陈永利　唐文庆　种玉宝（大连市锅炉压力容器检验研究院　辽宁大连）

在役含缺陷压力管道安全评定方法

陈永利唐文庆种玉宝
（大连市锅炉压力容器检验研究院辽宁大连）

国内外几种典型的含缺陷压力管道安全评定的方法，以含超标缺陷压力管道为例，重点阐述我国对在役含缺陷压力管道安全评定的方法和过程。

压力管道缺陷安全评定方法国家标准

压力管道是生产、生活中广泛使用的可能引起燃爆或中毒等事故、危险性较大的特种设备。由于种种原因，我国相当数量的管道存在各种各样的缺陷，需要进行安全评定的超标缺陷管道数量众多。而结构中的缺陷并不都会影响结构的使用，不加区分地对管道进行修复，不仅会增加成本，而且有时不恰当的修复反而会进一步损害材料，使材料性能下降乃至产生新的缺陷。因此，对在役管道缺陷进行安全评定具有重要意义。在检验与安全评定相结合的情况下，不但可以保障管道安全，而且可以避免大量含缺陷管道不必要的更换和返修。

一、常用压力管道缺陷评定规范

近年来，国际上广泛将缺陷评定及安全评定称之为完整性评定或合乎使用评定，它不仅包括超标缺陷的安全评估，还包括环境（介质与温度）的影响和材料退化的安全评估。按合乎使用原则建立的结构完整性技术及其相应的工程安全评定规程（或方法）越来越成熟，已在国际上形成了一个分支学科，在广度和纵深方面均取得了重大进展。在广度方面，新增了高温评定、各种腐蚀评定、塑性评定、材料退化评定、概率评定和风险评估等内容；在纵深方面，弹塑性断裂、疲劳、冲击动载和止裂评定、极限载荷分析、微观断裂分析以及无损检测技术等均取得很大进展。

1.以断裂力学J积分为判据的评定方法

对于含缺陷的管道，通常采用断裂力学方法进行失效分析。根据J积分断裂参量而产生的计算方法，在理论上和试验研究中都被广泛应用。采用J积分的评定方法不仅可评判管道所含裂纹的启裂，而且还可以进行裂纹扩展的计算。通过含缺陷管道在载荷作用下产生的断裂推动力J积分与管道材料抗断裂阻力（JR阻力曲线）的比较，可以判断裂纹的启裂与失稳。

2.欧洲缺陷评定方法SINTAP

1996年，欧洲委员会为建立一个统一的合乎使用评定标准，于1999年完成了欧洲工业结构完整性评定方法（Structural Integrity Assessment Procedure），简称SINTAP。SINTAP是对焊接结构进行合于使用评定的一种方法，涉及脆断领域和塑性破坏，以及二者之间的相互作用。根据可以获得的材料信息量，SINTAP给出了不同的分析级别。高级别分析比低级别分析需要更多的信息，但得到的分析结果反而更保守。不可接受的结果并不表明分析的失败，而应该是将分析级别推向更高级别。若低级别的分析足以证明结构安全，则没必要进行更高级别的分析。SINTAP是国际上应用最普遍的方法。

3.英国R6评定方法（双判据准则）

R6评定方法由英国中央电力局提出，其第3版（R/H/R6，Revision3）是被广泛接受的缺陷评定方法，适用于各种含缺陷结构的脆性断裂、塑性失稳和弹塑性撕裂的评定。3种断裂评定用1张评定图表示，图的纵坐标表示结构脆断的性能，横坐标表示结构的塑性失效行为。

4.美国石油学会标准API 579

近年，美国结构完整性评定技术也有很大发展，在规范中最引人注目的是已出版的API 579《推荐用于合乎使用的实施办法》和API 580《Risk-Based Inspection》。SINTAP、R6的工业背景主要是电站（包括核电）及海洋石油平台，它们的发展主要反映了缺陷的断裂评定技术（包括塑性失效评定）和疲劳评定技术的发展。API 579的工业背景是石油化工设备，其特点是更多地反映了石油化工在役设备安全评估的需要。与其他标准不同之处是，API 579不仅包括在役设备缺陷安全评估，还在很广的范围内给出在役设备及其材料的退化损伤安全评估方法。

5.ASME XI IWB-3650压力管道缺陷评定规范

ASME XI IWB-3650《铁素体钢管道缺陷评定规程及验收准则》是美国机械工程师协会制定的。铁素体钢管道的失效模式有脆性断裂、弹塑性撕裂失稳和塑性失稳3种。ASME XI IWB-3650规范的编制者经过大量的理论分析、数值计算和试验研究，把结果加以整理简化，给出了使用极为方便的表格和简单算式。首先要根据管径及缺陷几何尺寸、材料性能、外载大小计算参量SC，判别出潜在的失效模式，最后根据不同的失效模式查出相应的表格和算式。

