在用燃气管道中含缺陷斜接弯管安全性分析

梁　航

随着埋地管道服役龄期的增加，埋地时间的增长，管道内外腐蚀、外力的作用以及环境等各种因素的影响，原有的埋地管道缺陷与存在的问题将逐渐显露出来，埋地管道的安全状况逐渐发生变化。燃气埋地管道因防腐层破损或防腐措施失效，管道腐蚀引起泄漏酿成事故的情况时有发生。因此，在对城市埋地燃气管道开展必要的检验检测的基础上，采用有限元及风险评估方法对埋地管道进行安全性分析与评定，以确保城市埋地燃气管道的安全、经济、有效的运行显得十分必要。

现针对某城市燃气公司工作人员在对一条公称直径400mm的城区埋地燃气输送主管道进行巡线检查时，检出该管道一弯头处防腐层破损，经开挖去除破损的防腐层准备修复时，发现防腐层破损处管道已腐蚀的较严重，打磨去除腐蚀锈层后，管道壁上出现一个长约56mm，宽32mm，最深处达4mm的弧状凹坑。该弯头系采用钢管现场焊接而成的斜接弯管，如图1所示，缺陷出现在图中A点所示的位置。

图１、斜接弯头结构示意图（图中尺寸单位为mm）

经查阅该管道原设计图纸及施工资料得到管道特性参数如下：

该管道设计压力：0.4MPa；设计温度：-5℃~55℃；管道材质为Q235B；原设计要求该管段安装完毕后作特加强级防腐处理，对接焊口作5%的X射线探伤。

根据上述介绍，该公司工程技术人员依据GB50316-2000《工业金属管道设计规范》，取剩余壁厚作该弯管剩余强度校核如下：

查得材质Q235B的钢管许用应力[σ]1=113MPa，取该弯管腐蚀裕度C=1.0mm，故剩余有效壁厚tsc=7-4-1=2mm

依据文献[1]多接缝斜接弯管的最大许用内压，应取以下两式中计算的较小值：

式中：为管道平均半径；为管道焊接接头系数，局部探伤检验取0.8；为斜接弯管的弯曲半径。

最大允许内压力取两计算公式计算结果中的较小值，即最大允许内压力仅为Pm=0.34MPa，显然该值小于原设计压力值0.4MPa。当时该燃气公司考虑到该管道属于供气的主管道，因此决定按常规做法将该弯管予以更换，由于更换弯管的施工造成了较大范围的停气。

该弯管仅是局部一处产生凹坑腐蚀，是否就须更换，还能否继续使用。按照应力分类分析，结构壁厚的局部小范围的减薄与均匀减薄产生的应力状况有明显的不同，局部小范围的减薄将引起结构在缺陷周边小范围内的应力集中，从而产生高应力区，但这种应力影响范围很小，其中的峰值应力部分还带有自限性，为了判定在这样情况下结构是否安全，还能否继续使用，为今后在遇到类似情况时做出适当的决定，因此有必要对该弯管壁厚减薄后的应力状况和缺陷对结构强度的影响程度以及结构的安全状况作相关的强度分析和安全性分析。

一、弯管强度有限元分析

分析90°斜接弯管结构，其具有两个对称面，因此对其进行有限元分析时，只需取结构的1/4进行相关分析，对于弯管壁面上腐蚀凹坑采用弧球面拟合形成，建模时斜接弯管壁厚扣除1mm的腐蚀裕度。应用Ansys结构分析程序，采用四面体单元，忽略弯管焊缝余高的影响，对于结构中有可能产生应力集中的区域，尤其是腐蚀凹坑及其边缘部位采用减小单元几何尺寸，加密单元的方法，以提高有限元计算精度，经Ansys结构分析程序划分结构网格，整个模型共形成21291个节点，70759个单元。由于结构的对称性，对对称面上的单元节点进行约束，取对称面法线方向位移为0。在分析结构所受的载荷时，考虑到该管道为埋地管道，且埋深0.8m以上，此时地面温度的变化对其产生的影响很小，且现场实际在离该弯头约80m处有一阀门井，阀门的两侧均装有便于阀门装拆的柔性管接头，其可以较好的释放管道因温差变化引起的热胀冷缩，因此可以认为该弯管所受的弯矩很小，可以忽略不计。故此时结构仅受压力载荷。当结构模型在0.4MPa的设计压力作用下，经有限元法计算得到结构应力分布云纹图（如图2所示）。

由图2可见该弯管结构在腐蚀凹坑处出现两处高应力区，其一在腐蚀凹坑缺陷的位置，最大应力强度（Von Mises）达21.254MPa，其应力强度分布如图3，由图可清楚的看出该应力强度虽发生在腐蚀凹坑处，壁厚最小的位置，但其应力强度值很小，远小于弯管材料的许用应力值113MPa，按照应力分类原理可知该应力强度值中还包含有因结构局部薄膜不连续产生的带有自限性的峰值应力成分。因此从结构强度角度考虑该结构此时还是十分安全的。另一个高应力区发生在斜接管对接焊缝处，该区域应力强度值相对较小，仅为18.6 MPa，从结构分析该处高应力是由结构总体薄膜不连续，在内压力作用下结构变形协调而产生的应力集中。

二、含缺陷弯管安全性分析

根据缺陷实际状况可以确定该缺陷属于管道体积缺陷，对其进行安全性评定。

已知管道外径2Ro=457mm，管道内径2R_i=221.5mm，

三、结论

从以上的分析可见，该带有腐蚀凹坑的斜接弯管，不论依据有限元法得出应力强度，还是从安全性评定的角度分析该斜接弯管在腐蚀凹坑达4mm时依然是安全的。因此，只要对该腐蚀管段在打磨除去腐蚀锈层，并采用特加强级防腐处理后，确保该结构不再继续受到腐蚀，使缺陷进一步加剧，该弯管可以继续使用，无需更换。同时在日常巡线中，加强对该管段的检查，即对不同安全等级的管段，实施不同力度的巡线管理，这样即可以确保管道的运行安全，又可以避免因换管造成大范围停气，而带来的经济损失。若该管段的防腐层再次出现破损，管道局部凹坑腐蚀呈蔓延趋势时，应依据腐蚀实际状况重新予以评定，确保管段安全运行；随着“西气东输”工程的深入，城镇燃气管道输送介质由煤气或液化石油空混气变为天然气，管道运行参数发生变化时，应考虑对含缺陷的管道进行相关的安全性评定，当安全性评定结果表明管道安全性能指标达不到国家相关标准的要求时，应更换不安全的管段。

任何设备和管道在使用中由于种种原因造成这样或那样的缺陷是在所难免的，一味的追求完整性是不科学的，随着科学技术的进步，应用国家相关标准规范进行安全性评估既有经济效益，同时也具有一定的社会效益。通过对埋地燃气管道的检测与安全性评估，提供管道企业制定合理、经济的埋地管道管理措施提供科学依据：可以实现按照不同的安全级别，采取不同力度的管理模式，把有限的人力物力用在实际需要上，尽量减少不必要的更换，同时确保管道运行的安全。