含缺陷压力管道安全评定系统的开发

林 桥 张卓凡 肖超波 陈 成 徐加初

（1.广州特种承压设备检测研究院；2.暨南大学力学与建筑工程学院）

油气运输管道和燃气运输管道是维系现代城市与区域经济、 社会功能的基础性工程设施，保障压力管道的安全运营对社会经济的稳定与发展有着至关重要的意义。 压力管道尤其是油气运输管道一般都是埋在地下的，在外力或者土壤等因素作用下管体会发生譬如凹坑、机械损伤及腐蚀等缺陷，降低管道材料的力学性能，如果不能及时检测和处理，将会产生极大的安全隐患［1］。我国针对压力管道上各种类型的缺陷制定了若干相应的评定标准，但由于每个标准的评定依据不同，所需的评定参数不同，且评定时过程繁复、计算量大给工程人员的评定带来诸多困难。 同时， 长距离运输管线缺陷类型和缺陷数量众多，使得评定工作费时费力。

笔者整合《含缺陷油气管道剩余强度评价方法》（SY/T 6477—2017）、《钢质油气管道凹陷评价方法》（SY/T 6996—2014）、《钢质管道管体腐蚀损伤评价方法》（SY/T 6151—2009）、《在用含缺陷压力容器安全评定》（GB/T 19624—2019）中的附录G、H、I 等诸多评价标准［2～5］，基于Python语言开发出一款可视化的压力管道安全评定系统，可对多个同类型缺陷或批量缺陷进行同时评定，为相关工程技术人员提供一种高效快捷的评定工具。

1 评定系统概述

1.1 系统运行环境

系统采用面向对象的编程语言Python，它是一种广泛使用的高级语言，具有可读性强、开源性强和可移植性强的特点， 它也是一种脚本语言，开发代码的效率非常高，在语法表达和GUI应用上有着独特的优势［6］。 利用其成熟的库PYQT5 作为可视化开发的主要辅助工具。系统可以运行在Windows7 及以上版本的系统中， 界面简洁，操作简单，并且预留了接口，方便后续的版本更新。

1.2 系统功能设计

系统综合了国内关于工业管道的评定标准，按照缺陷类型分类，整理出5 个最适用的评定模块， 分别为凹坑缺陷/带凹坑复合缺陷评定模块、腐蚀缺陷/金属减薄缺陷评定模块、点蚀缺陷评定模块、错边斜接缺陷评定模块和焊缝上缺陷评定模块。 每个评定模块界面分为4 部分：适用条件说明、材料结构参数、缺陷参数和评定结果显示。主要操作放在缺陷参数输入界面中，包括返回主界面、导入数据和运算功能。 使用时依据适用条件选择合适的评定方法，依次输入材料结构参数和缺陷参数，点击运行按钮即可进行评定。 其中材料结构参数为单个数据输入框，即评定对象应为同一管线上的缺陷；缺陷参数可进行多个缺陷数据的输入，或者以Excel 数据文件导入，以实现多个缺陷或批量缺陷同时评价的功能。 对于判定为不安全的缺陷，系统会以红色字体显示起到提示用户的作用，并给出原因。 为了保持系统界面的简洁性，将材料力学性能数据库、相关缺陷规则化流程、材料属性取值估算及依据等辅助知识库模块放入word 说明文档中，在系统主界面中可以点击帮助进入帮助文档，辅助用户查询相关参数和准则。 系统的总体框架如图1 所示，评定系统的主界面如图2 所示，限于篇幅，没有给出各模块的输入界面。

图1 系统总体框架

图2 评定系统主界面框图

2 主要功能模块的评定标准

2.1 凹坑缺陷/带凹坑复合缺陷评定模块

此模块适用于大部分凹坑缺陷和部分带凹坑的复合缺陷，可以选择《含缺陷油气管道剩余强度评价方法》（SY/T 6477—2017）和《钢质油气管道凹陷评价方法》（SY/T 6996—2014）。 前者是依据基于深度的评定准则和基于应变的评定准则，该评定方法由于评定所需参数较少，测量步骤简单，对于一些安全程度一般或者修复较为容易的管道推荐使用该评定准则［7］。 后者给出了单纯平滑凹陷和凹坑与沟槽复合缺陷的评定方法，相对前者所需参数较多， 前期测量工作较复杂，但给出的评定结果更精准，提供了降压运行的判别条件并能计算出降压运行压力的具体数值，适合安全级别较高的管道评定。

