常减压装置含缺陷管道安全评定分析_石祥.pdf

第 21 卷 第 1 期2023 年 2 月福建工程学院学报Journal of Fujian University of TechnologyVol21 No1Feb 2023doi:103969/jissn16724348202301002常减压装置含缺陷管道安全评定分析石祥1，黄丽红2，龚凌诸1，苏宣机3，黄耀波3，朱猛1(1 福建工程学院 生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118;2 福建工程学院 机械与汽车工程学院，福建 福州 350118;3 福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008)摘要:以某常减压装置含缺陷管道为研究对象，采用超声相控阵检测方法对管道焊接接头进行无损检测，确定管道缺陷类型和尺寸，根据 GB/T 196242019 推荐的安全评定方法对管道缺陷进行安全评定，通过改变缺陷的大小和间距，探究缺陷类型、尺寸和相互位置对管道安全评定的影响，结果表明:裂纹缺陷单独存在时，缺陷高度对安全评定影响最大;未焊透缺陷单独存在时，缺陷长度对安全评定影响最大;两条缺陷共存时，随着缺陷间距 S 的增大，缺陷处应力先缓慢增大后快速减小并逐步趋于稳定，但是由于管道中缺陷数量增加，导致两条单独存在时均安全的缺陷在共存时可能造成管道不安全。关键词:缺陷;常减压装置;管道;安全评定中图分类号:TQ0558文献标志码:A文章编号:16724348(2023)01000608Safety assessment analysis of pipes with defects in atmospheric anddecompression devicesSHI Xiang1，HUANG Lihong2，GONG Lingzhu1，SU Xuanji3，HUANG Yaobo3，ZHU Meng1(1 School of Ecological Environment and Urban Construction，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China;2 School of Mechanical and Automotive Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou，350118，China;3 Fujian Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute，Fuzhou 350008，China)Abstract:The defective pipes in an atmospheric and decompression device were selected as the researchobject The ultrasonic phased array detection method was adopted to conduct nondestructive testing on weldedjoints of pipelines to determine the type and size of pipeline defects The pipeline defects were assessed accord-ing to the safety assessment method recommended by GB/T 19624-2019 By changing the size and spacing ofdefects，the influence of defect type，size and mutual location on pipeline safety assessment was investigatedesults show that the height of flaw has the greatest influence on pipeline safety evaluation when the crack de-fect exists alone The length of defect has the greatest influence on the safety evaluation when there is incom-plete penetration defect alone When the two defects coexist，with the increase of defect spacing S，the stressat the defect increases slowly first，then decreases rapidly and gradually becomes stable However，due to theincrease in the number of defects in the pipeline，the two defects that are both safe when they exist alone maycause pipeline insecurity when they coexistKeywords:defect;atmospheric and decompression pressure device;pipeline;safety assessment收稿日期:20221205基金项目:福建省科技计划项目(2020Y0055);福建工程学院横向科研项目(GY-H-20090)第一作者简介:石祥(1997)，男，陕西安康人，硕士研究生，研究方向:承压设备管道的无损检测与安全评定分析。通信作者:黄丽红(1983)，女，福建南平人，讲师，博士，研究方向:橡胶材料大变形，设备的结构分析。