含缺陷压力管道安全评定方法研究的现状与发展

含缺陷压力管道安全评定方法研究的现状与发展

徐海峰

江苏省特种设备安全监督检验研究院  江苏泰州  225300

摘要：管道系统健康评估对提高管道可靠性和完整性具有深远意义。管道是输送液体或气体产品的主要结构，其安全操作取决于系统结构完整性的维护。天然气管道泄漏会对人员、财产和环境造成重大损害。管道在受到外部干扰时会受到机械损坏。在管道中，凹痕、裂缝、凿痕和划痕等机械缺陷很普遍。这些损坏有时会彼此靠近发生，导致管壁出现单个缺陷。单个缺陷已被证明比复合缺陷危害小。凹痕中的裂纹，也称为凹痕－裂缝缺陷，是管道的组合缺陷之一。由于损坏，管道的容量可能会降低，对缺陷的可靠评估对于管道的持续安全运行至关重要。目前有几种评估方法可用，但有必要根据测试结果评估这些方法。本文讨论了管道故障、管道缺陷、凹痕等研究。

关键词：压力管道；安全；评定方法；现状

引言：

管道是海上和陆上能源运输的重要基础设施。管道安全性和完整性是该行业最关心的问题。管道事故调查报告称，腐蚀和机械损坏是主要原因。腐蚀导致壁厚变薄，从而降低能源管道的局部爆破能力；凹痕，管道壁的塑性变形引起的管道截面永久变形会影响管道的疲劳寿命。由腐蚀和凹痕组成的组合缺陷是运营商关注的管道完整性问题。此类缺陷称为凹痕腐蚀缺陷，具有凹痕引起的应力/应变集中和腐蚀引起的管道壁厚变薄，这对管道的安全运行构成了新出现的威胁。因此，有必要开发方法和代码来执行准确的缺陷评估。管道爆破容量预测是缺陷评估中的一项重要任务，有助于制定维护计划。

一、压力管道现状

在过去的几十年里，一些国家、组织和学者已经制定了各种方法和规范来评估管道上腐蚀和凹痕的共存。美国机械工程学会指出[1]，如果腐蚀凹痕缺陷所在的管段的剩余壁厚小于标称壁厚的87.5%，则应立即修复或拆除管段。美国石油学会强调[2]，不允许在管道上同时叠加腐蚀和不受约束的凹痕，而与腐蚀相关的约束凹痕必须每六个月评估一次。澳大利亚标准建议对凹痕腐蚀缺陷进行更深入地评估。管道缺陷评估手册（PDAM），欧洲管道研究小组和联邦法规表明不允许管道上的腐蚀和凹痕重叠，否则必须立即更换管道部分。SY/T 6996规定，如果凹痕腐蚀缺陷处的腐蚀深度超过壁厚的40%，需要及时修复管段；但是，如果腐蚀深度在壁厚范围的10%-40%以内，建议根据缺陷处的凹痕应变是否大于6%来确定是否修复。研究还应用有限元方法和可靠性分析相结合[3]，分析与凹痕相互作用的腐蚀特征，并评估受损管道的失效概率。研究者对有和没有受到内部压力腐蚀的凹陷管道进行了数值模拟，以研究凹痕中金属损失的相互作用。

二、管道故障原因

尽管有严格的监督和良好的安全实践，但研究表明[4]，安全事故在北美的陆上和海上管道中都很常见。大多数事故是由于外部干扰和腐蚀或金属损失而发生的。外部干扰是指第三方活动对管道的异物撞击而引起的一系列缺陷。在陆上管道中，第三方损坏主要是由公路、铁路和建设项目的开挖工程引起的，而在海上管道中，第三方损坏是由船锚或其他水下异物的撞击引起的。在管道施工过程中，在管道的提升、堆垛、运输和铺设过程中，也可能因处理不当而发生损坏。施工过程中损坏的常见原因是管道铺设在坚硬的岩石上，可以刺穿底部，或者用于回填管道的巨石撞击并损坏顶部表面，在管道壁上产生凹痕和皱纹。损坏可能伴有局部金属损失，例如划痕或管道壁划痕，导致凹痕复合划痕或凹痕缺陷。划痕是一种缺陷，其特征是涂层和金属的损失最小，而气泡是管道表面的大量金属损失。

过度的机械损坏会导致管道突然失效，其特征是由于泄漏和破裂而导致内容物损失。然而，在许多情况下，会发生不太严重的损坏，例如浅凹痕、浅凿和划痕，这不会导致管道内容物损失，对管道运营影响不大，因为受影响的管道在短期内继续承受高运行压力，而不会出现故障。然而，从长远来看，任何损坏都会损害管道的结构完整性。管道受损区域的高应力和应变会影响疲劳强度并导致低压失效。不显著缺陷的面积较小；然而，由于压力波动，它们仍可能长期引起问题，这可能导致疲劳循环或腐蚀。

三、管道缺陷

管道在使用过程中可能具有任何伴随的畸形：由于化合物或电化学影响而导致管道表面腐蚀；气泡，这是不熟悉的物品撞击管道表面带来的表面金属缺陷；皱纹在管道上，通常定义为山脊和小树林；引起应力集中；裂缝是材料内部的不连续性，其中两个非常接近的平面相遇成一个尖锐的尖端；凹痕，这是管道中的局部变形，导致给定截面的直径减小；在特定实例中包含多个缺陷的组合缺陷。例如有裂纹的凹痕、有凿痕的凹痕、腐蚀中的裂纹和凹痕。

