含裂纹型缺陷油气管道剩余强度评价标准对比分析研究
2016-04-06杨锋平高富超罗金恒贾海东
杨锋平，高富超，邹 斌，罗金恒,贾海东
(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；2.西安三环科技开发总公司 陕西 西安 710077；3.中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司 新疆 乌鲁木齐 830012)
·标准化·
含裂纹型缺陷油气管道剩余强度评价标准对比分析研究
杨锋平1,2，高富超3，邹 斌3，罗金恒1,2,贾海东3
(1.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；2.西安三环科技开发总公司 陕西 西安 710077；3.中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司 新疆 乌鲁木齐 830012)
从适用范围、限制条件、基本评价准则、关键参数取值等方面对比分析了国内常用4项油气管道裂纹型缺陷剩余强度评价标准。结果发现：4项标准均采用了失效评估图技术(FAD)。API579-1-2007考虑的因素最为全面，对裂纹形状、载荷形式、管道几何尺寸要求最少，是评价的首选。BS7910-2013与API579-1-2007类似，但载荷形式既有内压又有外部载荷时，只适用于厚壁管的评价。SY/T 6477-2014技术上也与API579-1-2007类似，但针对X80管道，有单独更为保守的失效评价曲线。GB/T 19624-2004主要用于压力容器，油气管道可参考使用。建议的标准选择次序为：API579-1-2007、BS7910-2013、SY/T 6477-2014以及GB/T 19624-2004。
油气管道;裂纹型缺陷;剩余强度评价;标准
0 引 言
油气输送管线服役期间可能会因为腐蚀、机械损伤、地质灾害等因素造成各种损伤，还可能存在制管和施工缺陷，严重的损伤和缺陷会引起管线的泄漏和开裂，导致火灾、爆炸中毒等事故发生，并可能造成人员伤亡、重大经济损失和环境污染。对发现的管道缺陷进行可靠的安全评价，对管道安全服役有重要影响。国际上自20世纪70年代初期就开始对含缺陷管道的剩余强度评价方法进行研究，对于平面型缺陷(裂纹)的剩余强度评价，主要有断裂力学评价方法、塑性极限载荷评价方法以及双判据失效评估图方法[1-3]。目前国内使用的主要标准有如下4项：API579-1-2007《服役适用性评价》、BS7910-2013《金属结构内可接受缺陷的评价指南》、GB/T 19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评价》、SY/T6477-2014《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》。所有标准都采用双判据失效评估图方法。该方法兼顾了脆性断裂失效和塑性失稳失效，实际上是断裂力学评价方法和塑性极限载荷评价方法的结合。其失效评价曲线从原先的基于COD理论理想弹塑性材料窄带屈服模型和线弹性断裂力学，发展为目前基于J积分方法推导了失效评估曲线(FAC)。由于评价参数具有不确定性，如无损检测数据与实际尺寸总有差别、材料性能数据也有分散性等，目前双判据评价方法(如R6)正将概率断裂力学引入到断裂评价中，但没有形成标准性文件，但BS7910-2013将压力、材料性能等具有概率分布特征的参数进行了概率化处理，并作为附件写进了标准。
含裂纹型缺陷管道剩余强度评价是在缺陷检测基础上，对管道剩余承压能力的定量评价。若剩余强度评价结果表明含缺陷管道适用于目前的工作条件，则只要建立合适的监测/检测程序，管道可以在目前工作条件下继续安全运行。若评价结果表明含缺陷管道不适合目前操作条件，则宜对该管道降压使用，或进行修复或换管，重新评价后再投入使用。由此可知，剩余强度评价对管道安全运行有重要影响，因此在应用标准进行含缺陷油气管道安全评价时，必须充分考虑标准的限制条件和适用性。在标准对比方面，何仁洋[4]、任自在[5]等进行了部分研究，但均未详细对比标准的优缺点。
