of pipeline defects. The pipeline defects were assessed according to the safety assessment method recommended by GB/T 196242019. By changing the size and spacing of defects， the influence of defect type， size and mutual location on pipeline safety assessment was investigated. Results show that the height of flaw has the greatest influence on pipeline safety evaluation when the crack defect exists alone. The length of defect has the greatest influence on the safety evaluation when there is incomplete penetration defect alone. When the two defects coexist， with the increase of defect spacing S， the stress at the defect increases slowly first， then decreases rapidly and gradually becomes stable. However， due to the increase in the number of defects in the pipeline， the two defects that are both safe when they exist alone may cause pipeline insecurity when they coexist.

Keywords：defect; atmospheric and decompression pressure device; pipeline; safety assessment

收稿日期：2022-12-05

基金項目：福建省科技計劃項目（2020Y0055）；福建工程學(xué)院橫向科研項目（GYH20090）

第一作者簡介：石祥（1997—），男，陜西安康人，碩士研究生，研究方向：承壓設(shè)備管道的無損檢測與安全評定分析。

通信作者：黃麗紅（1983—），女，福建南平人，講師，博士，研究方向：橡膠材料大變形，設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析。

管道焊接接頭作為常減壓裝置管道最容易產(chǎn)生缺陷的部件^[1]，是對常減壓裝置管道缺陷進(jìn)行安全評定的重中之重。近年來，學(xué)者在管道焊接接頭安全評定方面做了大量研究，方學(xué)鋒^[2]等人通過有限元分析對高溫蒸汽管道進(jìn)行強度計算，并對超標(biāo)缺陷進(jìn)行安全評定；王海鋒^[3]等人采用CAESAR Ⅱ軟件對一段含未焊透缺陷的工業(yè)管道進(jìn)行了應(yīng)力分析與安全評定；李建鋒^[4]等人在得到安全評價結(jié)果后還提出了安全使用管理的建議。目前有關(guān)管道焊接接頭安全評定方面的研究主要都是針對已有缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行安全評定分析，并未對管道焊接接頭不同缺陷類型、尺寸和相互位置對安全狀況及評定結(jié)果影響進(jìn)行研究。本文以福建省某石化企業(yè)常減壓裝置含缺陷管道為研究對象，利用超聲相控陣檢測方法對該管道焊接接頭進(jìn)行無損檢測，并探究管道焊接接頭不同缺陷類型、尺寸和相互位置對管道安全狀況及評定結(jié)果的影響。

1 管道參數(shù)與缺陷尺寸

1.1 管道數(shù)據(jù)與參數(shù)

某常減壓裝置管道投入運行時間為18 a，管道級別為GC2，規(guī)格為Φ159 mm×6 mm，坡口型式為V型，工作介質(zhì)為柴油，材質(zhì)為20#/GB3087，最大工作壓力為1.05 MPa、工作溫度為176 ℃。為方便管道缺陷數(shù)據(jù)的采集，以焊縫中線為基準(zhǔn)，截取焊接接頭兩側(cè)各250 mm（共計500 mm）長管段，并對焊接接頭表面進(jìn)行打磨拋光處理，如圖1所示。

經(jīng)過簡單測量與力學(xué)拉伸試驗，得知該管道焊縫外表面寬度為12 mm，根部寬度6 mm，外表面余高1 mm，根部余高1.5 mm。管道參數(shù)中屈服強度σ_s為245 MPa，抗拉強度σ_b為390 MPa，彈性模量E為206 GPa，泊松比μ為0.3。

1.2 缺陷尺寸

選用某公司生產(chǎn)的ISONIC2009相控陣檢測儀對該管道焊接接頭進(jìn)行無損檢測。為滿足檢測覆蓋和靈敏度的要求，本次試驗選用探頭型號為7.5 MHz16P0.5-10的自聚焦探頭，該探頭頻率為7.5 MHz，晶片間距0.5 mm，晶片長10 mm，晶片數(shù)量16個。檢測結(jié)果見表1。

2 管道安全評定的關(guān)鍵

根據(jù)GB/T 19624-2019^[5]和表1數(shù)據(jù)可知，1#裂紋缺陷屬于平面型缺陷，2#未焊透缺陷屬于體積型缺陷。缺陷處的應(yīng)力是安全評定的關(guān)鍵^[6]，只有正確計算缺陷處應(yīng)力，才能保證安全評價的可靠性。

