合于使用评价方法在含超标缺陷压力管道中的应用.pdf

第 6 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.6 No.1Feb.2023西部特种设备WESTERN SPECIAL EQUIPMENT合于使用评价方法在含超标缺陷压力管道中的应用房美琳谢毅王超然董灵健（江苏省特种设备安全监督检验研究院江苏南京210036）摘 要：2021 年中旬笔者在对某化工有限公司进行常规停车定期检验时，发现 52 道焊缝存在安全状况等级为 4 级的面型缺陷。由于不具备开展现场消缺的条件，故笔者采用合于使用评价的方法，借助 Caesar-分析计算软件对管道进行应力分析，给予正确的评价结果，使其在合法合规状态下运行至下一检验周期。关键词：合于使用评价；含超标缺陷；压力管道中图分类号：TE88 文献标志码：B 文章编号：2096-4765（2023）01-025-005The Application of Evaluation Method in Pressure Pipeline with Over-Standard DefectsFang Meilin Xie Yi Wang Chaoran Dong Lingjian（Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province,Jiangsu,NanJing 210036）Abstract:In the middle of the 2021,during a routine parking inspection of a chemical company,52 welds was found to have surface defects with a safety level of 4.Therefore,the authors used the method of conformity evaluation and Caesar-analysis and calculation software to analyze the stress of pipeline.The correct evaluation results are given to make it run to the next test period under the condition of conformity.Keywords:Conformity evaluation;With over-standard defects;Pressure pipeline收稿日期：2022-12-29 作者简介：房美琳（1994），女，学士，助理工程师，主要从事承压特种设备的检验检测、失效分析和安全评估工作。1含超标缺陷压力管道概况2012 年 9 月，某化工有限公司待合于使用评价压力管道投入使用。2021 年中旬，具备检验资质的检验机构进行了停车检验，无损检测采用 RT技术，发现了 19 条管道共计 52 道焊缝存在安全状况等级为 4 级的面型缺陷1-2。本次待合于使用评价的压力管道介质均为蒸汽，进行合于使用评价的部分焊缝信息见表 1。2 安全评价原理及方法2.1 安全评价原理实施管道完整性评价之策略，它的目的是为262023 年 2 月西 部 特 种 设 备了预防由于管道结构完整性的欠缺导致出现失效的情况。基于一定的工况条件，管道可能造成结构性破坏的类型分别有断裂、塑性破坏。断裂产生的主要成因是管道结构产生了面型缺陷，诸如裂纹、未熔合、未焊透等，其是受到一定载荷的作用，从而导致的主要失效类型，它的评定主要借助断裂力学的理论3。就所存在的平面缺陷来讲，参照国家颁布的有关标准在用含缺陷压力容器安全评定（GB/T 196242019）中的相关规定，借助 U 因子评定法实施安全评定4。2.2 U 因子评定方法概述参照在用含缺陷压力容器安全评定（GB/T 196242019）附录 G 中的相关规定，U 因子评定方法适合应用在存有平面缺陷（裂纹、未焊透、未熔合等）的条件下。若未焊透缺陷存在于基于运行工况的无脆化倾向的 20#钢或奥氏体不锈钢管道和壁厚小于等于 13 mm 的碳钢管道，则需要借助于附录 H 中的有关规定进行安全评定5。本次待合于使用评价的含超标缺陷管道材质为 20#钢，基于此，选取了附录 H 对本次合于使用评价管道的缺陷进行安全评定。具体的评定过程如下：（1）缺陷部位管道尺寸的确定；（2）缺陷的规则化；（3）材料性能数据的确定；（4）U 因子评定法；（5）安全性评价。3 含平面型缺陷管道安全评定3.1 含平面型缺陷（未焊透）管道安全评定3.1.1 管道基本参数通过 RT 无损检测进行常规定期检验，共发现存在 19 条管道，共计 52 处超标缺陷（未焊透、未熔合等）。本小节以其中一条管线 LS2101B（存在未焊透缺陷）为例进行详细的合于使用评价。LS2101B 管线详细参数见表 2 所示。参考压力管道规范 工业管道 第 2 部分：材料（GB/T 20801.22020）查询得知，所在管道运行工况下，20#钢材料具体的各项性能如表 3所示。