基于標準BS7910的管道螺旋焊縫缺陷評估方法研究

中國石油管道公司 宋漢成 王學力 馮慶善 王婷 張海亮 戴聯雙

近年來油氣管道處于快速發展時期，出現了西氣東輸一線、西氣東輸二線、秦沈線、長長吉等天然氣管道，蘭鄭長等成品油管道，漠大線、大錦線、新大二線、惠銀線、石蘭線等原油管道，再加上70年代建設的東北老管網等，逐漸形成了國內的油氣管道網絡。

為了緩解能源需求的增加，一是新建了高輸量高壓力的油氣管道，二是原有的低輸量低壓力油氣管道也面臨增輸問題。這就導致了原油老管道當時制管水平下存在的螺旋焊縫缺陷等暴露出來，進入焊縫開裂事故高發期，而新建管道雖然制管水平較當年有了較大提高，但由于輸送介質和外界環境較復雜，也會造成裂紋或類裂紋型萌生，嚴重威脅到管道的安全運行。

針對老管道的制管產生或新建管道后期產生的裂紋檢測難題，清華大學針對天然氣管道的裂紋檢測做了大量的研究工作，能夠實現長輸管道的無損檢測，定量裂紋的尺寸。中國石油科技研究中心利用三軸高清漏磁技術對東北老管道進行了工程實踐，證明了三軸高清漏磁檢測技術探測焊縫類裂紋缺陷的可行性。但對于檢測出來的類裂紋缺陷的適用性評估仍存在一些問題，缺少包含相應的螺旋焊縫類裂紋缺陷評估方法的標準和壓力試驗。目前國際上成熟普通裂紋類缺陷的評價標準為：《適用性評估推薦規范》(API RP 579—2007)和《金屬結構中缺陷可接受性評估方法指南》(BS 7910—2005)，標準針對軸向和環向的類裂紋缺陷標準給出了建議性的評估公式。本文在BS 7910軸向裂紋缺陷評估的基礎上借助缺陷投影的方式給出了螺旋焊縫類裂紋缺陷的評估公式。

1 鼓脹因子

針對承受內壓的管道，假設存在軸向投影長度為 2c的螺旋焊縫類裂紋缺陷，首先應進行裂紋的斷裂力學分析，計算出類裂紋缺陷處的應力強度因子KI(MPa)，并對比材料的斷裂韌性Kmat(MPa)，便可判定裂紋會不會失穩擴展，BS 7910給出參考公式(1)。

式中：c—裂紋缺陷的半長，mm；

R—管道半徑，mm；

t—為管道壁厚，mm；

σθ—為由于內壓產生的環向應力，MPa；

MT—裂紋鼓脹因子。

裂紋鼓脹因子 MT，也是應力放大因子，在裂紋的鄰近區域，應力σθ放大到MTσθ，對于含同樣缺陷的平板(平板較大，邊界的影響可以忽略)該因子為1，對于圓柱殼體管道，BS 7910等給出計算公式(2)，可以看出，如果裂紋較短或管道半徑較大，則MT接近于1，此時管道的膨脹因子計算類似于平板模型。

鼓脹因子在對管道裂紋的評估影響較大，其精度嚴重影響評估的準確性，有必要對其進行有限元模擬并與BS 7910推薦的公式進行對比，以驗證BS 7910推薦公式的可靠性，確保后續評價更加準確。為此本文作者將螺旋焊縫類裂紋缺陷借助有限元建模并與缺陷投影建模進行了比較，建模和模擬結果分別見圖1和圖2。

圖1 有限元模型

圖2 應力分布

根據鼓脹因子 MT的有限元模擬結果，對有限元模擬結果與 BS 7910的計算結果進行了對比分析，具體見圖3可以看出對于較長的裂紋BS 7910的結果相對有限元模擬結果偏于保守，兩者之間具有約1.2倍系數關系，即，故公式(1)可以利用公式(3)代替。

圖3 1/MT與c/ R t的關系

2 塑性失效評估

對于管道的內嵌裂紋替代為表面裂紋是保守的，所以針對管道只討論表面裂紋即可，對于薄殼結構，也不用區分內外表面裂紋，計算參考應力或缺陷剩余韌帶承受的應力見公式(4)。

BS 7910針對式(4)使用了附加因子1.2，對于孤立缺陷不需有限寬度修正，否則會造成評估結果保守，故本論文沒有采用1.2的附加因子。MS為表面裂紋的應力放大因子，管道厚度的部分缺失導致殘余韌帶的應力升高MS倍，其計算公式為(5)。

對于缺陷長度2c=0(無缺陷)時，1/MT=1，此時MS=1，應力沒有放大，即承受的應力仍為σθ。對于缺陷長度2c遠大于1(無限長缺陷)，1/MT=0，此時MS=1/(1-d/t)，相當于在相關公式中使用凈截面應力，應力放大了 MS倍，管道軸向裂紋的塑性破壞失效可公式(6)控制，其中σf為材料的流動應力。

3 應力放大因子

對于管道的軸向裂紋，缺陷深度d遠小于缺陷半長c，BS 7910給出了半橢圓形狀的表面裂紋缺陷最深點處的Mm的計算公式(7)。

其中：

對于較長的裂紋，d/t接近于0，也可以采用無限長裂紋的公式，即平板長表面裂紋的單邊張開型裂紋模型，可以給出裂紋應力因子Mm與深度比d/t的關系，見圖7，可以看出當d/t>0.6時，Mm急劇增大，預示斷裂的可能性大大增加，所以對于長的深裂紋，斷裂的可能性很大，在進行評估時應特別注意，管道運營單位也應在運行中高度關注這些高風險點，另外從圖8中也可以看出對于較淺的裂紋，長度對于裂紋應力因子Mm的影響不大，而對于較深的裂紋，長度增大會使Mm急劇增大，對于管道缺陷，較深且較長的裂紋容易失效，造成嚴重后果。

4 斷裂失效評估

管道的軸向裂紋，如果已經穿透，此時的關鍵是要保證只產生泄露，而裂紋不會產生失穩擴展的破壞性后果。因此，要計算軸向穿透裂紋的應力強度因子，與平板的計算公式不同的是要乘一個應力放大因子 MT，這是由于缺陷管道的膨脹變形造成的，也稱為鼓脹修正因子。如果裂紋長度較長且全部穿透，因子很大，KI很可能超過材料的斷裂韌性，所以要保證裂紋不穿透或局部穿透造成泄露，應及時修復這些缺陷。標準BS7910給出了管道軸向表面裂紋會不會穿透的計算公式(8)。

5 試驗驗證

針對軸向裂紋缺陷的修正評估公式的適用性，進行了含軸向裂紋管道的靜壓試驗，共進行了6組壓力試驗，進行了實際失效壓力與預測壓力的對比分析，從對比結果圖 10中可以看出修正的評估公式預測的失效壓力與實際失效壓力非常接近，且都在實際失效壓力/預測失效壓力為1的線下方，評估點偏于安全，誤差分析可知評估最大誤差為4.76%，均控制在5%的誤差以內，修正評估公式可以很好的用于油氣管道軸向裂紋的適用性評估。

6 結論

論文給出的天然氣輸氣管道軸向裂紋評估修正公式預測出的失效壓力與壓力試驗數據具有很好吻合性，說明了修正方法的正確性及可靠性，可以將本文提供的修正公式應用到天然氣輸氣管道的工程應用上，提高管道的可控性，保障管道的安全運行。