长输油气管道环焊缝缺陷评价的研究

('长输油气管道环焊缝缺陷评价的研究田野【摘要】文章在《金属结构中缺陷可接受性评估方法指南》(BS7910-2005)的基础上,将环向缺陷作为环向裂纹进行处理,通过固定环焊缝缺陷长度,计算不同缺陷深度对剩余强度的影响.本文对于仅给出环焊缝缺陷的环向长度和轴向宽度,没有给出缺陷深度的缺陷分析提供评价思路和方法.【期刊名称】《内蒙古石油化工》【年(卷),期】2013(000)019【总页数】3页(P12-14)【关键词】油气管道;环焊缝;缺陷评估【作者】田野【作者单位】中石油管道联合有限公司西部分公司,新疆乌鲁木齐830012【正文语种】中文【中图分类】TG441.7;TE973.9随着经济的发展，能源运输对国家经济的影响显得尤为重要。由于管道输送具有成本低、节省能源、安全性高及供给稳定等优点，管道运输在世界范围内迅速发展，已成为现代社会不可缺少的组成部分。管道是现行的五大运输工具之一，其在运送液体、气体、浆液等方面具有特殊的优势，尤其在石油化工及天然气运输等产业中具有不可替代的作用。据估算，现在世界上的石油和天然气资源至少能够维持到2050年，在这些宝贵资源耗尽前，管道将一直是最重要、最可靠的石油和天然气资源的传输介质。随着在役长输油气管道的使用年限增加，管道腐蚀现象越来越严重，管壁日益减薄，造成管道的承压能力下降，穿孔、泄漏、破裂等事故也会相继产生。预测管道的缺陷状况，评价管道剩余强度，能够保证在役管道运行的安全性。目前国际上成熟普通裂纹类缺陷的评价标准为：《适用性评估推荐规范》（APIRP579—2007）和《金属结构中缺陷可接受性评估方法指南》（BS7910—2005），标准针对轴向和环向的类裂纹缺陷标准给出了建议性的评估公式。本文在《金属结构中缺陷可接受性评估方法指南》（BS7910—2005）的基础上，将环向缺陷作为环向裂纹进行处理，通过固定环焊缝缺陷长度，计算不同缺陷深度对剩余强度的影响。1评估原理和方法BS7910：2005对平面型缺陷的断裂力学评价分为三级。第一级评价是简化的评价路线，在材料性能、残余应力和附加应力等信息有限时，进行较保守的估计。第一级评价分为1A级和1B级两种方法，其中1A级方法使用了失效评价图（Failureassessmentdiagram，FAD）；1B级则是不使用失效评价图的手工评价方法。第一级评价方法对缺陷尺寸包含一个平均值为2的内在安全因子，因此不需要另外的部分安全因子。本文对环焊缝缺陷采用1A级评价方法进行缺陷适用性评价。一般对于缺陷的评价，首先选择第一级评估，如能在使用数据的保守估值的情况下判定缺陷在工作压力或设计压力条件下的安全性，则可认为评价工作已经完成。高级的评估不仅只是评价方法的改进，而且是各个环节的精度的提高，如应力的计算，残余应力的估计，材料性能的测量等等，代价是工作量的大幅度增加和时间的延迟。初级评估无须使用多个安全因子，如没有具体数据可根据焊缝实际情况参考相关数据，如断裂韧性数据可从CharpyV－切口冲击能推算等等。本文对管道环焊缝进行第一级评估，选用参数为某管道管体材料测试数据。图1缺陷的1A级评估图FAD的评估线（assessmentline）将整个坐标平面划分为缺陷的可接受区域与不可接受区域，如图1所示。1A级FAD的评估线是对于所有材料都不变的直线段Sr＝0.8和Kr＝≈0.707。FAD已包含一个内在的安全因子，近似于将裂纹长度扩大一倍，由于KI和裂纹长度的平方根成正比，所以除以因子。评估线与坐标轴围成的矩形区域是安全区域或可接受区域。如果经计算得到代表所评估缺陷的力学状态的单点（Sr，Kr）位于矩形安全区域之内，则确定缺陷为可接受，而位于评估线上或矩形区域之外的缺陷为不可接受。2环形焊缝缺陷的失效评估因为管道主要承受内压力的作用，管道承受的环向拉应力σθ为最大的主应力，它是沿薄壁管道（即厚度远小于直径的管道）的厚度均匀分布的主要薄膜应力，而管道在轴向承受的应力大小为σz，即：其中P为内压力，D为管道内径（可用外径近似），B为管壁厚度。