6.中国在用压力管道缺陷评定规范

中国压力管道缺陷评定主要是依据《在用含缺陷压力容器安全评定》（GB/T 19624-2004）进行。该标准把缺陷分为平面缺陷（裂纹、未熔合、未焊透及深度≥1 mm咬边等）和体积缺陷（凹坑、气孔、夹渣以及深度＜1 mm的咬边等），给出了含局部减薄、未焊透缺陷压力管道免于评定条件和塑性失效工程评定方法。首次提出了含体型缺陷压力管道组合载荷作用下三维结构极限上、下限分析的逐步渐近法等3种塑性极限载荷分析的数值计算方法，首次建立了应用简便、精度高、适用于任意应力应变关系材料的含周向面型缺陷压力管道的U因子工程评定方法。

二、在役管道安全评定实例

1.基于GB/T 19624-2004的安全评定

2007年10月，依据GB/T 19624-2004，对大连某公司液化气管线（图1）在检验过程中发现的超标埋藏缺陷进行了安全评定。该管线于1997年投入使用，材料为20钢，查《输送流体用无缝钢管》（GB/T 8163-1999），可知20钢屈服强度ReL=245 MPa，抗拉强度Rm=390 MPa，弹性模量E=200 000 MPa，泊松比ν= 0.3。管线操作压力1.6 MPa，操作温度为常温，使用年限10 a。管线外径为108 mm，公称壁厚4 mm，实测最小壁厚3.8 mm，腐蚀速度C2=0.02 mm/a，减去2倍腐蚀量后的计算厚度Bs=3.68 mm。管道焊缝成型良好，管道支架结构完好，操作平稳，无明显的压力波动。在焊口D12#根部存在整圈未焊透，自身高度α= 1.0 mm。下次检验周期为3a后。

图1　液化气管线单线

（1）材料断裂韧度计算。由于材料的断裂韧度无法实测，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，因此在评定时根据标准规定，取压力管道材料允许的最低冲击韧性AKV=27 J。根据标准给定的材料允许的最低AKV和JI（C材料断裂韧度）下限值的关系，对未焊透缺陷取JIC=2.2AKV，根据换算关系得Kc是以应力强度因子表示材料的断裂韧度。

（2）缺陷处应力计算。本次无损检测中所发现的缺陷均为周向缺陷，故评定时只考虑轴向应力。另外管道操作平稳，无明显的温度及压力波动，故无须考虑疲劳损伤的问题。利用ANSYS有限元分析软件中的管道单元对此液化气管线进行有限元分析，得焊口D12#处轴向应力11.839 MPa，最大切应力2.493 MPa，最大弯曲应力45.862 MPa，轴向合成应力57.701 MPa。

（3）起裂载荷比LrF、U因子及许可流变应力比的确定。确定起裂载荷比LrF时，首先计算，在GB/T 19624-2004中表G.1，查得缺陷无因次长度（θ/π）和缺陷相对深度（α/B）s，则有LrF=1.2。根据。由缺陷无因次长度和缺陷相对深度，查GB/T 19624-2004中表G.2，可得许可流变应力比=1.07。

（4）缺陷安全性评价见式（1）。

式中σm——轴向膜应力，MPa

σB——弯曲应力，MPa

由公式1确定缺陷是否安全。将各数值带入式1，可得σm+ σB=57.7MPa，因此该缺陷是安全的，并具有一定安全裕度。

2.基于SINTAP的安全评定

SINTAP-FAD方法的基础方程见式（2）。

式中Kr——KI/Kmat

Lr——F/FY

F为施加载荷，FY为极限载荷（与屈服强度有关，并且依赖于几何形状和缺陷尺寸）。点（Lr，K）r在断裂评定曲线定义范围内，即可避免断裂发生；反之，若点（Lr，K）r在断裂评定曲线定义范围以外，则认为该结构是不安全的。

（1）SINTAP评定软件。评定软件根据SINTAP评定方法的前3个等级采用VB进行编制，根据“缺陷方向”的选择，输入相关数据后，可得出评定结果，软件界面见图2。

图2　SINTAP软件界面

（2）评定结果。将液化气管线（图1）的相关数据输入到软件中，得出评定失效评定曲线（图3）。从中可以看出，采用SINTAP一级方法进行评定，评定点在评定曲线定义范围内，因此，该超标缺陷是安全的。

三、结束语

随着现代工业和力学、数学、计算机技术的迅速发展，由于设计压力提高、高强度钢材的大量使用、焊接技术的普遍运用以及设备使用的严酷化等因素，各国都在逐渐修订和改进自己的规范及标准。对超标缺陷进行合乎使用的评定，一方面可减少不必要的过大安全裕度，同时又考虑到了影响安全的各种因素。在保证安全前提下正常恢复使用一批带有缺陷的管道，具有重要现实意义。

图3　失效评定曲线

〔编辑凌瑞〕

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