在用含缺陷鋼質(zhì)壓力管道安全性分析與評(píng)價(jià)

汪顯東 方學(xué)鋒 李源 邵世飛

摘要：鋼質(zhì)壓力管道在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，超標(biāo)缺陷的存在會(huì)影響管道的安全運(yùn)行。采用在用檢驗(yàn)案例，介紹了如何采用斷裂力學(xué)方法對(duì)在役的含缺陷壓力管道開展合于使用性評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：缺陷;鋼質(zhì)管道;評(píng)價(jià)

1 引言

某公司液氨/氨氣管道（運(yùn)行壓力為0.55Mpa，運(yùn)行溫度為7℃），經(jīng)射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在10處焊接接頭存在未熔合、未焊透等超標(biāo)缺陷（見表1）。管道中存在的焊接缺陷會(huì)減少焊縫的承載面積削弱靜力拉伸強(qiáng)度。缺陷形成缺口后在尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成裂紋并擴(kuò)展，最終會(huì)造成管道的泄漏或脆性斷裂。為此，采用斷裂力學(xué)方法對(duì)在役的含缺陷壓力管道開展合于使用性評(píng)價(jià)，確定缺陷是保留還是需要清除。評(píng)價(jià)的過程主要分為兩步：1.運(yùn)用Caesar II軟件對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力校核;2.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB19624-2004對(duì)30處焊口缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 Caesar II管道應(yīng)力校核

2.1 管道材質(zhì)、性能參數(shù)

管道材料為20鋼，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB150與查詢20鋼力學(xué)性能如下：

2.2 軟件分析

根據(jù)竣工資料以及現(xiàn)場(chǎng)采集的管道信息，對(duì)所需評(píng)價(jià)的管道進(jìn)行Caesar II建模。

CaesarII應(yīng)力校核根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3 Processing Piping（工藝管道）進(jìn)行管系的一次應(yīng)力與二次應(yīng)力校核。

軟件計(jì)算結(jié)果見表3：

2.3 計(jì)算結(jié)果

該管道在運(yùn)行工況下（操作壓力和操作溫度見表3）管道的一次應(yīng)力與二次應(yīng)力均滿足ASME B31.3的要求。

3 管道焊縫缺陷評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》判定。

3.2 評(píng)價(jià)方法

壓力管道中存在的焊縫缺陷或缺口尖端存在局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、削弱承載能力，甚至產(chǎn)生脆性斷裂。為此，我們采用斷裂力學(xué)方法對(duì)該管道焊縫缺陷開展合于使用性評(píng)價(jià)，確定缺陷是否滿足合于使用要求。

按GB/T19624-2004《含缺陷壓力容器安全評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)，從安全角度考慮，將焊縫缺陷按平面缺陷（裂紋）處理，采用平面缺陷的常規(guī)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行含缺陷管道合于使用評(píng)價(jià)。

基于雙判據(jù)法的失效評(píng)價(jià)圖理論認(rèn)為，為了保證含缺陷結(jié)構(gòu)的安全性，首先，線彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子必須不大于斷裂韌性，即;第二，施加載荷必須不大于含裂紋構(gòu)件的塑性失穩(wěn)載荷，即，為材料的流變應(yīng)力。引入兩個(gè)無量綱參量，，其中為材料的斷裂韌度，為構(gòu)件的塑性極限載荷。這兩個(gè)判據(jù)表示了兩種不同的失效機(jī)理，以為橫坐標(biāo)和以為縱坐標(biāo)，形成如圖3的失效評(píng)價(jià)圖。

合于使用評(píng)價(jià)的基本過程為：首先確定材料的屈服點(diǎn)、斷裂韌度，分別計(jì)算出一次應(yīng)力和二次應(yīng)力作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，進(jìn)而計(jì)算出斷裂比和載荷比，如評(píng)價(jià)點(diǎn)坐標(biāo)落在失效評(píng)價(jià)曲線以下，表明缺陷滿足合于使用原則，缺陷可以接受。

3.3 評(píng)價(jià)案例

以焊口號(hào)XHD15缺陷為例，其中缺陷深度a=2.0mm，缺陷長度2c=πD。=688mm;

