管道焊接缺陷合于使用评定技术进展

管道焊接缺陷合于使用评定技术进展张彦华李红克(航空航天大学)摘 要 为保证大型结构及长距离油气输送管线的结构完整性, 有关国家先后制定了以“合于使用”为原则的缺陷评定标准, 在管道建设中发挥了巨大作用重点讨论了 R 6、A P I 579、B S 7910 和 S IN TA P 评定技术的最新发展与相互联系, 为我国管道评定技术研究提供参考关键词 天然气管线 评定标准 结构完整性0前言急剧增加, 根据我国天然气工业的发展, 以及“西气东输”工程和拟议中跨国天然气管线建设的需 要, 深入了解、研究这些评定技术对制定我国自己 的相应标准将具有极大的参考价值现代大型金属结构及长距离油、气输送管道由于材料成型、焊接及施工过程中存在外部损伤 和难以探察的焊接微观缺陷, 在一定服役环境和 力学条件下, 这些缺陷就成为裂纹的发源地, 进而 引起结构和管道局部或大范围破坏, 造成巨大财 产和人员损失为防止此类现象, 早在 1968 年, 国 外 就 提 出 应 制 定 基 于 F F P ( f itness2fo r2p u rpo se F F P ) 的 结 构 缺 陷 接 受 准 则 英 国 标 准 协 会 于1970 年成立了W E E ƒ37 委员会研究设立新的以 “合于使用”为准则的可接受标准。

经过近 10 年努1R6 方法及其发展R 6 评定方法, 即“含缺陷结构完整性评定标准”, 是英国中央电力局 (C E GB ) 于 1976 年基于 结构塑性失稳载荷和线弹性断裂力学开发的静态韧性ƒ脆性断裂评定方法 自 1976 年问世以来,R 6 已经过了 4 次修订1 该技术使用缺陷评定图 (F a ilu re A ssessm en t D iag ram 简称 FA D ) 曲线, 根 据已知材料、载荷数据的不同, 共有三种评定选 择, 当仅知道材料屈服应力时, 可以采用选择 1; 选择 2 评定则需要材料的应力- 应变关系曲线; 选择 3 相对复杂, 要有材料性能、裂纹尺寸等详细 数据, 但可大大降低评定结果的保守性评定图纵 轴和横轴分别代表断裂驱动力与断裂韧性的比率 以及施加载荷与塑性失稳载荷的比率, 分别为: K r = K ƒK m a t , L r = P ƒP L ( Ρy ) , 式中 K 为与载荷 P 对应的应力强度因子, P L 为流变应力等于屈服应 力时裂纹体的刚- 塑性极限载荷, K m a t 为断裂韧 性, K r 和 L r 取决于施加载荷、材料性能、裂纹尺 寸和形状。

在断裂评定图中, 失效评定曲线由函数 f 定 义 最简单的选择 1 曲线方程为:f 1 (L r ) = (1- 0. 14L r 2 ) ·力后,1980 年发布了 PD 6493—1980 结构完整性评定标准同期, 其他国家和许多机构也进行了大量的缺陷评定研究, 如英国中央电力局 (C E GB ) , 在 1976 年开发了 R 6 评定方法 之后, 这些标准 先 后 进 行 了 多 次 修 订、增 补, 如 PD 6493—1991,B S7910—1999, R 6—1986, R 6—1999 等 “合于使用”( 或 f itness2fo r2serv ice F F S、或工程临界分析 E ng ineer ing C r it ica l A na ly sis ECA ) 评 定技术以断裂力学、材料力学、弹塑性力学及可靠性系统工程为基础, 承认结构存在偏差和缺陷的 可能性, 但在考虑经济性的基础上, 科学分析已存缺陷对结构完整性的影响, 保证结构不发生任何 已知机制的失效, 因而被广泛应用于工程结构质量评估中目前, 根据“合于使用”原则建立的评定 方法很多, 得到工程很好验证并普遍采用的主要有 R 6、A P I 579、B S 7910、以 及 最 新 的 S IN TA P等。

随着我国经济的发展, 对石油、天然气的需求0. 3+ 0. 7 exp (- 0. 65L r 6 ) ](1)·12·焊管2003 年 3 月Ρ ) ,而塑性失稳点 L r < L rm ax ≡ 1 ( 1 +u断裂模型、R ou sselier 和 Gu r son 损伤力学模型Ρu 为最大Ρy2应力选择 2 的方程为:2 A P I 579 的基本内容及最新发展E Εref L r 3 Ρy) - 1ƒ2f 2 (L r ) =((2)+L r Ρy 2E Εref为对石化工业及核工业中压力容器、管道、贮罐等结构 进 行 F F S 评 定, 美 国 石 油 学 会 制 定 了式中 Ρref = L r Ρy , Εref 为真实应变 选择 2 的主要特征是该评定图只取决于材料的应力- 应变作 用, 可以不考虑应力- 应变行为, 因而适用于所有 金属材料如果知道 J 积分, 就可以进行选择 3 评定:3A P I 579 它从损伤机制、材料行为、运行条件、无损 探 伤 ( 裂 纹 位 置、尺 寸)、材 料 性 能 ( 环 境 影 响)、应力分析 (常用有限元分析)、数据分析 (工程 可靠性模型) 等方面对管道结构的完整性进行评 定 ( 见图 1)。