（一）凹陷

凹痕是管道中最常见的机械缺陷之一。影响管道完整性的凹痕参数是凹痕深度，曲率半径和圆周半径和纵向方向严重。具有平滑曲率的浅、无约束的平底凹痕弹性回弹，并在内部压力下回弹，以重新获得初始管道几何形状。它们不被认为是严重的缺陷，因为损坏的管道仍将维持相当于管道材料屈服强度的压力水平。一些弯曲的管道被确定在远离凹痕的位置失效。凹痕会导致固有应变和应力集中，从而削弱管道的使用寿命并缩短疲劳寿命。具有圆形凹痕的受控管道中的应变在凹痕的轴向末端内最高，应变变化在管道未变形区域内应变的10至28倍之间。对于具有凹痕与凿子结合的管道，在最高应变浓度问题的区域，裂缝内部开始。圆柱体中二维浅而长的凹痕中的应力集中因子总是大于2，并且在深凹痕中可能上升到2到10之间。此外，凹痕深度与管道厚度和凹痕深度与管道直径的比率提高了凹痕中的应力集中，证实了深凹痕对大直径薄壁管道更敏感的观点。深凹痕尤其不可取，因为它们会阻碍内容物的流动和生产线中检测设备的移动。

（二）类似裂纹的缺陷

裂纹是由线性断裂引起的材料中的平面不连续性，通常由其长度，深度和尖锐的根/尖端半径定义。开裂等机械损坏是管道破裂的最常见来源，尽管它们也可能是由压力下对管道的环境影响引起的。敏感管道金属与环境中腐蚀性电解液的相互作用会导致管道开裂。在内部压力下，腐蚀性电解质会改变金属行为变脆，导致脆性断裂。应力腐蚀开裂是一种环境开裂。机械产生的裂纹通常是平坦（单）裂纹，而环境裂纹是多个裂纹，通常是主裂纹的分支。管道中还可能存在由非管道材料的线性分裂引起的裂纹样异常。这些断层与断裂具有相同的特征，可以保守地视为断裂。焊缝的未熔合和熔深、焊缝的深底切和根部咬边、急性局部腐蚀、对齐的孔隙率和金属板内部的对齐夹杂物都是裂纹状缺陷的例子。贯穿、表面、嵌入、边缘和角落缺陷也是几种类型的裂纹状缺陷。

管道中的裂缝具有双重影响。从断裂力学和材料的角度来看，裂纹是裂纹尖端材料中的应力提升器或应力增强器，而从结构和几何的角度来看，裂纹限制了施加载荷到管道支架的传递或地面上管壁的厚度。管道裂缝可能出现在管道的纵向和圆周方向上。由于加压管道中的纵向裂纹起源于垂直于最高主应力（圆周应力）的平面，因此它们在低内压下比圆周裂纹更容易扩展。

管道爆破压力评估涉及裂缝尺寸的评估，其中裂缝长度和深度是最重要的特征。API 579规范允许将机械裂纹评估程序应用于环境裂纹，只要标准化缺陷表征技术可用于识别主要裂纹，其行为在很大程度上控制了管道结构对多个环境裂纹的响应。如果无法确定主分支，它还建议使用损伤力学来评估环境裂缝。

确定裂纹大小后，利用断裂力学原理可以计算爆破压力。脆性材料的断裂可以通过使用线弹性断裂力学原理进行研究。通过将线弹性断裂力学理论扩展到弹塑性材料，利用弹塑性断裂力学对非线性弹性材料的断裂进行评价。由于裂纹尖端的半径非常小，理论上加载它会产生无限量的应力，这就是将裂纹视为应力提升器或应力增强器的原因。如果保持荷载，高应力强度会促进材料在断裂尖端附近的屈服和塑性变形，最终导致裂纹扩展。裂纹尖端处塑性变形区的大小由材料的机械性能决定。弹塑性材料比线弹性材料经历更多的塑性变形。

因此，线弹性材料通常由于脆性断裂而失效，而弹塑性材料通常由于延性断裂而失效，在裂纹尖端之前有相当大的韧带塑化。管道行业有各种分析模型来分析裂缝对管道完整性的影响并确定爆破压力。

四、结束语

埋设的油漆钢管通常受到凹痕形式的机械损坏，通常是由于与挖掘设备或重石的意外撞击造成的。与其他几何参数（即凹痕形状、宽度和长度）相比，凹痕深度是影响最大的几何参数。已经对几个方面进行了审查，从审查中，观察到以下几点：

（1）受约束的平整凹痕的疲劳寿命比无约束的平整凹痕长得多。

（2）深度大于管道直径6%的普通凹痕被认为是不可接受的，除非进一步的分析可以表明与凹痕变形相关的应变水平不超过一定的限制。

（3）基于可靠性的管道完整性管理越来越受到管道行业的兴趣。

参考文献

[1]王靖.含缺陷压力管道安全评定方法研究的现状与发展[J].科技创新与应用，2014,No.105(29):69.

[2]钟玉宝.基于SINTAP方法的含缺陷压力管道安全评定[J].安装，2016,No.280(02):51-53.

[3]彭剑，周昌玉，薛吉林等.含多局部减薄缺陷压力管道的安全评定方法讨论[J].压力容器，2010,27(05):21-25+9.

[4]王一宁，吴胜平，周云.含体积缺陷压力管道安全评定的方法[J].机械制造与自动化，2009,38(05):56.