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在役含缺陷压力管道安全评定方法

文档作者：种玉宝于惠君刘明亮唐文庆文档来源：大连市锅炉压力容器检验研究所		点击数：	更新时间： 2021年07月16日
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第39卷第6期
2010年l1月
石油化工设备
PETRO—CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．39 No．6
NOV．2O1O
文章编号：1000—7466(2010)06—0020—03
在役含缺陷压力管道安全评定方法
种玉宝，于惠君，刘明亮，唐文庆
(大连市锅炉压力容器检验研究所，辽宁大连116012)
摘要：简要评述了国内外几种典型的含缺陷压力管道安全评定的方法，并以含超标缺陷压力管道
为例，重点讲述了我国对在役含缺陷压力管道进行安全评定的方法和过程。
关键词：压力管道；缺陷；安全评定；方法
中图分类号：TQ 055．8 文献标志码：B
Safety Assessment M ethods for In—service Pressure Piping Containing Defects
CHONG Yu—bao，YU Hui-j un，LIU Ming-liang，TANG Wen-qing
(Dalian Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute，Dalian 116012，China)
Abstract：The safety assessment several representative methods for pressure piping with defects
are summarized and appraised briefly．Take pressure piping containing over—proof defects for ex—
ample，the safety assessment method and process for in—service pressure piping containing defects
in China are narrated mainly．
Key words：pressure piping；defect；safety assessment；method
压力管道是生产、生活中广泛使用的可能引起
燃爆或中毒等事故、危险性较大的特种设备之一。
由于种种原因，我国相当数量的管道存在着各种各
样的缺陷，需要进行安全评定的超标缺陷数量众多。
而结构中的缺陷并不都会影响结构的使用，不加区
分地对其进行修复，不仅会增加成本，而且有时不恰
当的修复反而会进一步损害材质，使材质性能下降
乃至产生新的缺陷。因此，对在役管道进行检验方
法的研究以及对产生缺陷的管道结构进行安全评定
具有重要意义口州]。在检验与安全评定相结合的情
况下，不但可以保障管道安全，而且可以避免大量含
缺陷管道不必要的更换和返修。
1 常用压力管道缺陷评定规范介绍
近年来，国际上广泛地将缺陷评定及安全评定
称之为完整性评定或合乎使用评定，它不仅包括超
标缺陷的安全评估，还包括环境(介质与温度)的影
响和材料退化的安全评估。按合乎使用原则建立的
结构完整性技术及其相应的工程安全评定规程(或
方法)越来越成熟，已在国际上形成了一个分支学
科，在广度和纵深两方面均取得了重大发展。在广
度方面，新增了高温评定、各种腐蚀评定、塑性评定、
材料退化评定、概率评定和风险评估等内容；在纵深
方面，弹塑性断裂、疲劳、冲击动载和止裂评定、极限
载荷分析、微观断裂分析以及无损检测技术等均取
得了很大的进展。
1．1 以断裂力学J积分为判据的评定方法
对于含缺陷结构，通常采用断裂力学方法进行
失效分析。根据J积分断裂参量而产生的计算方
法，在理论上和试验研究中都被广泛应用。采用．厂
积分的评定方法不仅可评判管道所含裂纹的启裂，
而且还可以进行裂纹扩展的计算。通过含缺陷管道
在载荷作用下产生的断裂推动力-，积分与管道材
料抗断裂阻力( 阻力啦线)的比较，可以判断裂纹
收稿日期：2010-06-02
基金项目：辽宁省质量技术监督局科技计划项目— — 在用压力管道检验与安全分析研究(20076014)
作者简介：种玉宝(1976一)，男，甘肃靖远人，工程师，硕士，主要从事压力管道和压力容器定期检验和监督检验工作。
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第6期 种玉宝，等：在役含缺陷压力管道安全评定方法
的启裂与失稳[7]：
J—J (起裂时)
dJ／da—dJ ／da(塑性失稳时)
式中，J 为材料的断裂韧度，MPa·m ；dJ／da、
dJ ／da分别为推动力和材料阻力对裂纹扩展的变
化率。
1．2 欧洲缺陷评定方法SINTAP
1996年，欧洲委员会为了建立一个统一的合于
使用评定标准，组织了一个研究计划，共有9个国家
的17个组织参加，于1999年完成了欧洲工业结构
完整性评定方法(Structural Integrity Assessment
Procedure)，简称SINTAPl8 。
sINTAP是对焊接结构进行合于使用评定的
一种方法，涉及脆断领域、塑性破坏以及二者间的相
互作用。根据可获得的材料信息量，SINTAP给出
了不同的分析级别。高级别分析比低级别分析需要
更多的信息，但得到的分析结果反而更保守。不可
接受的结果并不是说分析的失败，而应该是把分析
级别推向更高。若低级别的分析足以证明结构安
全，就没必要进行更高级别的分析。
1．3 英国R6评定方法(双判据准则)
