X80管道环焊缝缺陷安全评定方法对比研究

武明明，姚安林，蒋宏业，付冉，陈玉超

西南石油大学石油与天然气工程学院(四川成都610500)

X80管道环焊缝缺陷安全评定方法对比研究

武明明，姚安林，蒋宏业，付冉，陈玉超

西南石油大学石油与天然气工程学院(四川成都610500)

管道环焊缝缺陷是影响管道正常运行的重要因素之一，通过对国际上常用的焊缝缺陷安全评定规范和方法的对比分析，选择《在用含缺陷压力容器安全评定》(GB/T 19624-2004)这一符合我国管道使用情况的规范:采用其中的失效评定图法和U因子工程评定法对某X80管道环焊缝进行安全评定，并对两种方法进行对比分析，得出适合评价此管道的方法为U因子法。根据评定结果确定是否有必要对管道进行维修或更换，节省了人力和物力资源。

X80管道;环焊缝缺陷;U因子评定法;失效评定图法

近10年来，随着中国天然气需求量的大幅度增长，管道输送能力也日益增强，天然气输送用管线钢级别从X60迅速提高到了X80。2005年在冀宁线上建成了中国首条X80钢级管道应用工程，而西气东输二线管道是中国首次大规模采用X80建设的长距离输气管道，其长度达到4 843km，超过了国外所有X80管道的总长[1]。可以预见，未来X80管线钢在天然气输送方面的使用范围将更加广泛。

X80管线钢是目前国际上输气管道的主导钢材，它属于控轧控冷的低碳微合金钢，具有高强度和良好的抗延性断裂能力[2]。X80管线钢在制造、安装、使用过程中不可避免地会存在各种缺陷，有可能使管道发生泄漏或爆炸事故，而环焊缝缺陷是导致事故发生的重要因素之一。因此有必要对日益普及的X80钢管进行环焊缝缺陷安全评定，既能保障管道运行安全，还能使大量含缺陷管道避免不必要的返厂维修和更换。

1 常用管道环焊缝缺陷安全评定规范概述

随着现代工业和力学、数学等基础学科的快速发展，特别是计算机技术在安全评价中的应用日益广泛，在高强度钢材的大量使用、设计压力的逐步提高、焊接技术的不断机械化以及工艺操作严格化等因素的影响下，各国都不断修订和完善评定规范及标准，使得评定过程更为成熟，评定方法更加普及。常用管道环焊缝缺陷安全评定规范主要有以下几种：

1)英国含缺陷结构完整性评定标准。含缺陷结构完整性评定标准简称为R6，是目前含缺陷压力容器安全评定广泛采用的方法[3]。

2)美国EPRI评定规程。EPRI评定规程是“含缺陷压力容器及管道的完整性评定规程”的简称，该规程分为两部分：较简单的用于典型的核级压力容器评定，另一种用于其他钢材，并能适用于更薄截面的部件[4]。

3)欧洲工业结构完整性评定方法(SINTAP)。该规范在压力容器评定规范领域内具有代表意义，它涉及塑性破坏、脆断领域以及二者间的相互作用，并提出一种估算缺陷形状变化的新方法[5]。

4)ASME管道缺陷评定规范。该规范先对含缺陷管道的失效模式进行筛选，然后根据不同的失效模式分别进行评定。此规范考虑了材料撕裂后抗力增加，能完成韧性撕裂失稳极限载荷分析[6]。

5)美国石油学会标准API 579。该标准采用逐级推进的评定形式，更多反映了承压设备安全评估的需要，在较大范围内给出了在役设备及其材料裂化损伤的安全评估方法[7]。

