含缺陷在用压力管道合于使用评价

陈勋，郑连学，周丽琴

1.武汉市锅炉压力容器检验研究所（湖北 武汉430024）

2.武汉锅炉集团阀门有限责任公司（湖北 武汉430200）

工业管道广泛用于石油、化工等多个领域，是一种输送易燃、易爆、腐蚀或毒性介质的承压类特种设备。目前国内多数石化企业的工业管道投用年限较长，普遍存在未焊透、未熔合等平面缺陷和气孔、夹渣等体积缺陷[1]。随着工业管道定期检验普遍开展，检验发现工业管道中大量存在未焊透缺陷，尤其是投用年限较长的石化企业中的工业管道。在按照TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则—工业管道》对管道进行安全状况等级评定时，达到一定自身高度的未熔合、未焊透缺陷被评定为4级，需要返修处理，否则不得继续使用。但大量的工程应用表明，很大比例的此类管道在多年的使用过程中并未出现问题，这种定级划分范围有很大的保守性[2]，会给工业管道使用单位造成较大的影响，使检验工作难度加大。为此《压力管道定期检验规则—工业管道》中规定，安全状况等级为4级的缺陷，除采用修理的方法消除外，还可以采用合于使用评价对超标缺陷进行处理。由于合于使用评价方法及标准应用中涉及到整个管系的应力分析，常规方法难以准确计算出评价标准中要求的应力值，且评价流程较为复杂，要求评价人员具备断裂力学、材料学、无损检测等多方面专业知识，因此大多数检验机构要求使用单位对安全状况等级为4级的缺陷采用修理的方法消除，极少采用合于使用评价对超标缺陷进行处理。采用Start_Prof 管道应力分析软件对某化工厂工业管道进行应力分析，计算缺陷处的轴向应力和弯曲应力，按照GB∕T 19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》[3]对某化工企业反应工段管道中8处未焊透缺陷进行合于使用评价。

1 管道情况概述

某化工企业反应工段管道2014年投用，管道材质为304H，规格为Φ377 mm×10 mm，介质为反应油气，最高工作压力0.75 MPa，最高工作温度480 ℃，保温层为岩棉。在进行首次定期检验时，经X 射线检测发现多处环焊缝中存在未焊透缺陷，其中8 道环焊缝中未焊透缺陷超标，须对缺陷进行返修处理。由于返修难度较大且周期较长，故采用合于使用评价方法来评价处理这8 道环焊缝中的缺陷，定期检验发现的8 处超标未焊透缺陷尺寸见表1。该管道焊缝及热影响区显微组织如图1 所示，焊缝组织为δ 铁素体加奥氏体，热影响区显微组织为奥氏体。管道母材显微组织如图2 所示，母材显微组织为奥氏体，焊缝、热影响区和母材组织，均未析出脆化σ相，晶界处也未产生晶间腐蚀，显微组织形貌也发生明显变化。该管道P120403-2H1 和P120603-5W3焊接接头的焊缝、热影响区和母材硬度检测结果见表2，焊缝、热影响区和母材硬度值均位于110～130 HB，与304H 不锈钢焊接接头硬度值相当。这说明在该条件下，管道焊接接头材质未发生劣化、晶间腐蚀开裂等奥氏体不锈钢材料在高温油气环境下易出现的损伤模式。

2 合于使用评价方法选用

该管道操作压力0.75 MPa，运行温度480 ℃，已投入运行5年，管道系统操作压力和运行温度稳定，根据管道材质、介质和运行工况，可仅考虑腐蚀减薄损伤，以及在内压、拉压、弯矩为主的组合载荷作用下未焊透缺陷的弹塑性断裂失效。因此可直接采用《在用含缺陷压力容器安全评定》附录G《压力管道直管段平面缺陷安全评定方法》进行超标未焊透缺陷的U因子评价[4]。

图1 管道焊缝及热影响区显微组织

图2 管道母材显微组织

表2 焊接接头硬度值 ∕HB

3 合于使用评价过程

以管线P120403的焊缝P120403-2H1为例进行计算。其环焊缝X 缝射线检测底片如图3 所示，该环焊缝整圈均存在未焊透缺陷，未焊透缺陷影像表征为焊缝中心部分呈规则性的边缘整齐的直线，有连续或间断的黑色条纹，图3 中黑色条纹区域即为未焊透缺陷的影像。将环焊缝处切开实测未焊透深度，如图4所示，未焊透最大自身高度3.2 mm。

图3 环焊缝X缝射线底片图

图4 环焊缝未焊透深度实测图

3.1 缺陷的表征

缺陷附近实测最小壁厚9.4 mm，预估均匀腐蚀速率C1为0.02 mm∕a，预计下一检验周期3 年，则管道缺陷附近的计算壁厚B 为9.34 mm。假设未焊透缺陷位置腐蚀速率与附近腐蚀速率一致，则到下一检验周期缺陷高度a 为3.26 mm。缺陷无因此长度θ∕π=1；缺陷相对深度：a∕B=0.349。

