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(寧波市特種設(shè)備檢驗研究院， 浙江 寧波 315048)

CAESARII在壓力管道安全評定中的應(yīng)用

林遠龍，嚴正宏

(寧波市特種設(shè)備檢驗研究院， 浙江 寧波 315048)

采用管道應(yīng)力分析軟件CAESAR II對某條按《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》評定為4級的原油壓力管道進行了受力分析，并將分析結(jié)果用于GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》附錄G的U因子評定法之中。

壓力管道； 原油； 安全評定； CAESAR II

2015-09，對某大型碼頭公司的一條原油壓力管道進行首次全面檢驗，實測多處管道壁厚后得知最小壁厚為8.0 mm。經(jīng)射線檢測后發(fā)現(xiàn)，管道焊縫存在整圈未熔合的超標缺陷，缺陷自身高度尺寸最大值為2.5 mm。該壓力管道于2010-12投入使用，規(guī)格(外徑×名義厚度)為?610 mm×8.7 mm，材質(zhì)L245，工作壓力1.0 MPa，工作溫度60 ℃。

根據(jù)《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》[1]第四十九條的規(guī)定，管道焊縫的未熔合缺陷自身高度的最大值超過規(guī)定允許時，該管道的安全狀況等級應(yīng)定為4級，必須進行返修。由于該公司生產(chǎn)任務(wù)一直繁重，無法進行長時間的停工返修，故采用了CAESAR II計算管道缺陷所在區(qū)域的應(yīng)力值，并且按照GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》[2]對該管道進行安全性分析，以評定是否能繼續(xù)安全運行。

1 管道安全性分析

GB/T 19624—2004是依據(jù)合于使用和最弱環(huán)原則，用于判別在用含缺陷壓力容器和壓力管道在規(guī)定的使用工況條件下能否繼續(xù)安全使用的一種適合于工程實際的安全評定方法，該標準附錄G——壓力管道直管段平面缺陷安全評定方法，給出了在內(nèi)壓、拉壓、彎矩為主的組合載荷作用下，含裂紋、未熔合及未焊透等平面缺陷的鋼制壓力管道直管段的安全評定方法。

壓力管道平面缺陷的安全評定方法，采用了國家“九五”科技攻關(guān)專題(96-918-02-03)提出的可適用于任意應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系材料、任意材料斷裂韌度、能自由選擇安全系數(shù)的簡化因子工程評定方法——以起裂為斷裂的判定依據(jù)，同時可以完成含周向平面缺陷壓力管道起裂和塑性失效安全評定的U因子評定方法[3]。該方法的評定過程極為簡便，只需要查表進行簡單的算術(shù)運算即可完成聯(lián)合載荷作用下周向平面缺陷的安全評定，具有適用面非常廣、評定精度也很高的特點[4，5]。

考慮到該條原油壓力管道的系統(tǒng)操作平穩(wěn)，無明顯的壓力波動，故無須進行疲勞分析。又因介質(zhì)內(nèi)也無可導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的雜質(zhì)存在，故無須進行應(yīng)力腐蝕分析。因此，可以直接采用U因子方法進行評價[6]。

2 CAESAR II簡介

CAESAR II是由美國COADE公司研發(fā)的一款壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，主要用于管道應(yīng)力的靜態(tài)分析和動態(tài)分析，是目前全球范圍之內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的管道應(yīng)力和柔性分析軟件，可以應(yīng)用于石油化工、電力、海事、船舶、建筑以及制藥等眾多領(lǐng)域。

在壓力管道安全評定的計算過程之中，缺陷處的管道受力情況和應(yīng)力分布的計算是一個難點。采用CAESAR II軟件，不僅可以方便工程人員對管道系統(tǒng)進行快速建模，而且可以獲取缺陷處的受力情況。

3 計算過程

3.1材料性能數(shù)據(jù)

管道材料L245，屈服強度σs=245 MPa，抗拉強度σb=415 MPa，彈性模量E=197 GPa，泊松比μ=0.3。

3.2缺陷處應(yīng)力計算

缺陷處的應(yīng)力是安全評定的關(guān)鍵，只有正確計算缺陷處軸向薄膜應(yīng)力σm和彎曲應(yīng)力σB，才能保證安全評價的可靠性。對于簡單的管道系統(tǒng)，可以直接通過解析法按公式得到缺陷處的應(yīng)力。對于復(fù)雜管道系統(tǒng)，往往采用有限元法。

傳統(tǒng)的計算方法是采用ANSYS對管道系統(tǒng)進行建模，然后根據(jù)邊界條件計算缺陷處的應(yīng)力。這樣不僅導(dǎo)致管道系統(tǒng)的模型過于龐大，而且存在建模耗時長、邊界條件不易處理以及計算精度低等缺點[7]。

?萬遠新:《世界的顯現(xiàn)與顯現(xiàn)的世界——試析胡塞爾與維特根斯坦的整體性世界觀》，《江漢學(xué)術(shù)》2017年第1期。

采用CAESAR II軟件通過一維梁單元快速對管道系統(tǒng)進行建模，得到管道中各所需結(jié)點的拉力和彎矩，然后對缺陷部位在ANSYS中進行局部3D建模，并將CAESAR II中得到結(jié)果作為邊界條件，最終得到缺陷部位精確的薄膜應(yīng)力σm和彎曲應(yīng)力σB。