管道焊接接头作为常减压装置管道最容易产生缺陷的部件1，是对常减压装置管道缺陷进行安全评定的重中之重。近年来，学者在管道焊接接头安全评定方面做了大量研究，方学锋2 等人第 1 期石祥，等:常减压装置含缺陷管道安全评定分析通过有限元分析对高温蒸汽管道进行强度计算，并对超标缺陷进行安全评定;王海锋3 等人采用CAESA 软件对一段含未焊透缺陷的工业管道进行了应力分析与安全评定;李建锋4 等人在得到安全评价结果后还提出了安全使用管理的建议。目前有关管道焊接接头安全评定方面的研究主要都是针对已有缺陷数据进行安全评定分析，并未对管道焊接接头不同缺陷类型、尺寸和相互位置对安全状况及评定结果影响进行研究。本文以福建省某石化企业常减压装置含缺陷管道为研究对象，利用超声相控阵检测方法对该管道焊接接头进行无损检测，并探究管道焊接接头不同缺陷类型、尺寸和相互位置对管道安全状况及评定结果的影响。1管道参数与缺陷尺寸11管道数据与参数某常减压装置管道投入运行时间为 18 a，管道级别为 GC2，规格为 159 mm6 mm，坡口型式为 V 型，工作介质为柴油，材质为 20#/GB3087，最大工作压力为 105 MPa、工作温度为 176。为方便管道缺陷数据的采集，以焊缝中线为基准，截取焊接接头两侧各 250 mm(共计500 mm)长管段，并对焊接接头表面进行打磨抛光处理，如图 1所示。图 1常减压装置管道焊接接头打磨抛光实物图Fig1Picture of grinding and polishing of pipe weldedjoints of atmospheric and decompression devices经过简单测量与力学拉伸试验，得知该管道焊缝外表面宽度为 12 mm，根部宽度 6 mm，外表面余高 1 mm，根部余高 15 mm。管道参数中屈服强度 s为 245 MPa，抗拉强度 b为 390 MPa，弹性模量 E 为 206 GPa，泊松比 为 03。12缺陷尺寸选用某公司生产的 ISONIC2009 相控阵检测仪对该管道焊接接头进行无损检测。为满足检测覆盖和灵敏度的要求，本次试验选用探头型号为75 MHz16P0510 的自聚焦探头，该探头频率为75 MHz，晶片间距 05 mm，晶片长 10 mm，晶片数量 16 个。检测结果见表 1。表 1管道焊接接头处缺陷数据Tab1Defect data of welded joint of pipeline编号种类长度 L/mm高度 H/mm1#裂纹347302#未焊透308312管道安全评定的关键根据 GB/T 1962420195 和表 1 数据可知，1#裂纹缺陷属于平面型缺陷，2#未焊透缺陷属于体积型缺陷。缺陷处的应力是安全评定的关键6，只有正确计算缺陷处应力，才能保证安全评价的可靠性。211#裂纹缺陷安全评定的关键依据标准中附录 G 的内容可知，对于 1#裂纹缺陷，采用 U 因子评定法，利用(1)式中的判据进行评定:m+Bs+b2()Unp(1)式中，m为缺陷处的轴向薄膜应力，MPa;B为缺陷处的弯曲应力，MPa;s为管道材料的屈服强度，MPa;b为管道材料的抗拉强度，MPa;U 为U 因子;为许可流变应力比，查表 G3 可得;np为载荷安全系数，取 np=15。由上式可知，缺陷处的轴向膜应力和弯曲应力是 1#裂纹缺陷安全评定流程的关键。222#未焊透缺陷安全评定的关键依据标准中附录 H 的内容可知，对于 2#未焊透缺陷，利用(2)式中的判据进行评定:PPLS()2+MMLS()2044(2)式中，P 为缺陷处承受的压力，MPa;M 为缺陷处承受的弯矩，Nm;PLS为含缺陷管道在纯内压下的塑性极限内压，MPa;MLS为含缺陷管道在纯内压下的塑性极限弯矩，Nm。由式(2)可知，缺陷处承受的压力和弯矩是2#未焊透缺陷安全评定流程的关键。而弯矩又由7福建工程学院学报第 21 卷(3)式获得M=2T(3)式中，为缺陷处管道半径，mm;T 为管道壁厚，mm;为缺陷处最大应力，MPa。因此对于2#未焊透缺陷，缺陷处最大应力是安全评定的关键。3不同缺陷对安全评定结果的影响31实测缺陷的安全评定分析利用 ANSYS 软件 Workbench 模块7 对该管道焊接接头缺陷处的应力进行模拟计算8。取管道长度 500 mm，分别将 1#裂纹缺陷和 2#未焊透缺陷简化为长 L、高 H、焊缝宽度 12 mm 的缺陷模型，不考虑焊缝余高以及其他焊接缺陷的影响，简化后含缺陷有限元模型如图 2 所示。未焊透缺陷在管道内壁，为显示出缺陷位置将管道部分模型进行隐藏。选用四面体网格，对缺陷附近焊缝影响区和缺陷处网格进行局部细化，细化后焊缝影响区单元格尺寸为 1 mm，缺陷处单元格尺寸为 01 mm，其余部位单元格尺寸为 10 mm。约束与载荷方面，仅考虑该管道在受105 MPa 内压下缺陷处应力的大小变化规律，不考虑重力和其他载荷的影响。由于管道环向截断面形状规则且完全对称，因此，在管道的左右端面上设置对称约束;同时，为防止管道转动，在管道左端面上选择一点施加 x=0 mm、y=0 mm 和 z=0 mm 的位移约束。图 2管道模型与缺陷简化Fig2Pipeline model and defect simplification对于 1#裂纹缺陷，由标准中判定依据及评定要求可知，对该缺陷进行评定需要获取轴向薄膜应力 m和弯曲应力 B之和(以下简称合应力)。为得到裂纹缺陷的合应力，沿着缺陷的壁厚从内壁向外壁分别在缺陷的 4 条边上设立 4 条路径9，并对路径上的应力进行线性应力化10 处理便可得到缺陷 4 条路径上的薄膜应力、合应力以及峰值应力，由于峰值应力不会引起管道结构任何明显变化，因此，仅对路径上的合应力进行分析，线性应力化处理结果见表 2。本文重点分析常减压装置含缺陷管道的安全情况，因此选择 4条路径上最大的合应力进行分析，最大合应力云图见图 3(a)。表 21#缺陷路径下的线性应力化处理Tab2Linear stress treatment under defect path 1#MPa路径薄膜应力合应力峰值应力16785