系统在凹坑缺陷评定模块中，给出了3 种类别的评定方法，用户可以根据检测技术能力和实际需求选择不同的评定方法进行评定，并可进行多个评定方法的对比分析。

2.2 腐蚀缺陷/金属减薄缺陷评定模块

腐蚀缺陷是埋地管道最常见的缺陷类型［8］，对于该类缺陷的处理一般采用打磨后再测量的方法，因此对于该类缺陷可以视作局部减薄体积型缺陷来处理，系统依据《钢质管道管体腐蚀损伤评价方法》（SY/T 6151—2009）和《含缺陷油气管道剩余强度评价方法》（SY/T 6477—2017）中含体积型缺陷管道剩余强度评定构建了评定腐蚀缺陷、金属损失及制造缺陷等体积型缺陷的完整评定流程。 前者将腐蚀缺陷分为横向腐蚀缺陷和纵向腐蚀缺陷，采用管体腐蚀损伤尺寸评定法和最大安全工作压力评定法相互结合，该方法流程清晰，所需测量参数较少。 后者将主要评定的体积型缺陷分为均匀腐蚀缺陷和局部金属损失缺陷，系统将这部分分成均匀腐蚀缺陷评定模块和局部金属损失缺陷两个评定模块，均匀腐蚀缺陷评定中，有点测厚法（RTP）和危险截面法（CTP）两种方法，系统严格按照选取条件将两种方法内置，用户只需要输入相关数据，系统会自动选择合适的方法进行一级或二级评定。 局部金属损失缺陷评定中，二级评定需要将截面分为多个并分别计算材料截面剩余强度因子（RSF），检测任务加大， 因此系统将一级评定与二级评定分开，对于安全级别较高的管道可采用二级评定进行评估。

2.3 点蚀缺陷评定模块

点蚀缺陷是管道弥散损伤缺陷的一种，是腐蚀缺陷的初级阶段，由于现有的技术可以对点蚀进行无损检测［9］，因此系统单独开设点蚀缺陷评定模块，对该类缺陷的评定采用的是《含缺陷油气管道剩余强度评价方法》（SY/T 6477—2017）中的含弥散损伤型缺陷管道剩余强度评定方法，借用了体积型缺陷的评价方法，将管道弥散损伤缺陷视作孔洞型均匀损伤，基于损伤力学，通过研究缺陷损伤随时间演化规律、损伤沿壁厚方向分布规律和损伤材料宏观力学性能退化规律，建立的极限承压能力工程评定方法。

2.4 错边斜接缺陷评定模块

此模块包含错边缺陷评定和斜接缺陷评定。错边缺陷是指管道在焊接或安装过程中由于工程问题造成的环焊缝错边缺陷，分为等直径错边和不等直径错边。 斜接缺陷是指钢管对接焊缝产生斜接而引起的缺陷。 对这两类缺陷的评定采用的是《含缺陷油气管道剩余强度评价方法》（SY/T 6477—2017）中含错边和斜接缺陷管道剩余强度评定方法，仅考虑管道所受载荷不会进一步引起错边变形的情况。

此模块分为错边缺陷和斜接缺陷两部分，用户可以按照评定规则分别进行评定。 两类缺陷评定均不考虑附加应力的影响，对于有较大附加载荷的缺陷不适用。

2.5 焊缝上缺陷评定模块

焊缝缺陷是对焊缝及与焊接有关的缺陷的总称，在系统中主要包括未熔合、未焊透等平面缺陷和气孔、 夹渣及特定未焊透缺陷等体积缺陷。

对于非焊缝缺陷，如裂纹和局部减薄也可以用此模块进行评定，由于本系统对于裂纹默认为打磨成局部减薄评定或直接修复处理，并没有针对裂纹等缺陷设置相应的安全评定，因此仅能进行直管段平面缺陷中的安全评定中的裂纹计算。此模块适用于在内压或内压与弯矩组合载荷下的弯头、三通、直管上体积缺陷和平面缺陷的安全评定。

