含典型焊接缺陷的管道應力校核與安全評定

方學鋒* 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常用的特種設備，據市場監管總局統計，截至2018 年年底，全國已辦理登記的壓力管道數量達47.82 萬km[1]。按照《特種設備安全法》要求，在“特種設備目錄”范圍內的工業管道，應按照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則》規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GC2 類工業管道開展首次定期檢驗，管道參數可見表1。

表1 壓力管道參數

2.3 CAESAR Ⅱ軟件計算

依據ASME B31.3-2016 標準進行應力校核，按工藝管道計算管系的一次應力與二次應力，計算結果可見表2，該結果滿足規范的要求。

通過射線檢測發現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。管道系統中存在未焊透缺陷時，會造成其承載面積減小和靜應力強度下降，并在缺陷尖端處形成應力集中。若管道尖端開口并在拉應力作用下裂紋發生擴展，則極易引發管道泄漏甚至斷裂。因此，按TSG D7005—2018規范第2.5條,開展合于使用評價，運用CAESAR Ⅱ軟件對管道進行應力校核；再根據GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》[4]對焊口缺陷進行評價，確定缺陷是否影響安全。

2 管道應力校核

2.1 管材力學性能

根據GB 150—2011《壓力容器》標準要求，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

根據原始竣工驗收資料和現場采集的含缺陷管段信息，應用CAESAR Ⅱ管道應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 應力計算結果 %

3 缺陷安全評定

3.1 評定方法

超標缺陷未焊透屬于平面型缺陷，根據GB/T 19624—2019 標準第5.7 條，選用平面缺陷常規評定方法，即依據標準中圖5-12 的通用失效評定FAC 曲線，其坐標為兩個無量綱：應力強度因子和材料斷裂韌度的比值Kr，構件的應力載荷和極限載荷的比值Lr。如果評定點坐標（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GB/T 19624—2019 標準第5.7 條，首先應確定材料的屈服點、斷裂韌度，分別計算出一次應力強度因子和二次應力強度因子，最后計算出和，再評定坐標與FAC 曲線的相對位置情況。

3.2.1 缺陷尺寸表征

3.2.2 應力計算

按照彈性計算方法，評定的應力采用缺陷部位的主應力。

（1）一次應力

缺陷處有內壓引起的一次薄膜應力pm，按無力矩理論計算，按GB/T 19624—2019 標準中表5-1 取一次應力分安全系數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，一次薄膜應力沿壁厚視為均勻變化，一次彎曲應力pb=0 MPa。

（2）二次應力

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

依據管道應力校核的結果和現場檢查狀況，僅考慮管道焊接殘余應力，而不用考慮二次彎曲應力，即Qb=0 MPa。

3.2.3 材料性能數據的確定

根據DL/T 654—2009《火電機組壽命評估技術導則》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 標準公式5-8，計算材料的平面應變斷裂韌度KIC：

fm——裂紋結構因子，無量綱；

σb——彎曲應力（一次應力引起的為pb，二次應力引起的為Qb），MPa；

fb——裂紋構形因子，無量綱。

3.2.5 計算表面裂紋缺陷斷裂比Kr

按GB/T 19624—2019 標準公式5-9 來計算Kr：

式中：G——相鄰兩裂紋間彈塑性干涉效應系數，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標準表5-1中的分安全系數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標準公式5-10求得為0.025。

3.2.6 計算載荷比Lr

Lr是評價含缺陷結構塑性失效的指標，由GB/T 19624—2019 標準附錄C 中C.2.6 內壓圓筒上缺陷載荷比計算公式C.6 可得：

3.3 評定結果

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

表3 評定參數與結果

4 結論

（1）依據TSG D7005—2018 規范開展的壓力管道定期檢驗，射線檢測發現管道中焊縫存在未焊透4級缺陷，需要維修處理或進一步評價分析。

（2）根據ASME B31.3 對管道進行應力校核，結果表明其一次應力和二次應力均滿足要求。

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