在用燃氣管道中含缺陷斜接彎管安全性分析

梁　航

隨著埋地管道服役齡期的增加，埋地時間的增長，管道內外腐蝕、外力的作用以及環境等各種因素的影響，原有的埋地管道缺陷與存在的問題將逐漸顯露出來，埋地管道的安全狀況逐漸發生變化。燃氣埋地管道因防腐層破損或防腐措施失效，管道腐蝕引起泄漏釀成事故的情況時有發生。因此，在對城市埋地燃氣管道開展必要的檢驗檢測的基礎上，采用有限元及風險評估方法對埋地管道進行安全性分析與評定，以確保城市埋地燃氣管道的安全、經濟、有效的運行顯得十分必要。

現針對某城市燃氣公司工作人員在對一條公稱直徑400mm的城區埋地燃氣輸送主管道進行巡線檢查時，檢出該管道一彎頭處防腐層破損，經開挖去除破損的防腐層準備修復時，發現防腐層破損處管道已腐蝕的較嚴重，打磨去除腐蝕銹層后，管道壁上出現一個長約56mm，寬32mm，最深處達4mm的弧狀凹坑。該彎頭系采用鋼管現場焊接而成的斜接彎管，如圖1所示，缺陷出現在圖中A點所示的位置。

圖１、斜接彎頭結構示意圖（圖中尺寸單位為mm）

經查閱該管道原設計圖紙及施工資料得到管道特性參數如下：

該管道設計壓力：0.4MPa；設計溫度：-5℃~55℃；管道材質為Q235B；原設計要求該管段安裝完畢后作特加強級防腐處理，對接焊口作5%的X射線探傷。

根據上述介紹，該公司工程技術人員依據GB50316-2000《工業金屬管道設計規范》，取剩余壁厚作該彎管剩余強度校核如下：

查得材質Q235B的鋼管許用應力[σ]1=113MPa，取該彎管腐蝕裕度C=1.0mm，故剩余有效壁厚tsc=7-4-1=2mm

依據文獻[1]多接縫斜接彎管的最大許用內壓，應取以下兩式中計算的較小值：

式中：為管道平均半徑；為管道焊接接頭系數，局部探傷檢驗取0.8；為斜接彎管的彎曲半徑。

最大允許內壓力取兩計算公式計算結果中的較小值，即最大允許內壓力僅為Pm=0.34MPa，顯然該值小于原設計壓力值0.4MPa。當時該燃氣公司考慮到該管道屬于供氣的主管道，因此決定按常規做法將該彎管予以更換，由于更換彎管的施工造成了較大范圍的停氣。

該彎管僅是局部一處產生凹坑腐蝕，是否就須更換，還能否繼續使用。按照應力分類分析，結構壁厚的局部小范圍的減薄與均勻減薄產生的應力狀況有明顯的不同，局部小范圍的減薄將引起結構在缺陷周邊小范圍內的應力集中，從而產生高應力區，但這種應力影響范圍很小，其中的峰值應力部分還帶有自限性，為了判定在這樣情況下結構是否安全，還能否繼續使用，為今后在遇到類似情況時做出適當的決定，因此有必要對該彎管壁厚減薄后的應力狀況和缺陷對結構強度的影響程度以及結構的安全狀況作相關的強度分析和安全性分析。

一、彎管強度有限元分析

分析90°斜接彎管結構，其具有兩個對稱面，因此對其進行有限元分析時，只需取結構的1/4進行相關分析，對于彎管壁面上腐蝕凹坑采用弧球面擬合形成，建模時斜接彎管壁厚扣除1mm的腐蝕裕度。應用Ansys結構分析程序，采用四面體單元，忽略彎管焊縫余高的影響，對于結構中有可能產生應力集中的區域，尤其是腐蝕凹坑及其邊緣部位采用減小單元幾何尺寸，加密單元的方法，以提高有限元計算精度，經Ansys結構分析程序劃分結構網格，整個模型共形成21291個節點，70759個單元。由于結構的對稱性，對對稱面上的單元節點進行約束，取對稱面法線方向位移為0。在分析結構所受的載荷時，考慮到該管道為埋地管道，且埋深0.8m以上，此時地面溫度的變化對其產生的影響很小，且現場實際在離該彎頭約80m處有一閥門井，閥門的兩側均裝有便于閥門裝拆的柔性管接頭，其可以較好的釋放管道因溫差變化引起的熱脹冷縮，因此可以認為該彎管所受的彎矩很小，可以忽略不計。故此時結構僅受壓力載荷。當結構模型在0.4MPa的設計壓力作用下，經有限元法計算得到結構應力分布云紋圖（如圖2所示）。

由圖2可見該彎管結構在腐蝕凹坑處出現兩處高應力區，其一在腐蝕凹坑缺陷的位置，最大應力強度（Von Mises）達21.254MPa，其應力強度分布如圖3，由圖可清楚的看出該應力強度雖發生在腐蝕凹坑處，壁厚最小的位置，但其應力強度值很小，遠小于彎管材料的許用應力值113MPa，按照應力分類原理可知該應力強度值中還包含有因結構局部薄膜不連續產生的帶有自限性的峰值應力成分。因此從結構強度角度考慮該結構此時還是十分安全的。另一個高應力區發生在斜接管對接焊縫處，該區域應力強度值相對較小，僅為18.6 MPa，從結構分析該處高應力是由結構總體薄膜不連續，在內壓力作用下結構變形協調而產生的應力集中。

二、含缺陷彎管安全性分析

根據缺陷實際狀況可以確定該缺陷屬于管道體積缺陷，對其進行安全性評定。

已知管道外徑2Ro=457mm，管道內徑2R_i=221.5mm，

三、結論

從以上的分析可見，該帶有腐蝕凹坑的斜接彎管，不論依據有限元法得出應力強度，還是從安全性評定的角度分析該斜接彎管在腐蝕凹坑達4mm時依然是安全的。因此，只要對該腐蝕管段在打磨除去腐蝕銹層，并采用特加強級防腐處理后，確保該結構不再繼續受到腐蝕，使缺陷進一步加劇，該彎管可以繼續使用，無需更換。同時在日常巡線中，加強對該管段的檢查，即對不同安全等級的管段，實施不同力度的巡線管理，這樣即可以確保管道的運行安全，又可以避免因換管造成大范圍停氣，而帶來的經濟損失。若該管段的防腐層再次出現破損，管道局部凹坑腐蝕呈蔓延趨勢時，應依據腐蝕實際狀況重新予以評定，確保管段安全運行；隨著“西氣東輸”工程的深入，城鎮燃氣管道輸送介質由煤氣或液化石油空混氣變為天然氣，管道運行參數發生變化時，應考慮對含缺陷的管道進行相關的安全性評定，當安全性評定結果表明管道安全性能指標達不到國家相關標準的要求時，應更換不安全的管段。

任何設備和管道在使用中由于種種原因造成這樣或那樣的缺陷是在所難免的，一味的追求完整性是不科學的，隨著科學技術的進步，應用國家相關標準規范進行安全性評估既有經濟效益，同時也具有一定的社會效益。通過對埋地燃氣管道的檢測與安全性評估，提供管道企業制定合理、經濟的埋地管道管理措施提供科學依據：可以實現按照不同的安全級別，采取不同力度的管理模式，把有限的人力物力用在實際需要上，盡量減少不必要的更換，同時確保管道運行的安全。