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焊接缺陷對(duì)管道安全可靠性影響分析

文檔作者：王衛(wèi)東1, 2 文檔來(lái)源： 1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2. 中石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司供應(yīng)處,			點(diǎn) 擊數(shù)：
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●試驗(yàn)與研究
焊接缺陷對(duì)管道安全可靠性影響分析
王衛(wèi)東1, 2
(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇徐州221008;
2. 中石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司供應(yīng)處, 江蘇徐州221008)
摘　要: 采用國(guó)際通用的雙判據(jù)法計(jì)算分析了焊接缺陷種類和尺寸對(duì)管道極限承載能力和抗
斷裂能力的影響。計(jì)算分析結(jié)果表明,缺陷的長(zhǎng)度和深度對(duì)管道的極限承載能力都有影響,尤
其是深度的影響更加顯著。此外,焊接缺陷的存在對(duì)管道的抗斷裂能力影響較大,特別是錯(cuò)
邊、未焊透、未熔合等裂紋類缺陷的復(fù)合型缺陷對(duì)管道抗斷裂能力影響非常大。在管道環(huán)焊縫
焊接施工和無(wú)損檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡量預(yù)防和減少缺陷,尤其是復(fù)合型缺陷,最大限度地保證管道的安
全可靠性。
關(guān)鍵詞: 油氣輸送管道; 缺陷; 極限承載能力; 斷裂; 安全可靠性
中圖分類號(hào): TG404　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A　文章編號(hào): 1001- 3938 (2007) 02 - 0027- 03
0　前　言
在長(zhǎng)輸管線用焊管生產(chǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫焊接
過(guò)程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些焊接缺陷,這些缺
陷一般可以分為體積型缺陷和平面型缺陷兩類。
體積型缺陷主要包括夾渣、氣孔、表面凹坑等,平
面型缺陷則主要包括裂紋、未熔合、未焊透以及存
在尖銳夾角的咬邊等。這些缺陷的存在嚴(yán)重威脅
長(zhǎng)輸管線的運(yùn)行安全,甚至可能導(dǎo)致管線失效事
故。
塑性失穩(wěn)和斷裂是管道失效的兩種主要模
式。目前,國(guó)際上主要采用極限載荷和斷裂力學(xué)
分析方法,通過(guò)分析管線所含缺陷的種類、大小以
及數(shù)量,并結(jié)合管線鋼管材料性能、管線應(yīng)力分布
等特征參數(shù),對(duì)結(jié)構(gòu)的極限承載能力和抗斷裂能
力進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。歐洲管線研究小組( EPRG)在
此方面開(kāi)展了一些研究工作,并在新版BS7910
標(biāo)準(zhǔn)中提出了改進(jìn)分析方法和計(jì)算公式[ 1 ] ,美國(guó)
材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASME)也對(duì)其B31G標(biāo)準(zhǔn)中有
關(guān)結(jié)構(gòu)極限承載能力計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn),并在
進(jìn)行更深入的研究,以對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步完善[ 2 ] 。
筆者采用國(guó)際通用的雙判據(jù)法計(jì)算分析焊接
缺陷種類和尺寸對(duì)管道極限承載能力和抗斷裂能
力的影響,最后進(jìn)行總結(jié)歸納。
1　試驗(yàn)材料及分析方法
