工業(yè)管道合于使用評定軟件的開發(fā)及應(yīng)用

楊宇清* 惠 虎

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 2.華東理工大學(xué)化工機(jī)械研究所）

對含缺陷壓力管道進(jìn)行合于使用評定是使用單位、檢驗機(jī)構(gòu)和監(jiān)察機(jī)構(gòu)的共同需求。開展評定工作需要具有專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗,而且評定標(biāo)準(zhǔn)包含了大量的公式、數(shù)據(jù)表格，純粹靠人工計算完成一項評定任務(wù)，需要花費大量的人力資源和時間。為了輔助評定人員對含缺陷工業(yè)管道快速準(zhǔn)確作出安全評定，將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)軟件化、智能化，并融入大量的數(shù)據(jù)庫、評定案例庫及專家知識庫信息，對于提升我國含缺陷合于使用評定的水平，實現(xiàn)評定工作自動化及智能化，都具有十分重要的意義。

本文依據(jù)GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》，API 579-1/ASME FFS-1 2016 "Fitness-For-Service"等標(biāo)準(zhǔn)中含缺陷壓力管道合于使用評定方法，以Visual C++ 2010 作為開發(fā)軟件，將2 種標(biāo)準(zhǔn)中的含缺陷壓力管道合于使用評定方法程序化，將標(biāo)準(zhǔn)中大量的圖和表保存在軟件數(shù)據(jù)庫中，并建立了相關(guān)材料數(shù)據(jù)庫、評定案例庫等，開發(fā)了工業(yè)管道合于使用評定軟件，該軟件能在Windows 操作系統(tǒng)（Windows Me，Windows2000 以及Windows XP 及以上版本）下運行。該軟件可實現(xiàn)對含面型缺陷、體積型缺陷壓力管道的安全評價及疲勞評定。在使用時用戶輸入壓力管道的結(jié)構(gòu)尺寸、材料性能以及檢測到的缺陷數(shù)據(jù)，軟件即可自動對典型含缺陷工業(yè)管道進(jìn)行評價分析。對典型含缺陷的壓力管道進(jìn)行了評定分析，研究結(jié)果表明，該軟件進(jìn)行工業(yè)管道合于使用評定時準(zhǔn)確、快速、智能、界面友好且使用方便。

1 軟件功能模塊

該軟件主要包括用戶管理、含面型缺陷的工業(yè)管道安全評定、含體積型缺陷的工業(yè)管道安全評定、含面型缺陷的工業(yè)管道疲勞評定、含體積型缺陷的工業(yè)管道安全評定、文件及報告管理等模塊，各模塊可通過程序主界面進(jìn)行調(diào)用，并且模塊之間相互聯(lián)系、有機(jī)結(jié)合。另外，軟件還配備了材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫、材料與介質(zhì)相容性等數(shù)據(jù)庫以及應(yīng)力強(qiáng)度因子計算、載荷比計算、缺陷干涉效應(yīng)計算、斷裂韌性數(shù)據(jù)估算等知識庫模塊，既能服務(wù)于各評定模塊，又方便了用戶直接查詢。軟件總體框架圖如圖1 所示。該本軟件將各功能模塊的問題過程模型化，采用面向?qū)ο蟮姆治龇ǎ⒘饲逦⒂押玫娜藱C(jī)界面。

2 主要模塊設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)

2.1 用戶管理模塊

該模塊由管理員登錄、用戶登錄、注銷等三部分組成，可實現(xiàn)管理員對用戶賬號、密碼的分配、用戶登錄及密碼修改等功能。該功能主要通過軟件添加或讀取自編格式的manager.cod 文件中的用戶及密碼信息來實現(xiàn)。只有管理員或用戶登錄成功后，軟件其他部分的功能才能被使用。

2.2 含面型和體積型壓力管道缺陷靜強(qiáng)度工況和疲勞工況評定

該模塊可分別選擇GB/T 19624—2019 或API 579-1 這2 種標(biāo)準(zhǔn)，對含面型缺陷、體積型缺陷的壓力管道在靜載荷工況或疲勞工況下進(jìn)行評定。可評定的面型缺陷包括軸向裂紋和周向裂紋，體積型缺陷包含凹坑、氣孔、夾渣和特定未焊透等缺陷，可評定的焊接接頭形式包括對接接頭和角接接頭。