6)以断裂力学J积分为判据的评定方法。含缺陷压力管道使用该评定方法一方面可以评定管道所含裂纹的启裂，另一方面能够计算裂纹的扩展趋势，得到的分析结果较为全面。

7)我国在用压力管道缺陷评定规范GB/T19624 -2004《在用含缺陷压力容器安全评定》[8]，这一规范中的评定方法较适合我国含缺陷管道的安全评定。

2 常用管道环焊缝缺陷安全评定方法

由于各国管道可能在多个方面都存在着差异，如管材材料、设计原理、输送介质、敷设方式、焊接方法等，从而压力管道安全评定的规范或标准中对环焊缝缺陷安全评定方法也各不相同，常用安全评定方法有[9]：失效评定图法(FAD)、U因子安全评定法、局部减薄缺陷的塑性失效评定法、ASMEIWB-3650压力管道缺陷评定法以及焊缝质量等级评定方法等。随着计算机的广泛应用以及编程人员技能的提高，也相应地研发出对含缺陷压力管道进行安全评定的专家系统。常用管道安全评定方法对比见表1。

由表1可见，失效评定图法和U因子评定法具有评定过程简便、评定结果精确的优点，因此笔者分别采用这两种方法对某X80管道进行安全评定。

3 管道环焊缝缺陷评定

X80是高强度管线钢的美国分类型号，其最小屈服值为551MPa。该钢属于高度的洁净钢，通过形变强化使材料具有较高的强韧性，因而对焊接加工提出了特殊的要求。X80管线钢在焊接时容易出现的缺陷是裂纹，其他焊接缺陷和其他钢种的焊接类似，有未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺欠等[10]。

以西气东输某X80管道为例，此管道某一段上存在环焊缝缺陷，为了使管道的运行更加安全，需要对其进行安全评定。管道原始数据：管道材料为X80钢材，管道内介质为天然气，管道工作压力为12MPa，设计压力为18MPa，管道腐蚀余量C2为1mm，管道公称直径D为1 219mm，壁厚t为18.4mm。查得材料性能参数为：屈服强度σs=550MPa，抗拉强度σb=610 MPa，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。

经检测得到管道的缺陷参数：实测管道最小厚度δn=15mm，管道存在一焊缝缺陷，缺陷最大深度a=7mm，沿轴向长度为20mm。

3.1 U因子评定方法

国家标准《在用含缺陷压力容器安全评定》[8](GB/T 19624-2004)中对压力管道平面缺陷采用了U因子工程评定方法。此评定方法适用于任意应力应变关系材料、任意材料断裂韧度，而且评定过程简便，评定精度高。针对西气东输某X80管道存在的环焊缝缺陷情况，采用此标准中的U因子评定方法对该缺陷进行评定。

3.1.1 U因子评定法评定步骤

1)材料性能数据的确定。

2)应力的确定。

3)管道材料断裂韧度的确定。

4)起裂时载荷比和许可流变应力比的确定。

5)U因子评定法。

6)安全性评价。

3.1.2 管道材料断裂韧度的确定

根据文献[8]附录G.4.1中材料性能数据确定的特殊规定，未焊透缺陷的断裂韧度的下限值JC可取2.2Akv。由于缺乏在役材料夏比V型缺口冲击功Akv的具体数据，但能判断该材料适用于压力管道，且在使用状况下无脆化倾向，使用温度不低于韧脆转变温度，因此可取压力管道材料容许的最低值27J，则JC=2.2Akv=59.4N/mm。

评定计算用断裂韧度Kc值，可按文献[8]中公式进行估算：

计算得Kc=3 666.95N/mm3/2

3.1.3 应力计算

根据管系应力分析确定缺陷处管道横截面的弯矩MB为10.5×107N·mm，拉力F为8×105N，内压为12MPa。按文献[8]G.4.2.1中的公式(2)、(3)分别计算评定所需的轴向膜应力及弯曲应力：