試驗(yàn)用材料是外徑1 016 mm、壁厚14. 7 mm
的X70鋼級(jí)管線鋼管,其化學(xué)成分和常規(guī)力學(xué)性
能見(jiàn)表1和表2。
　　　　　　　表1　鋼管化學(xué)成分% 　　
材料w (C) w ( Si) w (Mn) w ( P) w ( S) w (Cr)
X70 0. 051 0. 20 1. 56 0. 014 0. 0029 0. 03
材料w (Mo) w (Ni) w (Nb) w (V) w ( Ti) w (Cu)
X70 0. 21 0. 14 0. 045 0. 032 0. 016 0. 18
表2　鋼管常規(guī)力學(xué)性能
材質(zhì)抗拉強(qiáng)度/MPa 屈服強(qiáng)度/MPa 伸長(zhǎng)率/% 屈強(qiáng)比
X70 638 525 38. 7 0. 82
對(duì)管道極限承載能力以及抗斷裂能力的安全
性分析,比較成熟而又可靠的方法是采用Kr - Lr
雙判據(jù)準(zhǔn)則。筆者采用的是美國(guó)材料性能委員會(huì)
(MPC)開(kāi)發(fā)的石油化學(xué)工業(yè)適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)程
序及計(jì)算機(jī)軟件PREFIS,該方法類似于英國(guó)中央
電力局(CEGB) R6標(biāo)準(zhǔn)第3版的雙判據(jù)法,其核
心是以彈塑性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的失效評(píng)定圖
( FAD)技術(shù)。失效評(píng)定圖上有兩條分界線,一條
是失效評(píng)定曲線( FAC) ,為彈塑性斷裂評(píng)定準(zhǔn)則;
另一條是以Lr =Lr (max)作為截止線,是塑性破壞評(píng)
焊管·第 30卷第 2期 ·2007年 3月 ·27·
定準(zhǔn)則。由含缺陷結(jié)構(gòu)的給定狀態(tài)(如圖1中所
示的有關(guān)參量)可以計(jì)算相應(yīng)的Kr 和Lr 值,得到
FAD圖中的評(píng)價(jià)點(diǎn)A (Lr , Kr ) 。如果評(píng)價(jià)點(diǎn)A 落
在邊界線之內(nèi),則該結(jié)構(gòu)狀態(tài)是安全的。
圖1　失效評(píng)價(jià)圖原理示意圖
該方法采用了R6第3版方法1的通用失效
評(píng)定曲線,其方程可用式(1)表示:
Kr = (1 - 0. 14L2
r ) [ 0. 3 + 0. 7exp ( - 0. 65L6
r ) ]
　　　　　　　　　　　(Lr ≤Lr(max) ) 　　　(1)
Kr = 0　　　　　　　　(Lr >Lr(max) ) 。
對(duì)于沒(méi)有屈服平臺(tái)的材料,在Lrmax = Rf /ReL
處切斷。其中Rf 為材料的流變應(yīng)力, ReL為屈服
強(qiáng)度,一般取Rf = (ReL + Rm ) /2, Rm 為抗拉強(qiáng)度;
式中Kr = KI /KC , KI 為裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子, KC 為
材料斷裂韌度; Lr = P /Po , P 為結(jié)構(gòu)所承受的載
荷, Po 為其極限承載能力。
2　焊接缺陷對(duì)管道極限承載能力的影響
對(duì)于無(wú)缺陷鋼管,由于不用考慮材料和結(jié)構(gòu)
的不連續(xù)性,采用材料力學(xué)方法就可以計(jì)算管體
結(jié)構(gòu)的極限載荷。有關(guān)無(wú)缺陷鋼管爆破壓力計(jì)算
方法研究現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟,相關(guān)的計(jì)算方法也
建立了很多,其中Newton2Raphson公式比較經(jīng)典
PB = 2Rm t /D (2)
式中: PB —爆破壓力;
　Rm —材料抗拉強(qiáng)度;
　t—鋼管壁厚;
　D —鋼管外徑。
油氣輸送管道中缺陷的存在降低了管道的承
載能力。由于缺陷存在造成焊接截面的不連續(xù)而
減少了承載面積,不連續(xù)區(qū)域的承載能力由兩部
分給予補(bǔ)償: ①剩余韌帶組織多承受一些載荷; ②