表 1 某化工有限公司合于使用评价管道部分焊缝信息表管道编号管道级别管道材质缺陷焊缝编号缺陷处实测最小壁厚/mm管道规格（公称直径*公称壁厚）/mm设计参数工作参数输送介质设计压力/MPa设计温度/工作压力/MPa工作温度/名称密度/（kgm-3）LS2101BGC22045.7133*60.852200.5195蒸汽7.1LS2101CGC22034.2108*40.852200.5195蒸汽7.1LS2101CGC22054.0108*40.852200.5195蒸汽7.1LS2101CGC220204.2108*40.852200.5195蒸汽7.1LS2101CGC220214.4108*40.852200.5195蒸汽7.1LS2202AGC22053.9108*40.852200.5195蒸汽7.1第 6 卷 第 1 期27房美琳，等：合于使用评价方法在含超标缺陷压力管道中的应用表 3 20#钢各项性能参数指标3.1.2 应力计算（未焊透）压力容器，作为薄壁壳体、板壳单元，其主体功能是针对承压壁厚的测定、局部结构抵抗外载力和弯矩作用下的渐进塑性变形等。在对压力容器进行应力分析时，往往更倾向于利用 ANSYS、ABAQUS 等有限元分析软件进行分析。与压力容器所不同的是，压力管道是以梁结构为单元，更是侧重于分析在不同工况下管道由于拉扭、弯压等所产生的变形，对弯曲、失稳等进行计算分析，借助 ANSYS、ABAQUS 等有限元分析软件对压力管道进行应力分析效果并不理想，故本文选择了更专业的管系应力分析软件（Caesar-）进行建模、应力计算与分析。其输入项选取的是进行分析管道周围的内压的最大值与弯矩的最大值。LS2101B管线的模型如图1所示。图 1 LS2101B 管线的模型借 助 Caesar-管 系 应 力 分 析 软 件，对LS2101B 管线受力分析后，获取了含有缺陷焊缝位置处的截面拉力及弯矩值，如表 4 所示。3.1.3 平面型缺陷 U 因子评定法通过运用专业的管道有限元分析软件CAESAR-，得到 LS2101B 管线缺陷焊缝处的一些必要参数（弯矩 MB、拉力 N 以及内压 P 等），根据下式（1）、（2）计算得到安全评定所需要获取的轴向膜应力 m与弯曲应力 B。（1）（2）表 2 LS2101B 管线管道基本参数表表 4 含未焊透缺陷管道焊缝处受力分析结果管道编号材料管道外径/mm壁厚/mm工作压力/MPa 工作温度/介质保温材料保温厚度/mmLS2101B2013360.5195蒸汽岩棉100评定点缺陷类型缺陷尺寸/mm 腐蚀速率/（mma-1）轴向力/N弯矩 /（Nmm）LS2101B-4未焊透1001.50.05475239 000名 称参 数管道材料20抗拉强度 b/MPa410屈服强度 s/MPa197弹性模量 E/GPa191泊松比 0.3线膨胀系数/（1/）12.2510-6断裂韧度/（N mm3/2）2 481282023 年 2 月西 部 特 种 设 备将表4中的有关参数带入公式（1）和（2）中，可求得 LS2101B 管线的 m和 B。3.1.3.1 载荷比的确定起裂时载荷比 LFr的确定：计算 s/Kc，并根据 s/Kc、缺陷无因次长度/值和相对深度 a/B 值，按式（3）计算评定所需的起裂时载荷比 LFr的值。2EJ /1 v）IC（-KC （3）其中 JIC为断裂韧性，取为 1.1 AKV。在缺乏在役材料的 AKV数据的情况下，如评定者能判断该材料适用于压力管道，且在使用状况下无脆化倾向，使用温度不低于韧脆转变温度，则在评定计算时可取压力管道材料容许的最低值AKV=27 J，通过计算并经保守取值选用断裂韧度为2 481 Nmm3/2。3.1.3.2 U 因子值确认 U 因子值的计算 （4）计 算 得 出 U，倘 若 U 值 小 于 1，则 选 定U=1。3.1.3.3 许可流变应力比确认许可流变应力比的确定：许可流变应力比的确定是根据缺陷尺寸/值与 a/B 值，查阅在用含缺陷压力容器安全评定（GB/T 196242019）中的附录 G.3，并且运用插值法所获取。3.1.4 LS2101B 管线安全评定结果如果公式（5）所表述的判据成立，那么认为该缺陷安全评定结论为安全或可以接受；否则，为不能保证安全或不可接受。（5）该管道缺陷评定参数计算数值及安全评定结果如表 5。3.2 含平面型缺陷（未熔合）管道安全评定3.2.1 管道基本参数通过 RT 无损检测进行常规定期检验，共发现存在19条管道，共计52处含超标缺陷（未焊透、未熔合等）。本小节以其中一条管线 LS2202B（存在未熔合缺陷）为例进行详细的合于使用评价。LS2202B 管线详细参数见表 6 所示。参考压力管道规范 工业管道 第 2 部分：材料（GB/T 20801.22020）查询得知，所在管表 5 LS2101B 管线安全评定结果安全评定结果平面缺陷未焊透 0.7缺陷编号拉力/N 弯矩/（Nmm）mMPaBMPaLFrU 因子许可流变应力比m+BMPa+sbUnp（）MPa是否通过安全评定LS2101B-4475 239 000 2.60 3.14 1.062 1.448 1.0855.74 113.75 是管道编号材料管道外径/mm壁厚/mm工作压力/MPa 工作温度/介质保温材料保温厚度/mmLS2202B2010840.5195蒸汽岩棉50表 6 LS2202B 管线管道基本参数表第 6 卷 第 1 期29道运行工况下，20#钢材料具体的各项性能如表 7所示。