含超標(biāo)氣孔缺陷的在用工業(yè)管道安全評定方法

金曉明（新疆特種設(shè)備檢驗研究院，新疆烏魯木齊 830011）

含超標(biāo)氣孔缺陷的在用工業(yè)管道安全評定方法

金曉明
（新疆特種設(shè)備檢驗研究院，新疆烏魯木齊 830011）

對國內(nèi)外承壓設(shè)備缺陷安全評定技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與動態(tài)進(jìn)行了分析，并以某化工裝置為例，對在用工業(yè)管道全面檢驗中發(fā)現(xiàn)的氣孔超標(biāo)缺陷按GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定，給出評定的方法和步驟。建議在《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》修訂時，對一些疸管道，例如腐蝕、無疲勞等疸管道，合理放松對于接焊縫非深孔型氣孔缺陷的評估，最大限度減少單位停機時間，降低運行的成本。

管道；氣孔；安全評定

為了確保在工業(yè)壓力管道運行的安全性與有效性，2003年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布了《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程（試行）》，簡稱《檢規(guī)》，在《檢規(guī)》中對壓力管道的定期檢驗進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。

檢驗的過程中，通?？梢园l(fā)現(xiàn)一些焊接超標(biāo)缺陷，例如氣孔、未熔合、夾渣、裂紋等等。加上因為在這去，進(jìn)行壓力管道制造以及焊接的同時，并沒有較為嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系。尤其是20世紀(jì)80～90年代左右，在安裝管理焊接時，仍然存在一定的焊接缺陷。通過近年來對于壓力管道的檢驗結(jié)果的詳細(xì)分析，其中存在的缺陷結(jié)合《檢規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，4級類別的安全管理，氣孔類缺陷高達(dá)70%。一般有焊接返修、安全評定兩種方法對此類超標(biāo)缺陷進(jìn)行處理。以焊接返修來說，如果未能綜合考慮實際承載力，會造成浪費，并因為現(xiàn)場情況，有時無法及時進(jìn)行返修，這時一般會采取安全評定的基本方式。

1　國內(nèi)外承壓設(shè)備缺陷安全評定技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與動態(tài)

一直以來，困擾結(jié)構(gòu)完整性評定領(lǐng)域的一項難題就是在承壓設(shè)備檢測后，以其的安全性分析。在斷裂力學(xué)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，在20世紀(jì)的60年代左右，缺陷結(jié)構(gòu)的安全性評價出現(xiàn)了更為科學(xué)的方法。但是發(fā)展到70年代之后，斷裂力學(xué)作為缺陷評定技術(shù)的基礎(chǔ)，被歸納為缺陷評價的內(nèi)容中，并且一步一步構(gòu)成了以其自身為基礎(chǔ)核心的缺陷結(jié)構(gòu)的評定技術(shù)，例如ASME標(biāo)準(zhǔn)等等。

現(xiàn)階段，一般選用缺陷評定技術(shù)有線彈性應(yīng)力強度因子的方式、J積分技術(shù)與以其為理論的失效評定圖技術(shù)等。

所謂斷裂力學(xué)技術(shù)，最早將斷裂力學(xué)技術(shù)引入設(shè)備缺陷評定技術(shù)國家為美國，從1972年之后，頒布ASME鍋爐壓力容器規(guī)范第XI卷核動力裝置設(shè)備的在用檢查規(guī)則，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建而成的評定法即為斷裂力學(xué)技術(shù)。

應(yīng)力強度因子方法，一般是將假設(shè)材料作為線弱性基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建，由于充足以及安全的數(shù)據(jù)信息，為此ASME在可靠性與習(xí)慣性的方面進(jìn)行分析，到目前為止都未有改變。但這之后所有新的方法，如壓力管道缺陷評定研究等，主要采用的就是彈塑性J積分技術(shù)。為此，現(xiàn)階段所選取的規(guī)范是應(yīng)力強度因子技術(shù)與新世紀(jì)之年日本JSME所發(fā)表的核電廠使用相關(guān)規(guī)范。