它的数据要求为: 初始设备设计数据、维护运行历史、F F S 评定所需的数据、尺寸、推 荐的检测方法等A P I 579 的评定参数及评定曲线与 R 6 和 B S7910 相同, 但它的韧性比率由下式确定:f 3 (L r ) =(J ƒJ e ) - 1ƒ2(3)式中 J 和 J e 分别代表在同一载荷下用弹塑性分析和弹性分析得到的 J 积分值 该方程同时取决 于材料性能和试样的几何形状, J 积分通常表示为 J = K 2 ƒ(E ′f(L r ) 2 )R 6 还制定了混合应力作用下的评定规则, 对一次和二次应力混合情况做出如下处理:K r = (K I + 5 K I ) ƒK m a tPS R(6)式中 K PS RI 为一次载荷下的施加应力强度因子, K I P S(K P + K S ) 2K + K(4)K r =+ Θ或 J =Θ) 2K m a tE ′(f(L r ) -为二次和残余应力导致的应力强度因子, K m a t是式中上角标 P、S 分别代表一次和二次应力作用,Θ为交互作用参数, 由下式定义:断裂韧性, 5 为 K S R的塑性调整因子。

这一点是由IA in sw o r th 等4 提出的, 与 R 6 和 B S 7910 的最新版本有所不同R 6 和B S 7910 是以来考察二次应 力和残余应力塑性效应 虽然都是从同一分析得到, 但因子公式代表的是韧性对塑性区的依赖, 缺乏理论依据A P I 579 提供了另一参考应力的定 义公式:Ρref = H Ρnom ina l, 式中几何因子 H 由 L r = 1 时 的名义应力推出: H = Ρy sƒΡnom ina l同样, A P I 579 分为三个不同水平的评定, 水平 2 的 FA D 曲线与 R 6 选择 1 的完全相同, 与B S7910 水平 2 的表达式也一样 但是水平 2 对韧 性、裂纹尺寸和应力应用了偏安全系数 ( P SF s) ,可以选择目标可靠度进行确定性分析 如果通过调整输入 P F S s 值使得评定点落在 FA D 以内, 那 么可以得知实际断裂可能性小于目标值 水平 3 的评定需要高级分析, 但其方法不外乎 R 6 评定 选择 2 或 3 的评定公式A P I 579 在最近进行了 修订5 , 其最新发展主要有以下几个方面:( 1) K 因子求解方法: A P I 579 附录 3 含有一 些裂纹体应力强度因子的解决方法, 有圆筒体内 外表面轴向裂纹、内外表面环向裂纹、球体经线内 外表面裂纹。

同时分析了三种载荷: 均匀裂纹面压Ρ ΕSΥ( K( aeff aeff ) 1ƒ4 (K S K S1ƒ2 ,1) , 而 K S =Ε)Θ= Ω--ΡJK S2aJΘ的具体计算步骤在 R 6 附录 4 中给出但是这一步骤按弹性计算二次应力的值, 可能过于保守, 因 为当弹性应力峰值超过屈服应力时应力分布会出 现塑性松弛2 2000 年, R 6 发布了第 4 修订版, 在最新版本 中加入了裂纹止裂方法、接头匹配效应、局部方法和有限元方法等新的内容 在接头强度失配效应 的处理上, 与以前相比降低了保守程度该方法以 双材料模型给出, 将接头性能以等效材料的形式 进行处理对于如热影响区等复杂情况, 可以通过 适当的合并简化转化为双材料模型 其给出的等 效材料性能公式为:Ρe (ΕP ) = [ (P Lm isƒP L b - 1) Ρw (ΕP ) +(M - P Lm isƒP L b ) Ρb (ΕP ) ]ƒ(M - 1)(5)式中 Ρb 和 Ρw 分别代表母材和接头强度, ΕP 为塑性应变, M 为接头失配率, 通常为塑性应变的函 数, P Lm isƒP L b 是失配部件的极限载荷与纯母材载荷的比率。

在局部接近法中, R 6 附录 17 给出了几种局 部法模型: B erem in 泄露裂纹模型, B erem in 韧性第 26 卷第 2 期张彦华等: 管道焊接缺陷合于使用评定技术进展·13·图 1 A P I 579FAD 评定步骤简图裂、延性撕裂和塑性失稳等都有表述6 它结合欧洲及其它国家现有的部分评定标准, 并在其基础 上做出了适当地改进和发展该标准共分 7 个评定水平, 当只知屈服应力 时使用缺省 0 水平, 该水平从夏比冲击数据估计 断裂韧性; 当屈服应力、最大拉伸应力及接头强度 不 匹 配 程 度 小 于 10% 时, 可 进 行 水 平 1 基 本 评 定; 水平 2 失配评定与水平 1 数据基本相同, 在母 材和焊材参数已知情况下, 接头不匹配程度可以 稍高于 10% ; 水平 3 应力—应变评定要求全部应 力—应变曲线已知; 水平 4 拘束评定需要额外的 数据进行与裂尖拘束状况相关的断裂韧性估计; 水平 5 J 积分评定, 采用应力—应变数据进行数 值分析以确定 J 值, 与低水平相比降低了保守度; 水平 6 裂前泄露 (LBB ) 评定, 可对部分穿透及穿 透裂纹的稳定与扩展进行考察。

S IN TA P 程 序 的 结 果 可 以 FA D 或 CD F (C rack D r iv ing Fo rce) 形式表述, 与 R 6 的 FA D 和 德国 GK SS 的 E TM 方法基本相同 S IN TA P 评 定程序包含了 R 6 的成分, 而 S IN TA P 的进展同 样可以用来更新 R 6 二者的区别在于 S IN TA P 除了 FA D 外, 还提供了 CD F 表示方法CD F 法力、线性变化裂纹面应力、整体弯曲力矩 ( 筒体环向裂纹) 的作用例如对裂纹面压力均匀分布的筒体, 应力强度因子为 K I = p G 0Πaƒ。