3.2.1缺陷處橫截面彎矩MB和軸向力N

CAESAR II中的管系建模見圖1，計算缺陷處焊縫(節(jié)點23)的彎矩和拉力， 計算結(jié)果為MB=6 484 kN·m、N=8 131 N。

圖1 管道在CAESAR II中的計算模型

3.2.2缺陷處薄膜應(yīng)力σm和彎曲應(yīng)力σB

雖然管道具有幾何軸對稱的特點，但由于存在接管彎矩，載荷為非軸對稱。因此，有限元計算不能采用軸對稱模型[8]。

對缺陷處管道采用了1/2模型，其示意圖及網(wǎng)格剖分和邊界條件見圖2。

管道端部約束軸向位移，同時選擇y=0位置上的節(jié)點約束y方向上的位移，管道內(nèi)表面施加內(nèi)壓，管道另一端部施加軸向平衡面載荷，并定義該端面為剛性平面，在主節(jié)點上施加彎矩。

圖2 缺陷處管道在ANSYS中的計算模型及結(jié)果

采用SOLID45單元進行網(wǎng)格剖分，厚度方向剖分3層，共計17 160個節(jié)點、12 301個單元。

施加彎矩時需在剛性平面的主節(jié)點處定義質(zhì)量單元MASS21，網(wǎng)格剖分及邊界條件見圖2。

經(jīng)應(yīng)力線性化后得到的計算結(jié)果為σm= 22.5 MPa、σB=12.8 MPa。

U因子計算按照下式：

(1)

式中，σs為評定溫度下的材料屈服強度，σb為評定溫度下的材料抗拉強度，MPa。

3.2.4安全性評價

根據(jù)下式的判據(jù)評定缺陷可接受或不可接受，其中按載荷取的安全系數(shù)np=1.5。

(2)

通過安全性分析可以知道，在正常操作工況下，該原油管道的未熔合缺陷滿足合于使用標準，該管道運行過程中未發(fā)生失效，在無法及時進行返修的情況下，可放寬定級，安全等級可定為3級，檢驗周期為3 a。

4 結(jié)論和思考

早期的壓力管道由于歷史、技術(shù)和管理上的原因，普遍存在制造質(zhì)量差、焊接缺陷超標等突出問題[9]。長期以來，壓力管道按《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》進行檢驗。而《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程》對未焊透、未熔合的安全定級過于保守，造成大量壓力管道由于存在超標的未焊透、未熔合缺陷被定為4級，必須進行返修。而管道使用者往往因各種原因，無法及時對有缺陷的管道進行返修。而且由于歷史原因，類似超標缺陷一些項目上普遍存在，根據(jù)大量實踐表明，這些缺陷導(dǎo)致失效的概率是很低的[10-13]。

GB/T 19624—2004綜合考慮了材料性能、缺陷尺寸、工況載荷及應(yīng)力分布等作為評定參量，通過壓力管道塑性極限載荷的數(shù)值分析和試驗研究，在大量算例和全尺寸管道試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，擬合得到了極限載荷的計算式，建立了含缺陷壓力管道塑性失效的評定方法[14]。采用標準中的評定方法進行安全評價，以合于使用為原則放寬限制，避免對管道盲目返修，在保證管道安全可靠運行的同時，也保證了企業(yè)的正常運行。

壓力管道安全評定的難點在于如何計算缺陷部位的應(yīng)力分布，從而得到安全評定中所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。采用ANSYS等傳統(tǒng)的通用有限元分析軟件，對于工程人員而言過于復(fù)雜，且需要大量的時間建模調(diào)試。而采用CAESAR II 對整個管系進行應(yīng)力分析，得到缺陷處的彎矩和軸力，是一種快速有效的應(yīng)力分析方法[15]。

[1] 在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程[S].

(Regulation for Periodic Inspection of In-service Industrial Piping[S].)

[2] GB/T 19624—2004，在用含缺陷壓力容器安全評定[S].

(GB/T 19624—2004，Safety Assessment for In-service Pressure Vessels Containing Defects[S].)

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(許編)

ApplicationofCAESARIIinSafetyAssessmentofPressurePipe

LINYuan-long,YANZheng-hong

(Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute, Ningbo 315048, China)

Pipe stress analysis software CAESAR II is used to calculate the defect stress of a crude oil pressure pipe which is classified as Class 4 according toRegulationforPeriodicInspectionofIn-serviceIndustrialPiping. The result of the analysis is used inUfactor evaluation method in appendix G of GB/T 19624—2004SafetyAssessmentforIn-servicePressureVesselsContainingDefects.

pressure pipe; crude oil; safety assessment; CAESAR II

TQ050.7； TE969

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.01.014

1000-7466(2017)01-0070-04

2016-08-27

林遠龍(1982-)，男，浙江臺州人，工程師，碩士，主要從事壓力容器、壓力管道的檢驗檢測和安全評價工作。