缺陷兩端由于應(yīng)力集中而承受載荷。以上兩部分
的載荷分配為:缺陷長(zhǎng)度越小,則兩端應(yīng)力集中部
分承受的比例越大;反之,缺陷越長(zhǎng),表面裂紋底
下的剩余韌帶組織承受的比例越大。研究表明,
含裂紋缺陷的高韌性鋼管的極限承載能力除了與
材料的強(qiáng)度有關(guān)外,主要取決于裂紋的尺寸大小。
為研究裂紋尺寸變化對(duì)鋼管極限承載能力的
影響,采用MPC2Prefis評(píng)價(jià)軟件計(jì)算了在不同外
表面軸向半橢圓裂紋尺寸下,鋼管爆破壓力的變
化規(guī)律(圖2) 。由圖2 ( a)可見(jiàn),在裂紋長(zhǎng)度保持
不變的情況下,隨裂紋深度增加,極限載荷迅速降
低,下降速率約為1 MPa /mm; 當(dāng)裂紋深度不變
時(shí),隨裂紋長(zhǎng)度增加,極限載荷則相對(duì)變化較慢,
下降速率約為0. 015MPa /mm,如圖2 ( b)所示。
圖2　裂紋深度和長(zhǎng)度對(duì)鋼管極限承載能力的影響
·28· 焊 　管 　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年 3月 　
　　由圖2 ( b)還可看出,裂紋長(zhǎng)度對(duì)鋼管極限承
載能力的影響存在兩種不同的情況,即可將裂紋
分為短裂紋和長(zhǎng)裂紋。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度與鋼管壁厚的
比值2c / t < 8時(shí),隨裂紋長(zhǎng)度的增加,極限載荷下
降較快;當(dāng)2c / t≥8時(shí),裂紋長(zhǎng)度的變化對(duì)極限載
荷的影響則基本上保持不變。這一現(xiàn)象主要是因
為裂紋尖端的塑性約束隨裂紋長(zhǎng)度的增加而逐漸
降低,當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到一定臨界尺寸后,隨裂紋長(zhǎng)
度的繼續(xù)增加,裂紋尖端的約束保持不變,因而裂
紋長(zhǎng)度對(duì)爆破壓力的影響不再敏感[ 3 ] 。
3　焊接缺陷對(duì)管道抗斷裂能力的影響
由于野外工作環(huán)境惡劣、全位置焊接可操作
性差等原因,管道現(xiàn)場(chǎng)環(huán)縫焊接容易造成焊接缺
陷。特別是管道連通死口,由于焊接組對(duì)裝配問(wèn)
題,對(duì)口時(shí)無(wú)法進(jìn)行有效調(diào)整,焊接間隙較大,往
往造成較大的拘束應(yīng)力,焊接時(shí)容易產(chǎn)生錯(cuò)邊、未
焊透和咬邊等缺陷,嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)裂紋。
為了分析環(huán)焊縫中不同焊接缺陷對(duì)管道抗斷
裂能力的影響,根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7910《熔焊結(jié)構(gòu)
缺陷驗(yàn)收方法導(dǎo)則》對(duì)環(huán)焊縫焊接結(jié)構(gòu)中錯(cuò)邊、
錯(cuò)邊未焊透以及裂紋等情況下的安全性進(jìn)行了對(duì)
比評(píng)估分析。在BS7910中,未焊透、未熔合以及
背面凹陷等都視作裂紋類缺陷進(jìn)行處理。
評(píng)價(jià)分析時(shí)設(shè)定管道內(nèi)壓為10MPa,環(huán)焊縫
沖擊韌性按照60 J 計(jì)算。假設(shè)該焊口內(nèi)表面分
別存在錯(cuò)邊、未焊透、錯(cuò)邊和未焊透同時(shí)存在3種
缺陷形式,計(jì)算和評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表3。
表3　不同缺陷種類
　對(duì)管道安全性影響的評(píng)估結(jié)果
缺陷類型
缺陷深
度/mm
評(píng)估點(diǎn)
(L r , Kr )
臨界點(diǎn)
(L r , Kr ) 結(jié)論
錯(cuò)邊
3. 0
3. 3
3. 5
(0. 57, 0. 90)
(0. 60, 0. 93)
(0. 62, 0. 96)
(0. 57, 0. 939 6)
(0. 60, 0. 930 6)
(0. 62, 0. 923 9)
