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1、2014 04 08 1 第3章 含缺陷管道的评价技术 主讲 帅健 适用性评价 剩余强度 剩余寿命 3 2 1 DNV方法 1999年发布 与BG技术结合形成DNV RP F101 适用高强度管材 评定方法 许用应力法 分项安全系数法 考虑了缺陷检测的不确定性 荷载 内压 内压和轴向应力共同作用 包括弯曲 缺陷类型 单个缺陷 相互作用的缺陷 公式由来 薄壁圆筒 t D 20 2 y p Dt t 2 y t p Dt 考虑到缺陷的影响 2 1 y corr t pd t Dt 引入强度校正系数Q 将上式修正得 或 2 1 l Q0 31 Dt 当时 Q 1 相当于缺陷对许用盈利力没有影响 当时
2、 腐蚀缺陷的长度对于许用应力产生的影响较小 当时 腐蚀缺陷的长度对于许用应力产生很重要的影响 lDt lDt 0l 21 1 f d t t P d Dt tQ 单一安全系数不能对一切偶然事故均提供合理的保护 对于不同的设计参数 采用不同的安全系数 称为分项安全系数 基于概率的方法 考虑缺陷深度尺寸和材料性质的不确定性 I 分项安全系数法 1 相关说明1 相关说明 1 安全等级 根据地区等级 介质类型的潜在失效后果划分 安全等级高正常低 目标失效概率 10 5 10 4 10 3 关于安全水平数量级的解释 10 3数量级操作危险特别高 相当于由生病造成的自然死亡率的1 10 因而必 须采取措施
3、予以改进 10 4数量级操作系中等程度危险 遇到这种情况应该采取预防措施 10 5数量级和游泳淹死的事故风险率为同一数量级 人们对此是关心的 也愿 采取措施加以预防 10 6数量级相当于地震和天灾的风险率 人们并不担心这类事故的发生 10 7 10 8数量级相当于陨石坠落伤人 没有人愿为这种事故投资加以预防 2014 04 08 2 2 检测精度 2 检测精度 根据置信度确定 置信度是指总体参数值落在置信度是指总体参数值落在样本样本统计统计 值某一区内的概率值某一区内的概率 按正态分布 可估计出标准方差 StD 尺寸相对精度 置信度 80 90 精确 5 10 20 StD d t 0 00
4、StD d t 0 04 StD d t 0 08 StD d t 0 16 StD d t 0 00 StD d t 0 03 StD d t 0 06 StD d t 0 12 尺寸精度 5 置信度80 假设正态分布 3 管材强度 3 管材强度 使用材料的最小拉伸强度 SMTS 或按下式计算 1 09 u E SMTS 2 单一缺陷2 单一缺陷 符合下列条件 邻近缺陷间的环向间隔 角度 邻近缺陷间的轴向距离 s 孤立缺陷 与邻近缺陷没有相互作用 其失效压力与其他缺陷无关 360 t D 2 0sDt 根据作用荷载和形状 分为 三类 仅受内压的轴向缺陷 内压和轴向压应力共同 作用的轴向缺陷
5、环向腐蚀缺陷 1 仅受内压 轴向缺陷 1 仅受内压 轴向缺陷 若 则 1 2 1 d corrm d d t tSMTS p Dt d t Q 2 0 311 Dt l Q measd d td tStD d t 1 td d corr 0p m 模型分安全系数 d 腐蚀深度分安全系数 d 腐蚀深度的分位数Std d t d t 的标准方差 允许内压 2 内压和轴向压应力共同作用 轴向缺陷 1 1 2 1 d corr compm d d t tSMTS p H Dt d t Q 轴向应力计算 2 4 ABLAB FxMy Dt tDtt 允许内压 1 1 1 1 1 1 2 1 L r r