表 7 20#钢各项性能参数指标3.2.2 应力计算(未熔合)应力计算原理可参考 3.1.2 节内容进行，本小节借助 Caesar-管道应力分析软件，对 LS2202B管线受力分析后，获取了含有缺陷焊缝位置处的截面拉力及弯矩值，如表 8 所示。LS2202B 管线的模型如图 2 所示。图 2 LS2202B 管线的模型图3.2.3 管道平面型缺陷 U 因子评定法借 助 Caesar-管 系 应 力 分 析 软 件，对LS2202B 管线存在未熔合缺陷处的相关参数进行计算，如弯矩 MB、拉力 N 和内压 P 等，依次确定起裂时载荷比 LFr，计算 U 因子值，以及许可流变应力比值，相关的计算公式及具体步骤可参考 3.1.3 节进行。通过系统地应力分析计算后，对存在未熔合缺陷 LS2202B 管线安全评定结果进行判定，如表 9 所示。平面缺陷-未熔合 0.7缺陷编号拉力/N 弯矩/（Nmm）mMPaBMPaLFrU 因子许可流变应力比m+BMPa+sbUnp（）MPa是否通过安全评定LS2202B-5232 108 000 3.18 3.18 1.103 1.395 1.0856.36 118.08 是LS2202B-2028 51 000 3.03 1.50 1.103 1.395 1.0854.53 118.08 是评定点缺陷类型缺陷尺寸/mm腐蚀速率/（mma-1）轴向力/N弯矩 /（Nmm）LS2202B-5未熔合1701.00.02232 108 000 LS2202B-20未熔合3501.00.0628 51 000 表 8 含未熔合缺陷管道焊缝处受力分析结果表 9 LS2202B 管线安全评定结果房美琳，等：合于使用评价方法在含超标缺陷压力管道中的应用（下转 33 页）名 称参 数管道材料20抗拉强度 b MPa410屈服强度 s MPa197弹性模量 E GPa191泊松比 0.3线膨胀系数/（1/）12.2510-6断裂韧度/（N mm3/2）2 481第 6 卷 第 1 期33向婷婷：工业锅炉水处理节能方法探讨度。此外，工作人员也要对锅炉水的处理方式进行改进，注重新型技术措施的应用，不断在实践中探索创新，提高锅炉水的处理能力，并控制成本投入3。3.2 合理进行排污作业工业锅炉使用期间，因水体不可能保持完全纯净状态，需持续排放污水，而这些污水会带走热量，造成热能损失。针对这一问题，应合理控制污水排放率，通过设置污水热交换器回收排污带走的热量。锅炉污水排放应按照锅炉水中溶解的固体含量进行界定4。锅炉水水质变化也是确定排放标准的重要参数，若超过行业设定的标准值，管理维护人员应及时开展水质调整作业。4 结束语综上所述，锅炉水处理关系到企业在工业锅炉使用期间的实际效益产出与成本投入，并与安全生产管理体系息息相关，是落实节能减排战略、提高生产安全系数的重要因素。因此，企业应针对工业锅炉的使用特点，配备专业技术工作团队，加强锅炉水处理，不断消除安全隐患以及可能造成工业锅炉运行故障的各类风险因素，进而为工业锅炉安全、经济、节能且环保运行奠定良好基础。参考文献翟左，魏鑫.工业锅炉水处理检验及节能方法探讨J.中国设备工程，2020（03）：148-150.颜彦.工业锅炉水处理工作存在的问题和对策 J.工程技术研究，2019，4（23）：226-227.蔡丽霞.工业锅炉水处理存在的问题及建议 J.中国特种设备安全，2018，34（07）：49-51.徐辉.工业锅炉水处理工作存在的问题和对策 J.山东工业技术，2018（05）：51.1 2 344 结束语根据 压力管道定期检验规则工业管道（TSG D70052018）对应标准判定其安全状况等级在 4 级的水平。由于该厂不具备停车现场消缺的条件，故依据 在用含缺陷压力容器安全评定（GB/T 196242019），引入合于使用评价技术。通过本文的分析与研究，得出如下结论：（1）本次评估共计两条管线共计3个缺陷（含未熔合、未焊透）；借助 Caesar-II 应力分析软件建模计算，结果显示受检管线此次通过安全评价，满足 GB/T 19624-2019 的安全评价要求；（2）本次受评管线在允许运行的工况下，可正常运行至下一检验周期。运行期间，使用单位需针对含有缺陷的管线制定专项应急预案，加强监控与管理。（3）建议使用单位在下次定期检验时，对本文所提受评管线进行必要的修复处理措施，以便该含超标缺陷的管线可继续使用。参考文献元少昀，陈超.合于使用评价在超高压容器设计中的应用 J.石油化工设备技术，2021，42（06）：1-4，81.杜洪波.长输管道检验中合于使用评价标准应用分析 J.中国标准化，2021，（16）：235-237.王钊，钱英豪，周鹏飞.工业管道的定期检验重点及合于使用评价 J.中国设备工程，2021，（05）：160-161.陈勋，郑连学.含缺陷氨制冷管道合于使用评价J.制冷，2020，39（02）：65-68.杜鑫,惠虎.微小试样取样法在含腐蚀坑缺陷压力管道合于使用评价中的工程应用 J.压力容器，2018，35（11）：61-67.1 2 345（上接 29 页）