含典型焊接缺陷的管道应力校核与安全评定

方学锋* 邵世飞 汪显东 郭 平 张伯君

（南京市锅炉压力容器检验研究院）

0 引言

压力管道是化工行业常用的特种设备，据市场监管总局统计，截至2018 年年底，全国已办理登记的压力管道数量达47.82 万km[1]。按照《特种设备安全法》要求，在“特种设备目录”范围内的工业管道，应按照TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则》规范要求开展检验工作，确保管道运行安全可靠。

1 管道检验

对运行3 年的某化工企业GC2 类工业管道开展首次定期检验，管道参数可见表1。

表1 压力管道参数

2.3 CAESAR Ⅱ软件计算

依据ASME B31.3-2016 标准进行应力校核，按工艺管道计算管系的一次应力与二次应力，计算结果可见表2，该结果满足规范的要求。

通过射线检测发现管道焊接接头存在未焊透缺陷，深度为2 mm，缺陷布满整圈。按照TSG D7005—2018规范中第3.2.6.2条，按局部减薄定级可评定为4级。管道系统中存在未焊透缺陷时，会造成其承载面积减小和静应力强度下降，并在缺陷尖端处形成应力集中。若管道尖端开口并在拉应力作用下裂纹发生扩展，则极易引发管道泄漏甚至断裂。因此，按TSG D7005—2018规范第2.5条,开展合于使用评价，运用CAESAR Ⅱ软件对管道进行应力校核；再根据GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》[4]对焊口缺陷进行评价，确定缺陷是否影响安全。

2 管道应力校核

2.1 管材力学性能

根据GB 150—2011《压力容器》标准要求，7 ℃下20#钢材料的屈服极限σs=239 MPa，弹性模量E=199 GPa。

2.2 模型建立

根据原始竣工验收资料和现场采集的含缺陷管段信息，应用CAESAR Ⅱ管道应力分析软件建立该管道模型，如图1 所示。

图1 管道模型

表2 应力计算结果 %

3 缺陷安全评定

3.1 评定方法

超标缺陷未焊透属于平面型缺陷，根据GB/T 19624—2019 标准第5.7 条，选用平面缺陷常规评定方法，即依据标准中图5-12 的通用失效评定FAC 曲线，其坐标为两个无量纲：应力强度因子和材料断裂韧度的比值Kr，构件的应力载荷和极限载荷的比值Lr。如果评定点坐标（Lr，Kr）在FAC 曲线下方，表明缺陷满足合于使用原则，管道是安全可靠的，具体评定值可见图2。

图2 通用失效评定FAC曲线

3.2 评定过程

根据GB/T 19624—2019 标准第5.7 条，首先应确定材料的屈服点、断裂韧度，分别计算出一次应力强度因子和二次应力强度因子，最后计算出和，再评定坐标与FAC 曲线的相对位置情况。

3.2.1 缺陷尺寸表征

3.2.2 应力计算

按照弹性计算方法，评定的应力采用缺陷部位的主应力。

（1）一次应力

缺陷处有内压引起的一次薄膜应力pm，按无力矩理论计算，按GB/T 19624—2019 标准中表5-1 取一次应力分安全系数1.5，可得到下式：

式中： ——操作压力，MPa；

t——壁厚，mm。

由于该管道系薄壁管道，一次薄膜应力沿壁厚视为均匀变化，一次弯曲应力pb=0 MPa。

（2）二次应力

二次应力包括二次弯曲应力和残余应力以及热应力等。本次仅考虑焊接残余应力，根据GB/T 19624—2019 中表标准5-2 的规定，考虑残余应力均匀分布于截面上，且为0.3×σs。按GB/T 19624—2019 中表5-1 选取二次应力分安全系数1.0，得到焊接残余应力引起的二次薄膜应力 ：

依据管道应力校核的结果和现场检查状况，仅考虑管道焊接残余应力，而不用考虑二次弯曲应力，即Qb=0 MPa。

3.2.3 材料性能数据的确定

根据DL/T 654—2009《火电机组寿命评估技术导则》附表D.2，20#钢的裂纹尖端张开位移值δe取下限极值0.207 mm。按GB/T 19624—2019 标准公式5-8，计算材料的平面应变断裂韧度KIC：

fm——裂纹结构因子，无量纲；

σb——弯曲应力（一次应力引起的为pb，二次应力引起的为Qb），MPa；

fb——裂纹构形因子，无量纲。

3.2.5 计算表面裂纹缺陷断裂比Kr

按GB/T 19624—2019 标准公式5-9 来计算Kr：

式中：G——相邻两裂纹间弹塑性干涉效应系数，按GB/T 19624—2019附录A，因为没有共面裂纹，G=1；

Kp——材料断裂韧度，即将求得的KIC值除以GB/T 19624—2019标准表5-1中的分安全系数1.2，可得Kp=KIC/1.2=2 614 MPa·mm1/2；

ρ——塑性修正因子，按GB/T 19624—2019标准公式5-10求得为0.025。

3.2.6 计算载荷比Lr

Lr是评价含缺陷结构塑性失效的指标，由GB/T 19624—2019 标准附录C 中C.2.6 内压圆筒上缺陷载荷比计算公式C.6 可得：

3.3 评定结果

将上述计算结果构成的评定点Lr，Kr，即（0.12，0.19）代入图2 的曲线函数可得：

表3 评定参数与结果

4 结论

（1）依据TSG D7005—2018 规范开展的压力管道定期检验，射线检测发现管道中焊缝存在未焊透4级缺陷，需要维修处理或进一步评价分析。

（2）根据ASME B31.3 对管道进行应力校核，结果表明其一次应力和二次应力均满足要求。

（3）依据GB/T 19624—2019 标准对超标缺陷平面缺陷常规评定方法开展分析，在工作温度和操作压力下，未焊透缺陷可接受，该管道可以继续使用。