2.1 1#裂紋缺陷安全評定的關(guān)鍵

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中附錄G的內(nèi)容可知，對于1#裂紋缺陷，采用U因子評定法，利用（1）式中的判據(jù)進(jìn)行評定：

式中，σ_m為缺陷處的軸向薄膜應(yīng)力，MPa；σ_B為缺陷處的彎曲應(yīng)力，MPa；σ_s為管道材料的屈服強度，MPa；σ_b為管道材料的抗拉強度，MPa；U為U因子；[σ^-]為許可流變應(yīng)力比，查表G.3可得；n_p為載荷安全系數(shù)，取n_p=1.5。

由上式可知，缺陷處的軸向膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力是1#裂紋缺陷安全評定流程的關(guān)鍵。

2.2 2#未焊透缺陷安全評定的關(guān)鍵

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中附錄H的內(nèi)容可知，對于2#未焊透缺陷， 利用（2）式中的判據(jù)進(jìn)行評定：

式中，P為缺陷處承受的壓力，MPa；M為缺陷處承受的彎矩 ，N·m；P_LS為含缺陷管道在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓，MPa；M_LS為含缺陷管道在純內(nèi)壓下的塑性極限彎矩， N·m。

由式（2）可知，缺陷處承受的壓力和彎矩是2#未焊透缺陷安全評定流程的關(guān)鍵。而彎矩又由（3）式獲得

M=πR²Tσ """（3）

式中，R為缺陷處管道半徑， mm；T為管道壁厚，mm；σ為缺陷處最大應(yīng)力，MPa。因此對于2#未焊透缺陷，缺陷處最大應(yīng)力是安全評定的關(guān)鍵。

3 不同缺陷對安全評定結(jié)果的影響

3.1 實測缺陷的安全評定分析

利用ANSYS 軟件Workbench模塊^[7]對該管道焊接接頭缺陷處的應(yīng)力進(jìn)行模擬計算^[8]。取管道長度500 mm，分別將1#裂紋缺陷和2#未焊透缺陷簡化為長L、高H、焊縫寬度12 mm的缺陷模型，不考慮焊縫余高以及其他焊接缺陷的影響，簡化后含缺陷有限元模型如圖2所示。未焊透缺陷在管道內(nèi)壁，為顯示出缺陷位置將管道部分模型進(jìn)行隱藏。選用四面體網(wǎng)格，對缺陷附近焊縫影響區(qū)和缺陷處網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，細(xì)化后焊縫影響區(qū)單元格尺寸為1 mm，缺陷處單元格尺寸為0.1 mm，其余部位單元格尺寸為10 mm。約束與載荷方面，僅考慮該管道在受1.05 MPa內(nèi)壓下缺陷處應(yīng)力的大小變化規(guī)律，不考慮重力和其他載荷的影響。由于管道環(huán)向截斷面形狀規(guī)則且完全對稱，因此，在管道的左右端面上設(shè)置對稱約束；同時，為防止管道轉(zhuǎn)動，在管道左端面上選擇一點施加x=0 mm、y=0 mm和z=0 mm的位移約束。

對于1#裂紋缺陷，由標(biāo)準(zhǔn)中判定依據(jù)及評定要求可知，對該缺陷進(jìn)行評定需要獲取軸向薄膜應(yīng)力σ_m和彎曲應(yīng)力σ_B之和（以下簡稱合應(yīng)力）。為得到裂紋缺陷的合應(yīng)力，沿著缺陷的壁厚從內(nèi)壁向外壁分別在缺陷的4條邊上設(shè)立4條路徑^[9]，并對路徑上的應(yīng)力進(jìn)行線性應(yīng)力化^[10]處理便可得到缺陷4條路徑上的薄膜應(yīng)力、合應(yīng)力以及峰值應(yīng)力，由于峰值應(yīng)力不會引起管道結(jié)構(gòu)任何明顯變化，因此，僅對路徑上的合應(yīng)力進(jìn)行分析，線性應(yīng)力化處理結(jié)果見表2。本文重點分析常減壓裝置含缺陷管道的安全情況，因此選擇4條路徑上最大的合應(yīng)力進(jìn)行分析，最大合應(yīng)力云圖見圖3（a）。