圖1 軟件總體框架圖

以含面型缺陷壓力管道的合于使用評定模塊為例，其缺陷評定流程可見圖2，其評定過程主要包括以下幾個方面。

2.2.1 缺陷數(shù)據(jù)輸入及規(guī)則化

用戶可從界面輸入檢測到面型缺陷的位置、長度、深度等參數(shù)，輸入時需要考慮檢測方法的精度，輸入相對保守的數(shù)據(jù)。軟件會按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的缺陷規(guī)則化方法對面型缺陷進(jìn)行規(guī)則化，將其簡化為規(guī)則的表面橢圓裂紋、埋藏橢圓裂紋或穿透裂紋。

圖2 軸向裂紋面型缺陷評定流程圖

2.2.2 管道數(shù)據(jù)輸入及應(yīng)力水平計算

對典型結(jié)構(gòu)典型缺陷管道評定時，用戶需要輸入相應(yīng)的參數(shù)（設(shè)計壓力、管道直徑和壁厚等），軟件根據(jù)存儲的公式計算得到應(yīng)力分析結(jié)果，以及管道缺陷處的一次應(yīng)力（薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力）和二次應(yīng)力（薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力）；對非典型結(jié)構(gòu)非典型部位管道評定時，用戶需要將有限元分析結(jié)果手動輸入軟件，再由軟件進(jìn)行相應(yīng)計算后得到結(jié)果。

2.2.3 材料性能數(shù)據(jù)輸入

合于使用評價時需要輸入材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性等材料性能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最好取自評定的管道本身，但是對在役管道取樣較為困難，可在軟件中將一些常用材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)下限值及實測斷裂韌性數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)用戶選擇材料時，軟件可直接調(diào)用某些材料數(shù)據(jù)，供用戶參考。用戶輸入的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)應(yīng)充分估計使用環(huán)境對材料性能的影響。

2.2.4 其他數(shù)據(jù)庫的調(diào)用

該軟件已將標(biāo)準(zhǔn)中涉及的大量數(shù)據(jù)、圖表程序化并導(dǎo)入BaseTable.mdb 數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)需要時，軟件會通過ODBC 調(diào)用該數(shù)據(jù)庫，采用內(nèi)插法求得對應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行計算。另外，該軟件中的事故案例數(shù)據(jù)庫記錄了多個化工企業(yè)發(fā)生的壓力容器及管道失效事故案例數(shù)據(jù)，包括發(fā)生事故的設(shè)備名稱、類別、體積、半徑、材料、介質(zhì)、缺陷、產(chǎn)生缺陷原因、缺陷部位、事故后果、時間、地點等信息，有助于軟件使用者借鑒分析。

該軟件建立了各數(shù)據(jù)庫字段、變量之間的對應(yīng)關(guān)系，通過InquireTable 類的對象來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的檢索，或者以內(nèi)插方法求取表中數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查詢方便、快捷、準(zhǔn)確。

2.2.5 知識庫模塊的調(diào)用

該軟件在進(jìn)行結(jié)構(gòu)失效模式判別，或者當(dāng)材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)缺乏時，可調(diào)用專家系統(tǒng)知識庫模塊。當(dāng)啟動專家知識庫時，軟件會啟動推理機(jī)，根據(jù)推理規(guī)則、比較事實庫中的信息匹配度，并搜索相關(guān)知識庫中的信息。知識庫與數(shù)據(jù)庫模塊相互關(guān)系可見圖3。

上文中的知識庫是指廣義的知識庫，包含了缺陷規(guī)則化子模塊、載荷比計算子模塊、應(yīng)力強(qiáng)度因子計算子模塊以及含缺陷結(jié)構(gòu)失效模式判別子模塊以及材料斷裂韌性數(shù)據(jù)缺乏時，專家?guī)熳幽K等。當(dāng)材料斷裂韌性數(shù)據(jù)缺乏時專家?guī)熳幽K收集了瑞典SAQ標(biāo)準(zhǔn)，API 579 標(biāo)準(zhǔn)，BS7910 標(biāo)準(zhǔn)及學(xué)術(shù)論文以及有關(guān)專家關(guān)于斷裂韌性的估算方法，同樣也是按照產(chǎn)生式規(guī)則來實現(xiàn)知識表達(dá)。

