在用含缺陷鋼質壓力管道安全性分析與評價

汪顯東 方學鋒 李源 邵世飛

摘要：鋼質壓力管道在工業生產中發揮著重要的作用，超標缺陷的存在會影響管道的安全運行。采用在用檢驗案例，介紹了如何采用斷裂力學方法對在役的含缺陷壓力管道開展合于使用性評價。

關鍵詞：缺陷;鋼質管道;評價

1 引言

某公司液氨/氨氣管道（運行壓力為0.55Mpa，運行溫度為7℃），經射線檢測發現存在10處焊接接頭存在未熔合、未焊透等超標缺陷（見表1）。管道中存在的焊接缺陷會減少焊縫的承載面積削弱靜力拉伸強度。缺陷形成缺口后在尖端會產生應力集中現象，形成裂紋并擴展，最終會造成管道的泄漏或脆性斷裂。為此，采用斷裂力學方法對在役的含缺陷壓力管道開展合于使用性評價，確定缺陷是保留還是需要清除。評價的過程主要分為兩步：1.運用Caesar II軟件對管道進行應力校核;2.根據標準GB19624-2004對30處焊口缺陷進行評價。

2 Caesar II管道應力校核

2.1 管道材質、性能參數

管道材料為20鋼，根據標準GB150與查詢20鋼力學性能如下：

2.2 軟件分析

根據竣工資料以及現場采集的管道信息，對所需評價的管道進行Caesar II建模。

CaesarII應力校核根據標準ASME B31.3 Processing Piping（工藝管道）進行管系的一次應力與二次應力校核。

軟件計算結果見表3：

2.3 計算結果

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

3 管道焊縫缺陷評價

3.1 評價標準

根據標準GB19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》判定。

3.2 評價方法

壓力管道中存在的焊縫缺陷或缺口尖端存在局部結構應力集中、削弱承載能力，甚至產生脆性斷裂。為此，我們采用斷裂力學方法對該管道焊縫缺陷開展合于使用性評價，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定》標準，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評價方法進行含缺陷管道合于使用評價。

基于雙判據法的失效評價圖理論認為，為了保證含缺陷結構的安全性，首先，線彈性應力強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件的塑性失穩載荷，即，為材料的流變應力。引入兩個無量綱參量，，其中為材料的斷裂韌度，為構件的塑性極限載荷。這兩個判據表示了兩種不同的失效機理，以為橫坐標和以為縱坐標，形成如圖3的失效評價圖。

合于使用評價的基本過程為：首先確定材料的屈服點、斷裂韌度，分別計算出一次應力和二次應力作用下的應力強度因子，進而計算出斷裂比和載荷比，如評價點坐標落在失效評價曲線以下，表明缺陷滿足合于使用原則，缺陷可以接受。

3.3 評價案例

以焊口號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

對缺陷進行表征化處理，規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規范中表5-1缺陷表征尺寸分安全系數K=1.1，表征尺寸為：

（2） 應力的確定

評價采取的應力為缺陷部位主應力，采用彈性計算方法，并假設結構不存在缺陷;

1） 缺陷處有內壓引起的一次薄膜應力，按無力矩理論計算：

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

2） 二次應力包括二次彎曲應力和殘余應力以及熱應力等。對于本例，僅考慮焊接殘余應力。

焊接產生的殘余應力按二次應力考慮。本項目的研究工作未對焊接殘余應力進行測定，根據GB/T 19624規范表5-2的規定，取σR=0.3σS，得到焊接殘余應力引起的二次薄膜應力為：

本例無二次彎曲應力，即? ? ? ? ? ? ? ?。

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

（3） 材料性能數據的確定

20#鋼在操作溫度下的力學性能見表3。

查DL654-2006《火電機組壽命評估技術導則》[3]附表D2，20#? ? ? ? ? ? ? ? ? ?的平均值為0.216mm

（4） 應力強度因子? ? ? ? ? ? ?的計算

查GB/T19624附錄表D.1～4，當a/c=0.005，a/B=0.33時得到

A點的應力強度因子遠高于B點，因此只需要對A點即裂紋長度方向兩端點進行合于使用評價即可。

（5） 斷裂比Kr的計算

表面裂紋缺陷斷裂比按下式計算：

因為沒有共面裂紋所以干涉效應系數G=1

由表5-1取分安全系數K=1.2，用應力強度因子表示斷裂韌度即，

由于? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，查規范圖5-14，得? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，

當Lr<0.8時，ρ=φ1。所以

（6） 載荷Lr的計算

Lr是失效評價圖FAD的橫坐標，它是含缺陷結構塑性失效的指標。計算所用的表征裂紋尺寸和一次應力（a，c，σm）取引入安全系數后的值。

由附錄C中內壓圓筒上表面裂紋載荷比計算：

其中

（7） 安全性評價

將5和6計算的Lr，Kr值所構成的評價點（Lr，Kr）即點（0.12 ， 0.19）代入函數? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，缺陷處y均大于0。評價點位于安全區內，所以該缺陷經評價是安全的。

4 結論

（1）根據ASME B31.3，所評價管道在現工況（表2）下，一次應力和二次應力均滿足要求;

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

參考文獻：

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

[2] 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.中華人民共和國國家標準.GB/T19624-2004.

（作者單位：南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院）

第一作者簡介：汪顯東;男;南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院;工程師。