安全
安全
斷裂
未焊透
(無(wú)錯(cuò)邊)
2. 3
2. 4
(0. 31, 0. 97)
(0. 31, 0. 99)
(0. 42, 0. 986 1)
(0. 42, 0. 986 1)
安全
斷裂
未焊透
(錯(cuò)邊1. 5 mm)
1. 2
1. 3
1. 4
(0. 45, 0. 92)
(0. 45, 0. 96)
(0. 45, 1. 0)
(0. 45, 0. 968 4)
(0. 45, 0. 968)
(0. 45, 0. 967 5)
安全
安全
斷裂
從以上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),環(huán)焊縫中只有錯(cuò)邊存
在時(shí),允許的最大錯(cuò)邊值為3. 3 mm;當(dāng)只存在未
焊透缺陷時(shí),允許的最深未焊透缺陷尺寸為2. 3
mm;當(dāng)錯(cuò)邊和未焊透缺陷同時(shí)存在時(shí),在允許錯(cuò)
邊值1. 5 mm情況下,保證管道不發(fā)生斷裂的最
大允許未焊透深度減少為1. 3mm,而第三種情況
是環(huán)焊焊接接頭中較為常見(jiàn)的缺陷形態(tài)。因此,
在管道環(huán)焊縫焊接施工和無(wú)損檢測(cè)時(shí)都應(yīng)該加以
注意,盡量預(yù)防和減少?gòu)?fù)合缺陷的產(chǎn)生,并能準(zhǔn)確
檢測(cè)出存在的復(fù)合缺陷,這樣才能最大限度地保
證管道的安全可靠性。
4　結(jié)　論
通過(guò)焊接缺陷對(duì)管道極限承載能力和抗斷裂
能力的分析計(jì)算,得出以下結(jié)論:
(1)含缺陷輸送管道極限載荷計(jì)算表明,缺
陷的存在對(duì)管道的極限承載能力有較大的損傷。
缺陷的長(zhǎng)度以及深度對(duì)管道的極限承載能力都有
影響,但是深度的影響比長(zhǎng)度大。
(2)焊接缺陷的存在對(duì)管道的抗斷裂能力影
響較大,特別是錯(cuò)邊和未焊透、未熔合等裂紋類復(fù)
合型缺陷,對(duì)管道抗斷裂能力影響非常大。
(3)在管道環(huán)焊縫焊接施工和無(wú)損檢測(cè)時(shí)都
應(yīng)盡量預(yù)防和減少缺陷,并能準(zhǔn)確檢測(cè)出存在的
缺陷,尤其是復(fù)合型缺陷,這樣才能最大限度地保
證管道的安全可靠性。
參考文獻(xiàn):
[ 1 ]BS7910: 2003, Guidance on SomeMethods for the Deriva2
tion of Accep tance Levels for Defects in Fusion Welded
Joints[ S].
[ 2 ]ASME B31G—1991,Manual for Determination the Re2
maining Strength of Corroded Pipelines[ S].
[ 3 ]AHAMMED M,MELCHERS R E. Reliability Estimation
of Pressurized Pipelines Subject to Localized Corrosion
Defects[ J ]. Ves. &amp;amp; Pip ing, 1996 (69) : 267 - 272.
作者簡(jiǎn)介:王衛(wèi)東(1968 - ) ,男,工程師,中石化管道儲(chǔ)運(yùn)
分公司供應(yīng)處材料科科長(zhǎng),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)
在職碩士研究生。
收稿日期: 2006 - 11 - 16
　第 30卷第 2期 　　　　　　　　　王衛(wèi)東:焊接缺陷對(duì)管道安全可靠性影響分析 ·29·
tion in the ERW forming are obtained. Through the research and analysis of ERW forming, geometric and physical deformation da2
ta in the ERW forming p rocess are obtained,which p rovide useful information and essential data for the design of ERW p roduction
line.