圖3 專家系統(tǒng)知識庫等各模塊相互關(guān)系

2.2.6 選擇合適的評定方法評定并得出結(jié)果

合于使用評定模塊嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的步驟進(jìn)行評定，如基于GB/T 19624—2019 對軸向裂紋評定時將按照雙參量斷裂評定法通用失效評定圖進(jìn)行計算，如基于GB/T 19624—2019 對環(huán)向裂紋評定時將按照U因子法對裂紋進(jìn)行評定。

3 實際應(yīng)用示例

選取某石化企業(yè)含保溫層下腐蝕管線進(jìn)行評定，其基本情況如表1 所示，腐蝕凹坑規(guī)則化后的形態(tài)如圖4 所示。

表1 含凹坑缺陷管道基本情況

圖4 單個凹坑缺陷表征示意圖

評定所運用的屈服強(qiáng)度為試驗獲得的屈服強(qiáng)度σs=284.14 MPa，軟件評定步驟如下。

（1）打開軟件，通過登陸頁面進(jìn)入計算主頁面。選擇“體積缺陷評定”“局部減薄凹坑-按GB/T 19624”欄，輸入管道及缺陷尺寸，如圖5 所示。同時輸入管道工作壓力、工作溫度等參數(shù)，得到評定結(jié)果為“安全”，評定報告示意圖可見圖6。

圖5 GB/T 19624—2019評定凹坑缺陷尺寸輸入框示意圖

圖6 評定報告示意圖

（2）打開軟件，通過登陸頁面進(jìn)入計算主頁面。選擇“體積缺陷評定”、“局部減薄凹坑-按API 579”欄，輸入管道及缺陷尺寸，如圖7 所示。檢查輸入的數(shù)據(jù)，確認(rèn)正確后點擊“確定”，得到評定結(jié)果為“安全”，評定報告如圖8 所示。

（3）由于篇幅限制，本文省略了根據(jù)GB/T 19624—2019 和API 579-1 標(biāo)準(zhǔn)中計算步驟的手算過程，計算結(jié)果與軟件的計算結(jié)果一致。由此可見，采用軟件計算，大大降低了使用人員的難度和減少了其工作量，而且可以將按照2 種標(biāo)準(zhǔn)計算得到的結(jié)果進(jìn)行比對。

4 小結(jié)

圖7 API 579-1評定凹坑缺陷尺寸輸入框示意圖

圖8 評定報告示意圖

（1）基于GB/T 19624—2019 及API 579-1 標(biāo)準(zhǔn)中壓力管道合乎使用評定方法，采用面向?qū)ο蟮恼Z言Visual C++并結(jié)合數(shù)據(jù)庫和專家?guī)熘R，開發(fā)了工業(yè)管道合于使用評定軟件。該軟件在進(jìn)行含缺陷壓力管道安全評定時快捷、方便、準(zhǔn)確。大部分需要人工計算的工作，都由計算機(jī)來完成，大大縮短了評定所需的時間。

（2）采用2 種標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行計算，一方面可使評定者通過對比計算來驗證計算結(jié)果的正確性，另一方面可以根據(jù)不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選擇GB/T 19624—2019 或API 579-1 方法進(jìn)行評定。

（3）該系統(tǒng)界面友好，用戶使用方便。評定規(guī)程中的具體評定方法、計算公式等大量技術(shù)細(xì)節(jié)均隱含在輔助評定軟件的程序中，如失效評定曲線、應(yīng)力強(qiáng)度因子計算方法、極限載荷計算方法等，使用者只需根據(jù)輔助評定軟件的提示輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)就能得到結(jié)果。

（4）該系統(tǒng)含有大量的數(shù)據(jù)庫、案例庫及專家知識庫，因此具有智能化的特點，當(dāng)評定所需的數(shù)據(jù)缺乏時，系統(tǒng)將自動搜索數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

（5）輔助評定軟件完成評定工作后，可自動打印評定報告。

（6）輔助評定軟件能夠提供幫助文件，引導(dǎo)評定者進(jìn)行評定工作，并給出相應(yīng)的解釋及建議。