本节从适用范围、限制条件、评价准则、关键参数取值等多方面对比了上述4项标准，为标准的工程应用提供参考借鉴。
1 标准适用范围与限制条件
API 579-1由API(美国石油学会)和ASME(美国机械工程师协会)共同发布，最新版本为2007版。BS7910由英国标准研究所发布，最新版本为2013版。GB/T 19624由国家质监总局和国家标准化委员会共同发布，最新版本为2004版。SY/T 6477由国家能源局发布，最新版本为2014版。4项标准均属于推荐性标准。
1.1 适用范围
API 579-1-2007适用范围：(1)原始设计是按公认的规范或标准进行的。(2)构件不在蠕变区工作，工作温度符合设计要求。(3)表面、穿透、埋藏型裂纹均可。
BS7910-2013适用范围：金属结构。
GB/T 19624-2004适用范围：(1)在用钢制含超标缺陷压力容器的安全评价，包括断裂与塑性失效评价和疲劳失效评价。(2)表面裂纹、埋藏型裂纹、穿透裂纹。
SY/T 6477-2014适用范围：(1)含缺陷油气输送管剩余强度评价。(2)管道原设计标准与GB50251或GB50253一致。(3)钢管管体裂纹。(4)焊缝裂纹，如未熔合、未焊透等。(5)使用过程中产生的裂纹，如应力腐蚀裂纹、氢致裂纹。(6)管道是韧性的。(7)管道服役温度处于控制范围之内。(8)内压是主要载荷。(9)表面裂纹、穿透裂纹；但不适用于埋藏型裂纹。
1.2 在油气管道应用上的限制
API 579-1-2007：1级评价限制条件为以下的(1)-(7)，2级评价限制条件为以下的(1)-(4)：
(1)管道设计资料符合相关规范要求。(2)服役温度不超过蠕变温度。(3)动态载荷作用不明显。(4)含裂纹型缺陷的部件所受的载荷或环境不会使得裂纹扩展。如果会有预期的裂纹扩展，则需要采用剩余寿命评价方法分析裂纹何时会扩展到临界值。(5)对构件和裂纹几何形状的限制：①结构必须是平板、圆柱体或球形体；②对于圆柱体或球形体，其壁厚半径比必须大于5；③ 结构的壁厚必须小于38 mm；④裂纹长度不得超过200 mm；⑤ 对于圆柱体或球形体，裂纹方向必须沿轴向或环向，并且距离结构不连续处须大于1.8(Dt)0.5；对于平板构件，裂纹方向须垂直于主应力方向，如果裂纹方向不垂直于主应力方向，须投影到主应力方向后计算。(6)对载荷的限制：①压力造成的载荷只产生膜应力，如果有弯曲应力或附件应力，需要采用2级评价或3级评价；②膜应力大小需要满足设计范围；③待评价构件如果准备进行压力试验，则构件的金属温度须大于最小允许温度(防止脆性断裂)。试压结束后，裂纹需要重新检查以确定是否扩展；④焊接结构应该是单V型或者双V型；焊接残余应力的大小应基于API579-1-2007 附录E。(7)构件材料的限制：①材料是碳钢，其许用应力不大于172 MPa；②母材的最小要求屈服强度不大于276 MPa，最小要求抗拉强度不大于483 MPa，且焊材应与母材匹配。③材料的断裂韧性应大于API579-1-2007 附录F规定的材料平面应变断裂韧性KIC下限。
BS7910-2013：未给出在油气管道应用上的限制。
GB/T 19624-2004：锅炉和管道在进行安全评价时可参照本标准进行。
SY/T 6477-2014：不适用于：(1)管道材料是脆性的，(2)服役温度超过控制温度或处于蠕变温度范围之内。
1.3 对裂纹形状的限制
API 579-1-2007可评价的裂纹形状为：(1)穿透型裂纹(对尺寸无限制)。(2)所有表面裂纹：裂纹深度不得超过80%t。(3)轴向(或环向)表面半椭圆裂纹：0.03125≤a/c≤2.0。