3.2 材料性能数据确定

该管道材质为304H，在使用条件下无脆化倾向，使用温度不低于韧脆转变温度，可取压力管道材料容许的最低值AKV为27 J，则评定用材料断裂韧度值JIC=2.2AKV=59.4 J。

评定断裂韧性用KC值，由JIC值按式（1）进行估算：

式中：E为弹性模量，v为泊松比。

3.3 应力的计算

缺陷处应力分析是合于使用评价的关键[5]。压力管道和压力容器的应力分析有明显区别，压力容器的一次应力主要考虑内压载荷下筒体和接管壁厚的问题，而压力管道的一次应力主要考虑重量和内压载荷下跨距问题；压力容器的二次应力考核接管在外载力、弯矩等作用下，渐进塑性变形控制，而压力管道二次应力主要考虑温度导致的弯矩交变作用，两者应力分析中应力分类相似，但概念不同。压力容器是薄壁壳体、板壳单元，主要是计算承压壁厚、局部结构抵抗外载力和弯矩作用下的渐进塑性变形，以及计算压力、温度交变和外载高频交变作用下局部结构疲劳分析，应力分析时常采用有限元分析法。而压力管道作为梁单元，主要分析在不同载荷下管道的弯、拉、扭、压变形，计算跨度、疲劳、弯曲和失稳，由于在实际运行工况下，由温度引起管道位移造成的二次应力值常超过一次应力，采用有限元分析不太适用[6-8]，须采用专业的管系应力分析软件。

根据管道单线图和各单元的长度及约束点位置，采用Start_Prof 管道应力分析软件建立管系模型，对整条管道进行应力分析，计算缺陷部位在运行工况下应力值。管线P120403应力分析模型如图5所示。经Start_Prof软件分析得焊缝P120403-2H1处内力为59.95 kN,弯矩MB为30 409.89 N·m，计算得评价所需的轴向薄膜应力σm=4.59 MPa,弯曲应力σB=28.75 MPa。

图5 管线P120403应力分析模型

3.4 起裂时载荷比LFr 的确定

3.5 U因子值的计算

式中：σb为工作温度下材料的抗拉强度，MPa；σs为工作温度下材料的屈服强度，MPa；经计算U=1.54。

3.6 许可流变应力比[]的确定

由缺陷无因次长度θ/π 值和缺陷相对深度a∕B值，由GB∕T 19624—2004表G.2查得[]=0.992。

3.7 安全性评价

如果式（3）判据成立，则评定结论为安全。

式中：σb为工作温度下材料的抗拉强度，MPa；σs为工作温度下材料的屈服强度，MPa；σm为管道缺陷处轴向薄膜应力，MPa,；σB为管道缺陷处弯曲应力，MPa；np为安全系数，对于输送易燃易爆介质管道，安全系数取1.5。

经计算得σm+σB=33.34 MPa，88.25 MPa，判据成立，说明在正常操作工况下，焊缝P120403-2H1 处的未焊透缺陷不影响管道的安全运行。

按以上步骤对检验中发现的其余7道焊缝中的未焊透缺陷进行合于使用评价，评价结果见表3。

由表3可知，8道环焊缝中超标未焊透缺陷均能通过合于使用评价判据。

为验证无损检测结果并保证设备安全运行，与使用单位协商仅返修焊缝P120403-2H1。此返修焊缝位于二层平台上，返修施工较为方便，施工质量可控，切下含缺陷焊缝的弯头，焊接新弯头，检测合格后投用，其余7 处缺陷保留在管道上不作处理。自2017年定期检验后反应工段管道使用至今，整个工段的管道一直安全运行。这说明管道实际运行情况与合于使用评价结果相符，TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则—工业管道》对未焊透缺陷安全状况等级评定较为保守，采用合于使用评价的方法对管道中未焊透缺陷进行处理，在保证管道安全运行的同时也降低了压力管道缺陷的返修维护成本。

表3 超标未焊透缺陷合于使用评价结果

4 结束语

该化工厂定期检验中发现的8处超标未焊透缺陷，按照TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则—工业管道》安全状况等级评价均为4级，须对未焊透缺陷进行返修，由于该管道中缺陷返修难度大且采购管件周期长，故采用Start_Prof应力分析软件对存在缺陷的管道进行应力分析后，对超标未焊透缺陷进行合于使用评价。评价结果表明：在正常操作工况下，定期检验中发现的8 处超标未焊透缺陷在下一检验周期内均不影响管道的安全运行。