3 工程实例

3.1 工作实例与结构参数

均匀腐蚀是导致金属管道失效的主要原因之一，因此以工程中的均匀腐蚀为例进行计算［10］。

某油气运输管道检测出一个腐蚀缺陷，因腐蚀区域相对均匀，将腐蚀区域打磨后测得变异系数COV 为2%，按均匀腐蚀缺陷评定方法进行评定，其材料结构参数如下：

管材 20#

工作压力 2.6 MPa

工作温度 15 ℃

外径 720 mm

内径 700 mm

弹性模量 206 GPa

泊松比 0.3

屈服强度 345 MPa

缺陷参数如下：

管材 20#

宽度 90 mm

轴向长度 100 mm

深度 6 mm

变异系数 2%

缺陷位置 直管段

3.2 系统评定结果

打开评定系统，通过主界面进入腐蚀缺陷/金属减薄缺陷评定模块，进入模块后选择“局部减薄评定”，进入“均匀腐蚀减薄”子模块中，依次输入材料结构参数和缺陷参数，其中管道设计系数F 取0.8，未来腐蚀裕量FCA 取2 mm，均匀减薄厚度LOSS 取2 mm， 由于腐蚀区域经打磨处理，表面较光滑，缺陷参数中厚度均可取4 mm。 点击“运行”，系统会自动选取合适的评定方法，将结果显示到“评定结果”一栏中。 最终评定结果为点测厚法运算，且管道不安全，需要降压处理，最大允许工作压力为1.7 MPa， 缺陷参数输入界面如图3 所示，评定结果如图4 所示。

图3 均匀腐蚀评定缺陷参数输入

图4 均匀腐蚀评定结果

3.3 ANSYS 仿真验算

为了验证评定系统的可靠性， 采用ANSYS对3.2 节中的含均匀腐蚀减薄的缺陷管道进行有限元计算。 利用ANSYS workbench 平台建立管道模型，为了保证计算结果的可靠性，管长取外径的3 倍［11］，即2 160 mm，将管道缺陷规则化为均匀壁厚缺失的模型，减薄厚度为6 mm，坑底为圆柱面。 由于模型尺寸和载荷具有对称性，取局部管道和缺陷区域的1/2 建立理想化模型， 为了避免应力集中的影响，将缺陷周围棱角处设置为3 mm 的倒角［12］。 在两端部的薄壁上设置轴向位移约束，对称面上设置对称约束，并依据系统计算结果，在管道内表面施加1.7 MPa 的内压，模型如图5 所示，网格划分如图6 所示。

图5 含均匀腐蚀缺陷管道模型

图6 网格划分

腐蚀管道的失效可由腐蚀区域von-Mises等效应力来确定，即采取塑形局部失效的失效模式［13］，认为当腐蚀区域的等效应力σ 超过管道的屈服强度时，即为失效。 依据有限元的计算结果（图7）可知，含缺陷压力管道在评定结果的要求内压下， 最大等效应力发生在减薄区域的倒角处，数值为314.16 MPa，安全裕度为8.9%，与系统计算结果基本符合。

图7 ANSYS 计算结果

4 结论与展望

4.1 系统基于《含缺陷油气管道剩余强度评价方法》（SY/T 6477—2017）、《钢质油气管道凹陷评价方法》（SY/T 6996—2014）、《钢质管道管体腐蚀损伤评价方法》（SY/T 6151—2009）、《在用含缺陷压力容器安全评定》（GB/T 19624—2019）中的附录G、H、I 等诸多评价标准中压力管道的评定方法综合而成。 可以为工程技术人员提供多种评定标准以供选择，工程人员可以根据现场的工程条件和可以获取的测量参数选择合适的标准进行评定。

4.2 使用系统进行安全评定时，可以免去琐碎复杂的计算环节，界面友好简洁，能够方便、快捷、精准地帮用户实现含缺陷压力管道的安全评定，计算结果安全可靠并保有一定的安全充裕度，极大地缩短了评定时间，提高了工作效率。

4.3 系统对于含缺陷压力管道仅考虑内压为主要载荷的情况， 并未考虑有较大附加应力的情况， 并且对于裂纹缺陷没有确定的评定方式，仅做打磨处理，未来可以加入裂纹缺陷的评定方法并与ANSYS 等仿真系统结合获取管道缺陷处应力数据辅助计算。