（1） 缺陷尺寸表征

對(duì)缺陷進(jìn)行表征化處理，規(guī)則化為的半橢圓表面裂紋（沒有共面裂紋），尺寸為：

引入GB/T 19624-2004規(guī)范中表5-1缺陷表征尺寸分安全系數(shù)K=1.1，表征尺寸為：

（2） 應(yīng)力的確定

評(píng)價(jià)采取的應(yīng)力為缺陷部位主應(yīng)力，采用彈性計(jì)算方法，并假設(shè)結(jié)構(gòu)不存在缺陷;

1） 缺陷處有內(nèi)壓引起的一次薄膜應(yīng)力，按無力矩理論計(jì)算：

由于本管道系薄壁管道，一次薄膜應(yīng)力沿壁厚視為均勻變化，一次彎曲應(yīng)力Pb為0MPa。

2） 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。對(duì)于本例，僅考慮焊接殘余應(yīng)力。

焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力按二次應(yīng)力考慮。本項(xiàng)目的研究工作未對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)GB/T 19624規(guī)范表5-2的規(guī)定，取σR=0.3σS，得到焊接殘余應(yīng)力引起的二次薄膜應(yīng)力為：

本例無二次彎曲應(yīng)力，即? ? ? ? ? ? ? ?。

按GB/T 19624 《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》表5-1引入應(yīng)力分安全系數(shù)（一次應(yīng)力K=1.5，二次應(yīng)力K=1.0）后，

（3） 材料性能數(shù)據(jù)的確定

20#鋼在操作溫度下的力學(xué)性能見表3。

查DL654-2006《火電機(jī)組壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》[3]附表D2，20#? ? ? ? ? ? ? ? ? ?的平均值為0.216mm

（4） 應(yīng)力強(qiáng)度因子? ? ? ? ? ? ?的計(jì)算

查GB/T19624附錄表D.1～4，當(dāng)a/c=0.005，a/B=0.33時(shí)得到

A點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子遠(yuǎn)高于B點(diǎn)，因此只需要對(duì)A點(diǎn)即裂紋長度方向兩端點(diǎn)進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)即可。

（5） 斷裂比Kr的計(jì)算

表面裂紋缺陷斷裂比按下式計(jì)算：

因?yàn)闆]有共面裂紋所以干涉效應(yīng)系數(shù)G=1

由表5-1取分安全系數(shù)K=1.2，用應(yīng)力強(qiáng)度因子表示斷裂韌度即，

由于? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，查規(guī)范圖5-14，得? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，

當(dāng)Lr<0.8時(shí)，ρ=φ1。所以

（6） 載荷Lr的計(jì)算

Lr是失效評(píng)價(jià)圖FAD的橫坐標(biāo)，它是含缺陷結(jié)構(gòu)塑性失效的指標(biāo)。計(jì)算所用的表征裂紋尺寸和一次應(yīng)力（a，c，σm）取引入安全系數(shù)后的值。

由附錄C中內(nèi)壓圓筒上表面裂紋載荷比計(jì)算：

其中

（7） 安全性評(píng)價(jià)

將5和6計(jì)算的Lr，Kr值所構(gòu)成的評(píng)價(jià)點(diǎn)（Lr，Kr）即點(diǎn)（0.12 ， 0.19）代入函數(shù)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，缺陷處y均大于0。評(píng)價(jià)點(diǎn)位于安全區(qū)內(nèi)，所以該缺陷經(jīng)評(píng)價(jià)是安全的。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)ASME B31.3，所評(píng)價(jià)管道在現(xiàn)工況（表2）下，一次應(yīng)力和二次應(yīng)力均滿足要求;

（2）按GB/T19624-2004平面缺陷評(píng)價(jià)方法，所評(píng)價(jià)管道在現(xiàn)操作條件（表3）下存在的未熔合、未焊透等超標(biāo)缺陷均滿足合于使用要求;

參考文獻(xiàn)：

[1] ASME Code for Pressure Piping，B31.3，New York，USA，2010.

[2] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T19624-2004.

（作者單位：南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院）

第一作者簡介：汪顯東;男;南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院;工程師。