失效評定圖技術(shù)：在COD窄條屈服基礎(chǔ)，最早由英國CEGB的Harrison提出，且編繪R6評定規(guī)范第一版本。在理論發(fā)展的基礎(chǔ)上，隨著EPRI工程手冊的構(gòu)建，窄條區(qū)屈服模型被美國學(xué)者用J積分所代替，并且給出新失效評定曲線，與此同時清楚的描述了R6失效評定曲線的物理意義，促進(jìn)了該方法的不斷發(fā)展。當(dāng)前的版本為第四版本，給出了三種選擇的失效評定曲線（選擇1、選擇2、選擇3）。其中，選擇2、3是以J積分等值化基礎(chǔ)上構(gòu)建的，該曲線對評定曲線進(jìn)行了嚴(yán)格的定義，一般用于失效評定圖定義、研究。選擇2未重視幾何因素，只是和材料有關(guān)系。選擇1建立在選擇2的基礎(chǔ)上，一般選取不同的材料失效評定曲線，包格線得到和其結(jié)構(gòu)、材料因素均有在通用的失效評定的曲線。

我們國家的承壓設(shè)備領(lǐng)域缺陷評定技術(shù)研究的工作起步比較晚，從20世紀(jì)80年代起，經(jīng)過這些年的發(fā)展、研究，頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》，主要是考慮壓力容器、管道安全使用的基本要求，與此同時，GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》同樣適用于缺陷評定中。

2　含氣孔缺陷的壓力管道安全評定方法

2.1管道的基本情況

XX化工裝置，在1998年安裝了壓力管道級別為GC2、GC3的公稱直徑為45～108mm，壁厚為3～4mm，共77根（材質(zhì)為20#），并開始在化工介質(zhì)下使用，在常溫下形式工作，壓力在0.4～2.6MPa，經(jīng)過了10a的使用，在2009年一次全面大檢時，發(fā)現(xiàn)其中超過一半管理存在缺陷，其缺陷主要是管道氣孔、未焊透等狀況。根據(jù)《檢規(guī)》評定未焊透超標(biāo)缺陷管道評為2～3級，共13根出現(xiàn)這問題，管理安全狀況等級別評定4級。以現(xiàn)有安全評定方法明確缺陷管道是否可以繼續(xù)安全地使用。以下選擇這問題管理中的一處超標(biāo)缺陷來進(jìn)行安全評定。

管理的基本情況：規(guī)定-φ89×4、腐蝕裕量C2=1mm、材質(zhì)20#、工作壓力p=0.46MPa、常溫下工作。通過射線檢測，一條環(huán)焊縫上有一氣孔（φ4mm自身高度0.4mm、最小厚度實測為t=3.29mm）。

2.2評定方法的確定

在運用中，壓力變化不大，常溫工作，一般并不會產(chǎn)生蠕變或疲勞，在檢測中，也未發(fā)現(xiàn)腐蝕情況。此次檢測中發(fā)現(xiàn)，氣孔超標(biāo)缺陷中潛在的失效模式為塑性失效。此氣孔直徑以及缺陷的高度比值大，主要是面型缺陷。因此，主要是依照安全評定的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》，將標(biāo)準(zhǔn)附錄G作為主要的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定。

2.3評定的方法

2.3.1管道幾何參數(shù)及缺陷的表征

管道的基本參數(shù)：內(nèi)半徑Ri=40.5mm、平均半徑R=42.5 mm、缺陷半深α=0.2mm、管道評定用計算厚度B=t-C2= 2.29mm。

2.3.2材料性能數(shù)據(jù)的確定

管理材料為20號鋼，其自身的韌性好、塑性好，在檢測中，未發(fā)現(xiàn)劣化的情況。根據(jù)工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》GB50316選取，屈服強度、抗拉強度分別為σs=245MPa、σb=390MPa，且彈性模量E=1.91×105MPa，泊松比μ=0.3。