R6评定方法是由英国中央电力局提出的，它的
第3版(R／H／R6，Revision3)是被广泛接受的缺陷
评定方法 ]，适用于各种含缺陷结构的脆性断裂、塑
性失稳和弹塑性撕裂的评定，3种断裂评定用1张
评定图表示，图的纵坐标表示结构脆断的性能，横坐
标表示结构的塑性失效行为。
1．4 美国石油学会标准API 579
近年来，美国结构完整性评定技术也有很大发
展，在规范中最引人注目的就是已出版的API 579
《推荐用于合乎使用的实施办法》和API 580~Risk—
Based Inspection}[1 ]。SINTAP、R6的工业背景
主要是电站(包括核电)及海洋石油平台，它们的发
展主要反映了缺陷的断裂评定技术(包括塑性失效
评定)和疲劳评定技术的发展。API 579的工业背
景是石油化工设备，其特点是更多地反映了石油化
工在役设备安全评估的需要。与其他标准的不同之
处是，API 579不仅包括在役设备缺陷安全评估，
还在很广的范围内给出在役设备及其材料的退化损
伤安全评估方法_1 M]。
1．5 ASME XI IWB一3650压力管道缺陷评定规范
ASME XI IWB-3650{铁素体钢管道缺陷评定
规程及验收准则》是美国机械工程师协会制定
的口 。铁素体钢管道的失效模式有脆性断裂、弹塑
性撕裂失稳和塑性失稳3种。ASME XI IWB一3650
规范的编制者经过大量的理论分析、数值计算和试
验研究，把结果加以整理简化，给出了使用极为方便
的表格和简单算式。首先要根据管径及缺陷几何尺
寸、材料性能、外载大小计算参量S ，判别出潜在的
失效模式，最后根据不同的失效模式查出相应的表
格和算式。
1．6 我国在用压力管道缺陷评定规范
我国对压力管道缺陷进行评定主要是依据
GB／T 19624-2004~在用含缺陷压力容器安全评
定》进行_】 。该标准把缺陷分为平面缺陷(裂纹、未
熔合、未焊透及深度大于等于1 mm咬边等)和体积
缺陷(凹坑、气孔、夹渣以及深度小于1 mm 的咬边
等)，给出了含局部减薄、未焊透缺陷压力管道免于
评定条件和塑性失效工程评定方法。首次提出了含
体型缺陷压力管道组合载荷作用下三维结构极限
上、下限分析的逐步渐近法等3种塑性极限载荷分
析的数值计算方法，首次建立了应用简便、精度高、
适用于任意应力应变关系材料的含周向面型缺陷压
力管道的U 因子工程评定方法。
2 在役管道安全评定实例
2007—10，笔者依据文献[16]对如图1所示的大
连某公司液化气管线在检验过程中发现的超标埋藏
缺陷进行了安全性评价。该管线于1997年投入使
用，材料为2O钢，查GB／T 8163 1999《输送流体用
无缝钢管》¨】 ，可知2O钢的下屈服强度R 一
245 MPa，抗拉强度R 一390 MPa，弹性模量E一
200 000 MPa，泊松比 一0．3。管线操作压力
1．6 MPa，操作温度为常温，使用年限10 a。管线外
径为108 mm，公称壁厚为4．0 mm，实测最小壁厚
为3．8 mm，腐蚀速度C2—0．02 mm／a，减去2倍腐
蚀量后的计算厚度B 一3．68 mm。管道焊缝成型
良好，管道支架结构完好，操作平稳，无明显的压力
波动。在焊口D12 根部存在整圈未焊透，自身高
度a=1．0 mm。下次检验周期为3 a后。
图1 液化气管线单线图
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· 22· 石油化工设备 2010年第39卷
2．1 材料断裂韧度计算
由于材料的断裂韧度无法实测，而且在使用状
况下没有脆化倾向，使用温度不低于韧脆转变温度，
因此在评定时根据标准规定，取压力管道材料允许
的最低冲击韧性A 、，一27 J。根据标准给定的材料
允许的最低Axv和， c下限值的关系，对未焊透缺陷
取J ===2．2A 、，，根据换算关系得到以应力强度因
子表示的材料断裂韧度K 一~／EJ ／(1一v )一
3 613 N／mm。 。
2．2 缺陷处应力计算
本次无损检测中所发现的缺陷均为周向缺
陷，故评定时只考虑轴向应力。另外管道操作平
稳，无明显的温度及压力波动，故无须考虑疲劳损
伤的问题。利用ANSYS有限元分析软件中的管
道单元对此液化气管线进行有限元分析，得到焊
口D12 处轴向应力11．839 MPa、最大切应力
2．493 MPa、最大弯曲应力45．862 MPa、轴向合成
应力57．7O1 MPa。
2．3 L 、L，因子及 的确定
确定起裂载荷比L 时，首先计算R ^／／B。／Kc，
缺陷无因次长度 ／7c及缺陷相对深度a／B 由文献
[16]表G．1查得，对于本例则有L 一1．2。
根据u一 壶 ，得【，一1．o8。
由缺陷无因次长度 ／ 及缺陷相对深度a／B ，
查文献E16]表G．2可得许可流变应力比 一1．o7。
2．4 缺陷安全性评价
缺陷是否安全由下式确定：
(am+O'B)≤ (1)
式中， 为轴向膜应力，de为弯曲应力，MPa。
将以上各数值带入式(1)计算可得( + n)：==
57．7 MPa< —(R
—
eL + Rm)a
一314．6 MPa，因此该缺陷
是安全的，并具有一定的安全裕度。
3 结语
随着现代工业和力学、数学、计算机技术的迅
速发展，由于设计压力的提高、高强度钢材的大量
使用、焊接技术的普遍运用以及设备使用的严酷
化等因素，各国都在逐渐对自己的规范及标准进
行修订和改进。对超标缺陷进行合乎使用的评
定，一方面可减少不必要的过大的安全裕度，同时
又考虑到了影响安全的各种因素。在保证安全的
前提下正常恢复使用一批带有缺陷的管道，具有
重要现实意义。
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(张编)

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