作为初级评估，我们忽略弯曲应力和其他的薄膜应力，例如由于管道焊缝连接的几何缺陷所产生的弯曲应力以及焊缝的残余应力等。2.1应力强度因子管道的一种可能破坏模式是缺陷作为裂纹扩展而导致断裂，控制裂尖区域的奇异应力场强度的变量是应力强度因子K1。裂纹的张开型断裂模式的应力强度因子K1的一般形式为：对于第一级评估有：这里σmax为裂纹缺陷承受的最大张开拉伸应力，对于环焊缝上的缺陷应该为管道轴向的最大拉伸应力σz，即σmax＝σz。而M，fw和Mm为修正因子。在M＝fw＝Mm＝1时，公式（2）为含长度为的中心裂纹的无限大板单向拉伸应力强度因子公式。膨胀效应修正因子M考虑承受内压力、有长裂纹的壳体曲面的局部凸出变形效应；有限宽度修正因子fw考虑板的有限宽度的影响，在裂纹面积相对于板承载截面积不可忽略时较为重要；应力强度放大因子Mm是缺陷类型和形状不同于含中心裂纹无限大单向拉伸板的修正因子。对于管道内嵌缺陷和环向缺陷，则一般不考虑膨胀效应，故M＝1。对于承受内压力管道的环向裂纹（深度a，长度2c，见图2），当缺陷的实际区域大于10%的载荷承载区（BW）时，K1的评估就要考虑fw的影响。一般情况下：其中A2＝BW，B为试样宽度，对于管道环焊缝评估取为管道内径周长（可用外径）。A1对于表面缺陷取2ac，对于内部缺陷取4ac。2.2参考应力管道的另一种失效形式就是局部韧带塑性破坏失效，为了得到缺陷评估的横坐标Sr，需要计算施加的参考应力σref，根据缺陷的位置又分为两种情况。一种情况为表面缺陷。管道环焊缝处由外部弯曲和轴向载荷以及压力引起的总薄膜应力为Pm＝σz，外部弯曲应力和局部错边引起的壁厚方向的弯曲应力为Pb，对于初级评估，取Pb＝0。则参考应力评估公式为：另一种情况为内部缺陷，如图2所示。这里管道的周长为W，参考应力的评估公式为：其中：a″的意义是缺陷的近似矩形面积2ac与管道横截面积BW的比值，当W超过2c＋2B时，a″取W＝2c＋2B时的值（偏于保守）。3已知环向长度的环焊缝缺陷评估选取某输气管道部分管段进行风险评价研究，管道材质为X60，管道直径660mm，最小壁厚为8.7mm或10mm，最大操作压力MAOP为6.4MPa，最小屈服强度为415MPa，全线长125km，焊缝系数和温度折减系数取1.0，内检测发现该段管线存在15处环焊缝异常（见表1）。由于目前的漏磁检测无法精确测量焊缝缺陷的深度，为明确环焊缝缺陷深度对剩余强度的影响，采用BS7910：20051A级评价方法，假定缺陷深度分别为40%wt、60%wt和80%wt，进行试算。计算中，将环焊缝缺陷作为环向裂纹进行处理，SMYS取415MPa，SMTS取520MPa，夏比冲击功根据相关文献取20J，最大允许运行压力按照6.4MPa计算。计算结果分别如图5、图6和图7所示，假定深度为40%wt和60%wt时，环焊缝缺陷均处于可接受区域；假定深度为80%wt时，3处环向长度大于110mm的缺陷处于不可接受区域。表1环焊缝缺陷异常表单序号环向长度（mm）壁厚（mm）1908.721008.73408.741208.75408.761908.779010.08708.79708.710608.711708.712508.7131008.71411010.01515010.0图2环焊缝缺陷在假定深度为40%下的评价结果由于环焊缝缺陷失效后果比较严重，管道管理者可以对3处环向长度大于110mm的缺陷进行开挖验证，视验证结果采取相应措施。4结论本文给出一种天然气输气管道环焊缝缺陷异常的评价思路和方法，对于漏磁内检测无法得到出焊缝深度的数据，按照此思路可以进行初步分析，结合开挖验证，指导管道企业有针对性的进行维抢修，提高管道的可控性，保障管道的安全运行。［参考文献］［1］宋小春，黄松岭，赵伟.天然气长输管道裂纹的无损检测方法［J］.天然气工业，2006，26（7）：103～106.［2］冯庆善，宋汉成，王学力，等.螺旋焊缝噘嘴错边缺陷三轴漏磁信号分析［J］，无损检测，2009，31（5）：340～344.',)