Key words: ERW forming; longitudinalwelded p ipe; strip deforming graph; finite elementmethod
Influence Ana lysis on Pipeline Secur ity &amp;amp; Reliab ility byWeld ing Defect
WANGWei2dong
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200272EA
Abstract: It analysis the influence of type and size of welding defects on utmost carring capability and anti2fracture p roperty of
welded p ipe by double2criterion method, and the results of calculation and analysis indicates that the length and width of defects
have great influence on utmost carrying capability, in additional, p resence of welding defects, especially comp lex defect such as
offset, non2penetration and non2fusion exercises a great influence on anti2fracture p roperty of p ipeline, so welding defects, especial2
ly comp lex defects shall be p revented and reduced during p ipe construction and non2destructive inspection to ensure security and
reliability of p ipeline.
Key words:oil &amp;amp; gas transmission p ipeline; defect; utmost carrying capability; fracture; security and reliability
Fa ilure Ana lysis of Clayed Alum in ium Alloy High FrequencyWelded Tube
HU Rui2ling,L I Zhi2qiang,L I Yi
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200302EA
Abstract:High frequencywelded tube of aluminum alloywas analyzed using exp losive,metallography and SEM ( scanning electron
microscope) experiments. The main reason of failure was concluded in this paper.
Key words: heat exchanger; tube failure;material element;Al2Cu
The S imula tion ofWeld ing Tempera ture F ield of P ipeline Ba sed on F in ite Elemen t Ana lysis
ZHANG Hong, CHEN Peng
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200332EA
Abstract: In connection with welding of p ipeline steel, the thermo2physical performance parameters and phase change latent heat
as the functions of temperature were taken into consideration;meanwhile the mathematicalmodel and physical model for welding
thermal p rocess were set up. Based on ANSYS APDL develop ing p latform, the p rogram was designed to solve the calculation of
welding finite element undermoving heat loads. And different p rocessing parameters ofweldingwere analyzed and matched, in or2
der to determination the influence degree of welding temperature field.
Key words:p ipeline; FEA;welding temperature field;APDL
Study on <177. 8mm ×9. 19mm P110 Hi2collapse Strength Ca sing Test
D ING Xue2guang, SH I J iao2qi,L IU Heng
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200362EA
Abstract:A mechanicalmodel and a finite elementmodel of the <177. 8mm ×9. 19mm P110 Hi2collap se strength casing are set
up. The calculation resultwith finite elementmethod was compared with that of a full scale physical collap se test. It is found that
the collap se strength of the Hi2collap se strength casing is much higher than what specified in app licable AP I specification. The
true casing is imperfect casing,with residual stress, ovality, eccentricity and other faults. So the collap se strength of true casing is
much lower than the calculation resultwith finite elementmethod.
Key words:Hi2collap se strength; casing; finite elementmethod; collap se
Weld ingMethods andM icrostructura l Character istics of
Ultra F ine Gra ined ( UFG) Steel Jo in tsWelded by Var ian tMethods
ZHANG Gui2feng,M IAO Hui2xia, ZHANG J ian2xun, PE I Yi, XIAO Ke2min, YANG Yong2xing
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200392EA
Abstract: The weldability of ultra fine grained (UFG) steelswas analyzed systematically, and the welding methods for ultra fine
grained steelswere classified as similarmicrostructure weldingmethods and similar p ropertyweldingmethods. Although the ferrite
grains in the HAZ coarsened in all reported weldingmethods in which maximum temperatures are above liquidus ofUFG steels,
the HAZ softening were restrained. Itwas contributed to the formation of some non2equilibrium microstructures, such as bainite,
martensite orMA constituents during welding cycle in HAZ.
Key words: ultra fine grained (UFG) steels;weldingmethods; non2equilibrium microstructures; HAZ coarsing; HAZ softening
Research of X100 LSAW Steel P ipeManufacture Techn ique
L I Yan2feng,L I Zhi2hua
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200442EA
Abstract: This paper compared the mechanical p roperties of p ipeline steel p late with the mechanical p roperties of the JCOE p ipe,
introduces the JCO forming characteristics of X100 material,weldability of p late, softening of HAZ (HeatAffected Zone) , compar2
·98· 焊 　管 　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年 3月

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