6、md r d SMTS Adc HA d t d t tD A d t Q 使用系数 Ar 环向面积减小系数 c 缺陷宽度 其中 3 内压和轴向压应力共同作用 环向腐蚀缺陷 允许内压 1 1 2 2 min 1 2 L r corr circmcmc mc r SMTS AtSMTS tSMTS P Dt Dt A 2014 04 08 3 3 相互作用缺陷 管段上的缺陷距离较近 发生交互作用 分为 环向排列 沿管段的环向分布 中间以全壁厚管段相隔 轴向 投影重叠 轴向排列 沿管段轴线方向上 中间被全璧厚管段隔开 交叠 指在一较长较浅的缺陷内部有一个或多个较深的蚀坑 d1 d2 L1 L2 3
7、 相互作用缺陷 由于缺陷间的相互作用 其失效压力小于单个缺陷的失效压力 在一组相互作用的缺陷中 要考虑所有邻近缺陷的组合 步骤 管道腐蚀部分可划分为最小长度为 最小重叠长度 的多个部分 从2到11步应当对一部分长度进行重复 评定所有 可能的相互影响 建立系列轴向投影线 相隔的环向角度 如果缺陷位于 Z的范围内 它们应投影到目前的投影线上 如下 图所示 5 0 Dt2 5 Dt 360 Zt D 当缺陷重叠时 将其组合成一合成缺陷 合成缺陷采用组合长度和所有缺 陷中最大的深度 如果此合成缺陷是由交叠缺陷组成 那么合成缺陷的深 度应为缺陷深度之和 计算单个缺陷的管道的允许内压 p1 p2 pN 直
8、到第N个缺陷 将每个缺 陷或合成缺陷看作一个单个缺陷进行计算 1 2 1 1 d im d d t tSMTS p iN Dt d t Q 所有相互作用缺陷的组合长度定义为 所有相互作用缺陷组合的有效深度 1 n 1 m mmii i n lllsnmN m i i in nm mn d l d l 所有组合缺陷的允许内压 将lnm和dnm代入单缺陷方程 1 2 1 1 d nmm d d t tSMTS p Dt d t Q n mN 2014 04 08 4 投影线上的缺陷的允许内压取为此投影线上所有单个缺陷和所 有单个缺陷组合的最小失效压力 允许内压定义为在圆周上每条投影线的允许内压的最
9、小值 对管道腐蚀的下一部分重复到第二步到第十步 12 min corrNnm ppppp II 许用应力法 传统方法 ASD 使用拉伸强度极限 UTS 如果未知 用SMTS替代 当运行温度较高时 应当考虑材料强度降低 当温度为50 100 时 可按线性规律减小10 计算 总使用系数按下式计算 F F1F2 式中 F1 0 9 标准系数 F2为操作使用系数 仅有内压作用时 21 1 f tUTSd t p Dtd tQ 2 0 311 Dt l Q swf pFp 其余情况类似 其余情况类似 测量方法及有关参数 X60管道壁厚与承压能力关系曲线分析实例 不同腐蚀缺陷深度的管道允许内压 l d M
10、Pa 不同腐蚀缺陷深度的管道允许内压 l 10d MPa不同腐蚀缺陷深度的管道允许内压 l 100d MPa 2014 04 08 5 讨论 当缺陷深度浅且长度也很短时 深度小于壁厚的40 长度小于或等 于深度的10倍 随着缺陷深度增加 允许内压有所下降 但变化并 不大 当缺陷深度大于壁厚的40 允许内压随缺陷深度的增加而迅速地降 低 当缺陷长度大于缺陷深度的10倍 且当缺陷深度在管壁厚度40 以上 允许内压随缺陷深度的变化较大 而且下降相当快 当缺陷长度较长时 缺陷长度大于缺陷深度的100倍 只要存在缺陷 随着缺陷深度的增加 允许内压变化较大 而且下降相当快 3 2 2 ASME B31G方
11、法 大量实验数据基础上的半理论半经验公式 计算简便 用于操作应力等于或大于40 SMTS的钢质管线 主要是评价体积型缺陷 不宜用于评定被腐蚀的环向或 纵向焊缝及其热影响区 机械损伤以及管道制造缺陷 实验数据库是由中低强度管材组成的 X52以下 评 价结果相对保守 当A小于或等于4 0时 2 1 2 3 1 1 1 231 dt pp dtA 当大于4 0时 若运行压力等于或小于p 则在防止继续腐蚀的条件下 该腐蚀管段仍可 继续使用 若运行压力大于p 则应降低运行压力p 或对管段进行修补或 更换 1 1 1 ppd t 测定腐蚀深度d 如果d小于正常壁厚t的10 不必考虑降低MAOP 最 大允许
