含典型焊接缺陷的管道應(yīng)力校核與安全評定

方學(xué)鋒* 邵世飛 汪顯東 郭 平 張伯君

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院）

0 引言

壓力管道是化工行業(yè)常用的特種設(shè)備，據(jù)市場監(jiān)管總局統(tǒng)計，截至2018 年年底，全國已辦理登記的壓力管道數(shù)量達(dá)47.82 萬km[1]。按照《特種設(shè)備安全法》要求，在“特種設(shè)備目錄”范圍內(nèi)的工業(yè)管道，應(yīng)按照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規(guī)則》規(guī)范要求開展檢驗工作，確保管道運行安全可靠。

1 管道檢驗

對運行3 年的某化工企業(yè)GC2 類工業(yè)管道開展首次定期檢驗，管道參數(shù)可見表1。

表1 壓力管道參數(shù)

2.3 CAESAR Ⅱ軟件計算

依據(jù)ASME B31.3-2016 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力校核，按工藝管道計算管系的一次應(yīng)力與二次應(yīng)力，計算結(jié)果可見表2，該結(jié)果滿足規(guī)范的要求。

通過射線檢測發(fā)現(xiàn)管道焊接接頭存在未焊透缺陷，深度為2 mm，缺陷布滿整圈。按照TSG D7005—2018規(guī)范中第3.2.6.2條，按局部減薄定級可評定為4級。管道系統(tǒng)中存在未焊透缺陷時，會造成其承載面積減小和靜應(yīng)力強度下降，并在缺陷尖端處形成應(yīng)力集中。若管道尖端開口并在拉應(yīng)力作用下裂紋發(fā)生擴展，則極易引發(fā)管道泄漏甚至斷裂。因此，按TSG D7005—2018規(guī)范第2.5條,開展合于使用評價，運用CAESAR Ⅱ軟件對管道進(jìn)行應(yīng)力校核；再根據(jù)GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》[4]對焊口缺陷進(jìn)行評價，確定缺陷是否影響安全。

2 管道應(yīng)力校核

2.1 管材力學(xué)性能

根據(jù)GB 150—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)要求，7 ℃下20#鋼材料的屈服極限σs=239 MPa，彈性模量E=199 GPa。

2.2 模型建立

根據(jù)原始竣工驗收資料和現(xiàn)場采集的含缺陷管段信息，應(yīng)用CAESAR Ⅱ管道應(yīng)力分析軟件建立該管道模型，如圖1 所示。

圖1 管道模型

表2 應(yīng)力計算結(jié)果 %

3 缺陷安全評定

3.1 評定方法

超標(biāo)缺陷未焊透屬于平面型缺陷，根據(jù)GB/T 19624—2019 標(biāo)準(zhǔn)第5.7 條，選用平面缺陷常規(guī)評定方法，即依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中圖5-12 的通用失效評定FAC 曲線，其坐標(biāo)為兩個無量綱：應(yīng)力強度因子和材料斷裂韌度的比值Kr，構(gòu)件的應(yīng)力載荷和極限載荷的比值Lr。如果評定點坐標(biāo)（Lr，Kr）在FAC 曲線下方，表明缺陷滿足合于使用原則，管道是安全可靠的，具體評定值可見圖2。

圖2 通用失效評定FAC曲線

3.2 評定過程

根據(jù)GB/T 19624—2019 標(biāo)準(zhǔn)第5.7 條，首先應(yīng)確定材料的屈服點、斷裂韌度，分別計算出一次應(yīng)力強度因子和二次應(yīng)力強度因子，最后計算出和，再評定坐標(biāo)與FAC 曲線的相對位置情況。

3.2.1 缺陷尺寸表征

3.2.2 應(yīng)力計算

按照彈性計算方法，評定的應(yīng)力采用缺陷部位的主應(yīng)力。

（1）一次應(yīng)力

缺陷處有內(nèi)壓引起的一次薄膜應(yīng)力pm，按無力矩理論計算，按GB/T 19624—2019 標(biāo)準(zhǔn)中表5-1 取一次應(yīng)力分安全系數(shù)1.5，可得到下式：

式中： ——操作壓力，MPa；

t——壁厚，mm。

由于該管道系薄壁管道，一次薄膜應(yīng)力沿壁厚視為均勻變化，一次彎曲應(yīng)力pb=0 MPa。

（2）二次應(yīng)力

二次應(yīng)力包括二次彎曲應(yīng)力和殘余應(yīng)力以及熱應(yīng)力等。本次僅考慮焊接殘余應(yīng)力，根據(jù)GB/T 19624—2019 中表標(biāo)準(zhǔn)5-2 的規(guī)定，考慮殘余應(yīng)力均勻分布于截面上，且為0.3×σs。按GB/T 19624—2019 中表5-1 選取二次應(yīng)力分安全系數(shù)1.0，得到焊接殘余應(yīng)力引起的二次薄膜應(yīng)力 ：

依據(jù)管道應(yīng)力校核的結(jié)果和現(xiàn)場檢查狀況，僅考慮管道焊接殘余應(yīng)力，而不用考慮二次彎曲應(yīng)力，即Qb=0 MPa。

3.2.3 材料性能數(shù)據(jù)的確定

根據(jù)DL/T 654—2009《火電機組壽命評估技術(shù)導(dǎo)則》附表D.2，20#鋼的裂紋尖端張開位移值δe取下限極值0.207 mm。按GB/T 19624—2019 標(biāo)準(zhǔn)公式5-8，計算材料的平面應(yīng)變斷裂韌度KIC：

fm——裂紋結(jié)構(gòu)因子，無量綱；

σb——彎曲應(yīng)力（一次應(yīng)力引起的為pb，二次應(yīng)力引起的為Qb），MPa；

fb——裂紋構(gòu)形因子，無量綱。

3.2.5 計算表面裂紋缺陷斷裂比Kr

按GB/T 19624—2019 標(biāo)準(zhǔn)公式5-9 來計算Kr：

式中：G——相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)，按GB/T 19624—2019附錄A，因為沒有共面裂紋，G=1；

Kp——材料斷裂韌度，即將求得的KIC值除以GB/T 19624—2019標(biāo)準(zhǔn)表5-1中的分安全系數(shù)1.2，可得Kp=KIC/1.2=2 614 MPa·mm1/2；

ρ——塑性修正因子，按GB/T 19624—2019標(biāo)準(zhǔn)公式5-10求得為0.025。

3.2.6 計算載荷比Lr

Lr是評價含缺陷結(jié)構(gòu)塑性失效的指標(biāo)，由GB/T 19624—2019 標(biāo)準(zhǔn)附錄C 中C.2.6 內(nèi)壓圓筒上缺陷載荷比計算公式C.6 可得：

3.3 評定結(jié)果

將上述計算結(jié)果構(gòu)成的評定點Lr，Kr，即（0.12，0.19）代入圖2 的曲線函數(shù)可得：

表3 評定參數(shù)與結(jié)果

4 結(jié)論

（1）依據(jù)TSG D7005—2018 規(guī)范開展的壓力管道定期檢驗，射線檢測發(fā)現(xiàn)管道中焊縫存在未焊透4級缺陷，需要維修處理或進(jìn)一步評價分析。

（2）根據(jù)ASME B31.3 對管道進(jìn)行應(yīng)力校核，結(jié)果表明其一次應(yīng)力和二次應(yīng)力均滿足要求。

（3）依據(jù)GB/T 19624—2019 標(biāo)準(zhǔn)對超標(biāo)缺陷平面缺陷常規(guī)評定方法開展分析，在工作溫度和操作壓力下，未焊透缺陷可接受，該管道可以繼續(xù)使用。