含缺陷压力管道的安全评定技术

含缺陷压力管道的安全评定技术

叶凌伟 蒋强

浙江省特种设备科学研究院 浙江杭州 310020

摘 要：压力管道主要是用来输送液体或者气体的设备，管道运输在多个领域都有广泛的应用。由于管道运输介质的特殊性，对管道的质量安全有极高的要求，但是管道应用过程中，因为受到腐蚀、外部损伤、制管缺陷等因素的影响，就容易引起管道开裂、泄漏，进而发生爆炸、火灾等安全事故。所以，对于含缺陷的压力管道要通过合理的技术进行安全评定，判断管道是否能够应用，这样才能有效的保证管道运输的安全。

关键词：安全评定；含缺陷压力管道；技术应用

含缺陷压力管道能不能继续应用，对管道运行的经济性和安全性都有较大的影响，因此，需要通过使用合理的技术进行安全评定，明确其是否能够继续进行使用。有关安全评定的方法国际上有很多，我国也发布了有关含缺陷压力容器安全评定的国家标准，对压力管道的安全评定也适用。

1.缺陷种类

对管道含缺陷的种类以及其表现形式有了充分的认识，才能更好的选择适合的安全评定方法。从缺陷的不同角度来讲，可以分为不同的种类。

1.1不同性质的缺陷

按照缺陷性质的不同，管道缺陷主要表现有孔穴、熔合不全、裂纹、夹杂、焊接不足等。具体来讲，孔穴主要是由于在进行管道焊接时，熔化焊缝吸收的气体没有在冷却前排出而在内部形成，表现形式有气孔和缩孔。裂纹主要是焊接接头因遭到破坏而产生缝隙，有层状裂纹、冷裂纹、热裂纹等。

1.2不同位置的缺陷

按照缺陷所在位置的不同，主要分为内外表面缺陷、穿透缺陷、隐藏缺陷。内外表面缺陷就是在管道壁的内外侧出现的缺陷。穿透缺陷是指贯穿管道内外壁的缺陷。而隐藏缺陷就是存在于管道内外壁内部的缺陷。

1.3不同几何特征的缺陷

按照缺陷的不同几何特征，主要有体积型缺陷和平面型缺陷。体积型的缺陷主要有夹杂、孔穴。平面型缺陷主要有熔合不全、裂纹等。对管道进行安全评定时，主要是按照几何特征划分，通过对其表征化来进行安全评定。

2.安全评定技术

2.1塑性极限载荷评价

压力管道的焊缝一般都是对接式的，焊接缺陷类型主要是环向缺陷，与其他的压力容器相比较，具有较小的缺陷尺寸，管壁较薄，材料具有良好的韧性，所以在极限载荷控制下会容易出现塑形失效。安全评定可以依照净截面屈服准则以及最大应力准则进行。

2.1.1净截面屈服准则

这一评定方法表明，受内压以及弯矩作用，含缺陷压力管道所处的横截面在进入全面屈服时会发生失效反应。如果材料存在应变硬化情况，管道横截面应力在达到流变应力时就是极限。所以能够据此得出管道能够承受的最大弯矩。其中数据值的计算主要与流变应力、管道的半径和壁厚平均值、缺陷的半周角、由缺陷引起管道断面中轴偏离角、管道缺陷深度和壁厚。

2.1.2最大应力准则

这一评定准则认为，管道裂纹所在截面的最大应力在达到材料强度的极限时就会发生失效。与最大弯矩值有关的因素是截面对中性轴的惯性矩、中性轴到最大应力点的距离、内压影响下轴向力作用点到截面几何中心的距离、管道横截面受力作用面积、缺陷面积以及管壁面积。

2.2线弹性断裂力学评定

这一评定方法表明，裂纹物体各个部分的应力和应变在发生断裂的过程中是呈现线弹性状态的，发生塑性变形主要是在裂纹尖端的很小范围内。具体评定的方式有两种，其一是根据裂纹尖端范围内的应力应变场，通过应力强度因子和相应的断裂韧度进行应力应变分析。其二是运用能量分析法，通过对裂纹发展过程中能量的变化分析，根据能量释放率和相应的断裂韧度进行判断。线弹性断裂力学分析主要是将管道结构看做是不出现屈服的弹性体，安全评定主要适用于管道裂纹型缺陷。

2.2.1应力应变分析

这种分析判定方法主要是将管道看做成一个无限大板，其中存在穿透裂纹。如果确定裂纹尖端其中一点，明确裂纹材料，那么这一点的位移、各应力和应变值就能够唯一确定。裂纹尖端区域范围内的应力场强度也能够得以反映，能够体现出裂纹位置、外加应力等对应力场强度的影响。裂纹尖端范围足够大的情况下，如果其应力值达到材料的断裂强度，裂纹就会失去稳定性，进而发生断裂。其中存在一个临界值，在受力时，如果裂纹达到特定的条件，会出现脆性断裂。而如果不满足特定条件，裂纹不会出现断裂。

2.2.2能量分析法

能量分析法最初是对脆性材料的断裂强度以及裂纹影响进行研究，认为能够推动裂纹发展的动力主要是弹性能的释放率。裂纹发展的能量释放率在达到一个临界值时，裂纹就容易失去稳定性，进而出现断裂。

2.3弹塑性断裂力学评定

这种评定方法主要是在断裂力学基础上进行研究的，包括裂纹尖端张开位移法和J积分理论法。安全评定通常是在裂纹型缺陷中进行。

2.3.1裂纹尖端张开位移法

裂纹尖端张开位移法的相关理论在提出后，经过发展，被应用到国际缺陷评定规范中。裂纹体在承受荷载后，裂纹尖端沿裂纹垂直方向而发生的位移就是张开位移。如果是在较小区域屈服条件下，裂纹尖端塑性区进行修正。如果在材料的无限大板中有一穿透型裂纹，作用应力平均，裂纹尖端塑性区呈现尖劈型。如果沿其x轴方向分割，裂纹长度改变，割面的上下部分代替应力会阻碍裂纹继续张开，在这个区域范围内，无限远的地方就有均匀应力的线弹性问题。

2.3.2 J积分评定法

J积分能够对具有弹塑性的物体裂纹发展进行描述，逐步引申到弹塑性断裂力学。裂纹体应力应变场的强度能够通过J积分进行定量描述。假设有一个单位长度的裂纹体，按照逆时针回路，应变能密度一定，能够表示出裂纹的能量线积分，在平面应变基础上，如果应力应变场能量达到裂纹发展的临界点，J积分也就达到相应的临界值，就是断裂韧度。根据能量线积分和其临界值之间的关系，就能够进行评定判别。

结束语：

综上所述，对含缺陷压力管道进行安全评定主要是判断管道是否能够继续进行使用，对其经济性和安全性有较大的影响。通过对缺陷类别的认识，掌握适合的评定技术，才能使压力管道的运行环境更加安全可靠。

参考文献：

[1]洪力阳, 陈玲, 张永发. 含缺陷压力管道的安全评定技术研究[J]. 中国锰业, 2018(04):191-198.

[2]种玉宝. 基于SINTAP方法的含缺陷压力管道安全评定[J]. 安装, 2016, 000(002):51-53.

[3]崔黎, 王永卫. 有限元法对含未焊透缺陷的压力管道安全评定[J]. 建筑工程技术与设计, 2018, 000(024):707-707.