通過等效應(yīng)力理論，對2#未焊透缺陷的應(yīng)力進(jìn)行分析，得出缺陷處的最大應(yīng)力，應(yīng)力變化云圖見圖3（b）。

3.2 不同尺寸裂紋缺陷的評定與分析

以文中檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別改變裂紋缺陷的高度和長度，分析裂紋缺陷單獨存在時缺陷處的應(yīng)力變化以及不同裂紋缺陷尺寸對安全評定的影響。保持裂紋缺陷長度34.7 mm不變，改變裂紋缺陷高度（管道壁厚6 mm）分別為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mm，合應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見圖4（a）；保持裂紋缺陷高度3.0 mm不變，改變裂紋缺陷長度分別為34.7、54.7、74.7、94.7、114.7 mm，合應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見圖4（b）。

由圖4可知，裂紋缺陷單獨存在時，隨著缺陷高度和長度的增加，缺陷處合應(yīng)力逐步增大。由表3數(shù)據(jù)可知，當(dāng)裂紋缺陷長度維持34.7 mm不變的情況下，缺陷高度低于3.0 mm時，管道安全，缺陷高度高于3.0 mm時，管道不安全；當(dāng)裂紋缺陷高度維持3.0 mm不變的情況下，缺陷長度小于114.7 mm時，管道安全，缺陷長度大于114.7 mm時，管道不安全。

結(jié)合圖4和表3可知，裂紋缺陷單獨存在時，缺陷高度對裂紋缺陷合應(yīng)力影響最大，合應(yīng)力呈逐步上升趨勢，當(dāng)缺陷高度為4.0～5.0 mm時，由于接近管道內(nèi)壁，受管道內(nèi)壓的影響，裂紋缺陷路徑上合應(yīng)力增大速率減緩，但此時對管道安全評定影響最大。而缺陷長度變化對合應(yīng)力影響較小，合應(yīng)力增長速度緩慢，且缺陷長度變化得到的合應(yīng)力數(shù)值相對較小，對管道安全評定影響也較小。

3.3 不同尺寸未焊透缺陷的評定與分析

以文中檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別改變未焊透缺陷的高度和長度，分析未焊透缺陷單獨存在時，缺陷處的最大應(yīng)力變化以及不同未焊透缺陷尺寸對安全評定的影響。保持未焊透缺陷長度30.8 mm不變，改變未焊透缺陷高度（管道壁厚6 mm）分別為1.1、2.1、3.1、4.1、5.1 mm，最大應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見圖5（a）；保持未焊透缺陷高度3.1 mm不變，改變未焊透缺陷長度分別為10.8、20.8、30.8、40.8、50.8 mm，最大應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見圖5（b）。將（2）式判據(jù)不等式左側(cè)定義為C=PP_LS²+MM_LS²，將最大應(yīng)力數(shù)據(jù)帶入（3）式判據(jù)中，得到彎矩M ，結(jié)合管道在純內(nèi)壓下的塑性極限內(nèi)壓和彎矩數(shù)據(jù)對其安全性進(jìn)行分析，安全評定判據(jù)與結(jié)果見表4。

由圖5可知，未焊透缺陷單獨存在時，隨著缺陷高度和長度的增加，缺陷處最大應(yīng)力也逐步增大。由表4數(shù)據(jù)可知，當(dāng)未焊透缺陷在長度維持30.8 mm不變的情況下，缺陷高度小于2.1 mm時，管道安全；缺陷高度大于2.1 mm時，管道不安全。當(dāng)未焊透缺陷在高度維持3.1 mm不變的情況下，缺陷長度小于10.8 mm時，管道安全；缺陷長度大于10.8 mm時，管道不安全。

結(jié)合圖5和表4可看出，未焊透缺陷單獨存在時，雖然缺陷處最大應(yīng)力數(shù)值較小，增幅較慢，但管道安全受缺陷的高度和長度變化的影響，其中缺陷長度變化對管道安全評定影響最大。

3.4 缺陷共存時相互位置對安全評定的影響

分別選擇兩條裂紋缺陷和兩條未焊透缺陷，通過改變兩條缺陷的相互位置，分析兩條缺陷共存時相互位置對安全評定的影響。缺陷相互位置示意圖見圖6，缺陷數(shù)據(jù)見表5，為方便后續(xù)說明，此處將缺陷①定義為短缺陷，缺陷②定義為長缺陷。