材料斷裂韌度Jc按GB/T19624附錄G為準(zhǔn)，Jc= 2.2Akv= 2.2×27J=59.4N/mm，則評定計算用的斷裂韌度Kc=［EJc/（1-μ）］1/2 =［1.91×105×59.4/（1-0.3）］1/2=3 530.9 N/mm1/2。

2.3.3應(yīng)力的計算

在工作中溫度、壓力的作用下，超標(biāo)缺陷處的拉力、彎矩要運用CAESAR Ⅱ軟件應(yīng)力分析計算得到，其中拉力N= 43 706 N，彎矩MB =4.22 ×105N·mm。

軸向膜應(yīng)力σm：σm=（N+πRi2 P）/2πR B=75.38MPa；

彎曲應(yīng)力σB：σB=MB/（πR2 B）=32.5MPa。

2.3.4起裂時載何比LrF的確定

σs B1/2/KC=0.105，α/B=0.1，θ/π（周向缺陷長度與管周長之比）＜0.1查GB/T19624表G.1，得LrF=1.3。

2.3.5U因子值的計算

—U=（σs+σb）/（2LrFσs）=（245+390）/（2×1.3×245）=1。

2.3.6許可流變應(yīng)力比［σ］的確定

θ/π＜0.1，α/B=0.1，查GB/T19624表G.2，得［σ］=1.254。2.3.7 安全性評價

按GB/T19624—2004表5.1，取安全系數(shù)np=1.5，

—σm+σB=75.38+32.5=107.88MPa；

（σs+σb）［σ］/（2 U np）=（245+390）×1.254/（2×1×1.5）=265.43

—因為（σm+σB）＜（σs+σb）［σ］/（2 U np），所以，評定結(jié)論是安全的。

該裝置其它含氣孔超標(biāo)缺陷的12根管道，可以結(jié)合以上述方式進(jìn)行判定，以此得出結(jié)論。

3　結(jié)束語

1）用壓力管理對接焊縫中的氣孔超標(biāo)缺陷，一般情況下可以根據(jù)GB/T19624來進(jìn)行安全方面的說不定；

2）以一處的管理氣孔超標(biāo)缺陷展開安全評定，以此來說明相應(yīng)的評定方法、流程；

3）建議：目前，在工業(yè)管理中，對其進(jìn)行全方位的檢測，通過射線檢測可發(fā)現(xiàn)在管道中存在很多未熔合、氣孔、未焊透等超標(biāo)缺陷。根據(jù)《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》（試行）規(guī)定，評定一般是氣孔超標(biāo)缺陷導(dǎo)致，讓管道評為4級，而該氣孔超標(biāo)缺陷在安全評定的要求下，往往具有安全性。所以，建議在進(jìn)行《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》修訂時，對于無疲勞、蠕變與應(yīng)力腐蝕的管道，在接焊縫非深孔型氣孔的缺陷評判可以合理的放寬指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上減少單位停機時間，降低運營成本。

Safety Assessment Method With Industrial Pipeline Containing Excessive Porosity Defects

Jing Xiao-ming

The domestic and international pressure equipment safety defect assessment technology development status and dynamic analyzes，and a chemical plant，for example，to excessive porosity defects in the pipe industry with a comprehensive test found by GB/T 19624 “in containing safety assessment “standard assessment，assessment methods and procedures are given defective pressure vessel.We recommend “In the industrial pipe with periodic inspection procedures” revision，some jaundice pipeline，such as corrosion，fatigue，jaundice pipeline no reasonable non-deep relaxation for welds stomata defect assessment to minimize unit downtime，reduce the cost of operation.

pipeline；safety assessment；stomata

TH49

B

1003-6490（2016）05-0166-02