其中R为管道中间面半径，R=600.3mm;Ri为管道内半径，Ri=591.1mm;B为管道有效厚度，B=δn-C2=14mm。

将各值代入式(2)和式(3)得：σm=264.6MPa，σB= 6.63MPa。

3.1.4 起裂时载荷比和许可流变应力比的确定

管道缺陷深度a=7mm，管道有效厚度B=14mm，则a/B=0.5;缺陷半包角为θ=π/5，则θ/π=0.2;无量纲系数

根据a/B和Y由文献[8]表G.1查得管道起裂时载荷比Lr=1.71;根据a/B和θ/π由文献[8]表G.2查得许可流变应力比=1.071。

3.1.5 安全性评价

按式(4)计算U因子值：

(当U＜1时，取U=1)计算得U=0.617，故取U=1。

按式(5)计算含缺陷管道当量许用应力[σ]

其中n为安全系数，按文献[8]表5.1规定，取n=1.5，计算得[σ]=414.12MPa。

当地当量总应力σ=σm+σB=271.23MPa。

文献[8]附录G规定平面缺陷安全性评价条件为σ≤[σ]，若能满足此条件，则评定结果为安全或可以接受;否则，为不能保证安全或不可接受。

评定结果：由于σ＜[σ]，该X80管道环焊缝缺陷安全，该缺陷可以接受。

3.2 失效评定图法

失效评定图法(FAD)具有评价过程简便，评价结果又不失安全的性能而广泛应用于工程界。在评定含缺陷压力管道时，首先选择相应的失效评定图，然后将计算出的评定点(Kr，Lr)绘制在图中，根据评定点和评定曲线的位置关系判定管道是否失效。若评定点位于评定曲线(FAC)的下方(安全区)，那么可以判定此管道缺陷是安全的;若评定点处于失效评定曲线的上方(失效区)，那么可以判定此管道缺陷将失效，需要对管道进行维修或更换。

3.2.1 失效评定图法评定步骤

失效评定图法评定步骤如图1所示。

3.2.2 确定缺陷参数

平面缺陷的表征。缺陷的实际情况如图2(a)所示，对管道进行缺陷规则化表征处理，将其表征为规则的裂纹状表面缺陷，表征后裂纹的形状为半椭圆形，表征裂纹尺寸由缺陷外接矩形的长和高确定。缺陷的表征尺寸如图2(b)所示。

为使评定结果更为可靠，安全系数选为1.1，计算用缺陷尺寸，计算方法为：缺陷表征尺寸乘以安全系数，得表征裂纹高度h=7.7mm，裂纹沿壳体方向的半长c=11mm

按式(6)计算纵截面上应力σφ：

由应力分解得到一次薄膜应力Pm=596.25MPa，一次弯曲应力Pb=0。

考虑焊接残余应力，二次薄膜应力为Qm=，焊接残余应力在截面上的最大值取管道材料的屈服强度σs，故Qm为165MPa，二次弯曲应力Qb为0。

考虑失效后果严重性，各类应力均乘以分安全系数，一次应力的分安全系数为1.5，二次应力的分安全系数为1.0，并作为评定计算的应力：Pm=894.37 MPa，Pb=0，Qm=165MPa，Qb=0。

3.2.3 应力强度因子的计算

式中：fm、fb分别为计算由薄膜应力和弯曲应力引起的裂纹尖端处应力强度因子所用的裂纹构形因子，fm、fb依据附录D计算分别为0.877和0.254，故一次应力引起的应力强度因子=3 856.8 N/mm3/2，二次应力引起的应力强度因子=711.53 N/mm3/2。

3.2.4 断裂比的计算

断裂比的计算式为：

评定用材料断裂韧度计算式为：

载荷比的计算式为：

鼓胀效应计算式为：

根据式(11)和式(12)计算，结果为：Mg=1.00，Lr=0.044。

查材料性能数据手册，此管材平面应变断裂韧度KIC取3 548MPa·mm1/2，考虑断裂后果严重性，分安全系数n1取1.2，故Kp=93 498.67N/mm3/2。不考虑裂纹群影响，裂纹干涉效应因子G取1，又因为载荷比Lr＜1.1，根据文献[8]得塑性修正因子ρ=0.02，将数据代入式(9)后得Kr=0.27。