12、操作压力 若d大于t 的80 则应修复的管段 沿纵向轴线确定腐蚀的有效长度L 计算无量纲系数A DtLA893 0 B31G 1991剩余强度计算方法如下 剩余强度计算方法如下 3 2 3 其他评价方法 1 SY T 0087 95 钢制管道及储罐腐蚀与防护调查方法标准 钢制管道及储罐腐蚀与防护调查方法标准 当最小残余壁厚 0 2原始壁厚 或 2mm时视为穿孔失效 需维修 更换 2 SY T 6151 95 钢制管道管体腐蚀损伤评价方法 钢制管道管体腐蚀损伤评价方法 根据腐蚀深度 腐蚀区轴长 腐蚀区环长和强度等评价 评价分为 五级 留用 监控 计划维修 立即更换和更换 3 2 平面型缺陷评价
13、面积型 裂纹 缺陷 最危险 产生原因复杂 与材质 制造工艺 使用环境有关 分类 根据方向 分 轴向 环向和螺旋方向 根据位置 分为 穿透裂纹 贯穿整个管壁 表面裂纹 与管壁的表面之一相接触 埋藏裂纹 处于管壁之内并不与管壁表面相接触 穿透缺陷表面缺陷埋藏缺陷 2014 04 08 6 失效机理 存在不同失效模式 极端情形 线弹性断裂和塑性失稳 中间情形 弹塑性断裂 英国中央电力局 CEGB 的R6方法 该标准先后在1977年 1980年和1986年作过三次修订 前两版称为老R6 第 三版称为新R6 虽然都是利用失效评定图进行评定 但两者的理论基础有着 本质的不同 失效评定图 适于 判断潜在失
14、效模式 待评定点的坐标用 Lr Kr 表示 其中考虑了材料塑性的影响 式中 p为总的外加荷载 对于管道来说 一般为内压 p0为完全塑性状 态下的极限压力 其下限值为 评定点的计算 1 Lr表示裂纹结构接近塑性屈服程度的度量 定义为荷载条件与塑性屈 服的荷载比 式中 a为管壁上轴向裂纹深度 t为管道壁厚 R为管道外半径 0r Lp p 0 1 2 3 1 s a t t p a R R 式中 KIC 为材料的断裂韧性 由试验得出 KI为对应于裂纹尺寸a的 线 弹性应力强度因子 对于含轴向裂纹 受内压管道 其值为 2 Kr表示接近断裂失效程度的度量 定义为应力强度因子与材料断裂韧 性的比值 式中
15、p为管道内压 R为管道外半径 F 则由下表外推得出 rIIC KKK 2 22 2 i I i RpRaa KF RRtR t Ri a t 1 81 41 23 4 1 5 1 10 1 20 1 19 1 20 1 20 1 38 1 44 1 45 2 10 2 36 2 51 3 20 4 23 5 25 评定点的计算 安全裕量 MS 为 3 评定点标到失效评定图上 如果该点位于评定曲线以内 则表明管道是 安全的 安全系数 FS 由从原点出发通过A点与失效评定曲线交于B点的直线确定 FSOB OA 1MSFS 评定点的计算 三种水平的失效评定曲线 通用曲线 材料特定曲线 J积分曲线 2
16、014 04 08 7 1 通用失效评定曲线 适用于应力应变曲线上无明显的屈服不连续点 屈服平台 的所有材料 26 10 14 0 30 7exp 0 65 rrr KLL 该方法最为简单 但对于具有明显屈服平台的材料 使用曲线必须控制 在的范围内 0 1 r L 曲线方程可由下式给出 2 材料特定曲线 根据材料应力 应变数据 尤其是应变低于1 时的数据 引入参考应力 和参考应变的概念 得出与裂纹体结构形状尺寸无关的失效评定曲线 曲线方程可由下述方程给出 maxrr LL 时 此曲线尤其适用于应力应变曲线上初始硬化速率高的曲线 1 2 3 2 rrefrsrsref KELLE maxrr LL 时 0 r K 3 J积分曲线 根据材料特性和裂纹体几何形状分别计算弹塑性J积分值及其弹性 分量Je值 其曲线方程为 R6标准中规定 所有的J和Je的分析计算必须采用经过验证是有效 的有限元计算程序 在进行分析计算时 必须用精确的单轴拉伸 的真应力真应变特性值 maxrr LL 时 maxrr LL 时 1 2 e r KJJ 0 r K 截断点定义如下 max rs L 1 2 sb 为流变