結(jié)合表3和表4數(shù)據(jù)可知，表5中單獨存在的裂紋缺陷和單獨存在的未焊透缺陷均安全。通過改變不同的缺陷間距S來控制缺陷的相互位置，對于兩條裂紋缺陷，改變量分別為30、40、50、60、70 mm，缺陷處合應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見圖7（a）；對于兩條未焊透缺陷，改變量分別為3、4、5、6、7 mm，缺陷處最大應(yīng)力變化數(shù)據(jù)見圖7（b），安全評定判據(jù)與結(jié)果見表6。

由圖7可知，當(dāng)兩條缺陷共存時，隨著兩條缺陷間距的增加，缺陷處應(yīng)力整體趨勢為先緩慢增大后快速減小，最后趨于穩(wěn)定。由表6可知，兩條單獨存在時均安全的缺陷共存時有可能造成管道不安全。

結(jié)合圖7和表6可知，兩條缺陷共存時，當(dāng)缺陷間距S小于短缺陷長度時，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19624-2019規(guī)定需將兩條缺陷合并為一條長L=L₁+S+L₂的缺陷，隨著間距S增大，合并后的缺陷變長，應(yīng)力緩慢增加。當(dāng)缺陷間距S大于短缺陷的長度時，根據(jù)GB/T 19624—2019中的規(guī)定，兩條缺陷的間距已經(jīng)不足以影響到對方，因此缺陷處應(yīng)力快速減小，最后趨于穩(wěn)定。但是由于管道中缺陷數(shù)量增加，導(dǎo)致兩條單獨存在時均安全的缺陷在共存時可能造成管道不安全。

4 結(jié)論

1）當(dāng)1#裂紋缺陷單獨存在時，缺陷高度變化對管道安全評定影響最大，不同高度下，缺陷處合應(yīng)力變化顯著。缺陷長度變化對管道安全評定影響較小，不同長度下，缺陷處合應(yīng)力變化微?。划?dāng)2#未焊透缺陷單獨存在時，缺陷高度變化對缺陷處最大應(yīng)力影響較大，但對管道安全評定影響較小，而缺陷長度變化對缺陷處最大應(yīng)力影響較小，但對管道安全評定影響最大。

2）兩條缺陷共存時，隨著缺陷間距S的增大，缺陷處應(yīng)力先緩慢增大后快速減小，最后趨于穩(wěn)定。這是因為當(dāng)缺陷間距S較小時，需將兩條缺陷合并為一條長L=L₁+S+L₂的缺陷，合并后的缺陷變長，缺陷處應(yīng)力緩慢增加。而當(dāng)缺陷間距S大到一定程度時，由于兩條缺陷的間距已經(jīng)不足以影響到對方，因此缺陷處應(yīng)力快速減小并逐步趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]張華. 壓力管道焊接接頭裂紋原因分析[J]. 中國設(shè)備工程，2022（13）：164-166.

[2]方學(xué)鋒，張伯君，梁斌，等. 高溫蒸汽管道焊接接頭缺陷分析與安全評定[J]. 煉油與化工，2020，31（4）：53-55.

[3]王海鋒，郭濤，周海彥. 在用含未焊透缺陷工業(yè)管道的安全評定[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備，2021（1）：6-8.

[4]李建鋒，周昌宗. 含未熔合缺陷壓力管道安全評定[J]. 石化技術(shù)，2022，29（8）：27-29.

[5]國家市場監(jiān)督管理總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 在用含缺陷壓力容器安全評定：GB/T 19624—2019[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

[6]張皓，鄭朋剛. 壓力管道的分析、評定和檢測[J]. 化工管理，2018（27）：216-217.

[7]北京兆迪科技有限公司. ANSYS Workbench 19.0結(jié)構(gòu)分析從入門到精通[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2019：326.

[8]程新宇，馮曉偉，李治貴，等. 基于ANSYS/WORKBENCH的壓力容器接管應(yīng)力分析[J]. 石油和化工設(shè)備，2011，14（2）：5-8.

[9]鐵摩辛柯，古地爾.彈性理論[M]. 徐芝綸，譯. 北京：高等教育出版社，2013：523.

[10]黃昆. 在用含缺陷壓力管道的安全性分析[J]. 機電技術(shù)，2013，36（4）：149-153.

（責(zé)任編輯：陳雯）