常规评定通用失效评定图已知评定曲线，计算得到的Kr=0.27和Lr=0.24确定失效评定点(Lr，Kr)，并将其描绘在图中相应的位置，如图3所示。由图中评定点与评定曲线的位置关系可以看出，评定点在曲线的下方，属于安全区域，表示该缺陷对管道正常运行的危害性较小，无需进行管道更换或返修。

4 分析与比较

U因子工程评定方法可适用于任意材料断裂韧度、任意应力应变关系的材料，此方法能够自由选择安全系数，并且评定过程简单，评定精度高，适用于周向面型缺陷压力管道的评定，但只适用于扭矩载荷不大的情况[11]。相比之下，失效评定图评定过程中需要大量的缺陷及管材参数，并且需要针对不同材料建立失效评定曲线，评定过程较为复杂。

由于X80管道环焊缝缺陷较小，扭矩载荷不大，针对本管道具有事先编制的应力应变关系表，参数容易获得，因此更适合采用U因子工程评定方法，评定过程简单且结果更为精确。采用失效评定图评定此管道环焊缝缺陷时，需要根据规范选择特定的失效评定曲线，由于没有考虑每种材料的特性，本文所选曲线对应的管材参数与实际存在偏差，评定结果具有一定的保守性，评定结果相对较为直观。

5 结论

1)对国内外常用压力管道缺陷评定规范及方法进行了总结及对比分析。

2)选择《在用含缺陷压力容器安全评定》(GB/T 19624-2004)这一符合我国管道使用情况的规范，采用其中的失效评定图法和U因子工程评定法对某X80管道环焊缝平面缺陷进行安全评定，详细地呈现出评定步骤及计算过程，并对2种方法进行比较，得出适合评价此管道的方法为U因子法。

3)2种评定方法得出的结论都为缺陷可以接受，因此不需要更换管道或修补，节省了人力和物力资源。

[1]张斌，钱成文，王玉梅，等.国内外高钢级管线钢的发展及应用[J].石油工程建设，2012，38(1):1-4.

[2]刘志毅.X80管线钢环焊缝焊接残余应力数值模拟[D].天津：天津大学，2008.

[3]R/H/R6-Revision 3-1997 Assessment of the Integrity of Structure Containing Defects[S].

[4]EPRI and Noveltech Corporation.Ductile Fracture Handbook：Volume1[R].California:Research Reports Center Palo Alto，1991:20-25.

[5]Stephen Webster，Adam Bannister.Structure Integrity Assessment Procedure for Europe of the SINTAP program overview[J].Engineering Fracture Mechanics，2000，67(16):481 -514.

[6]ASME B&PV Code Case N-480-1990 Examination Requirements for Pipe Well Thinning Due to Single Phase Erosion and Corrosion[S].

[7]API 579-1/ASME FFS-1-2007 Fitness-for-Service-Second Edition[S].

[8]GB/T 19624-2004在用含缺陷压力容器安全评定[S].

[9]卢黎明.未焊透缺陷压力管道安全评定工程方法研究[D].南昌：南昌大学，2006.

[10]吴冰.X80管线钢焊接性能研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[11]李倩倩，张巨伟.含缺陷压力管道简化因子评定方法的研究[J].当代化工，2011，40(9):978-981.

The defect in pipeline circular weld is one of the important factors that influence the normal operation of pipeline.Through the analysis and comparison of international common weld defect safety assessment standards and methods，it is found that“safety assessment of pressure vessels with defects”(GB/T19624-2004)is more suitable to pipeline use situation of our country.The circular welds of a X80 pipeline are evaluated using failure assessment diagram method and U factor engineering assessment method in GB /T19624-2004，and the evaluation results of two methods were compared and analyzed.The results show that the U factor method is more suitable for the evaluation of the pipeline.According to the assessment results，it is can be determined whether to repair or replace the pipeline，which saves the manpower and material resources.

X80 steel pipeline;defect in circular weld;U factor assessment method;failure assessment diagram method

王梅

2015-04-24

武明明(1990-)，女，硕士，主要从事油气管道安全评价研究。