管道与储罐强度-6含缺陷管道的检测与评价

FS OB OA
安全裕量(MS)为：
MS FS 1
• 三种水平的失效评定曲线： • ① 通用曲线
• ② 材料特定曲线
• ③ J积分曲线
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。
曲线方程可由下式给出：
6 K r (1 0.14 Lr 2 ) 0.3 0.7 exp( 0.65 L r )
– 超声
– 横向漏磁通 – 弹性波 – 超声导波 – 远场涡流
超声
• 超声是唯一取得成功的管道裂纹检测技术 • 和检测金属损失不同的是，采用的是45剪切波。
• 裂纹缺陷的检测尽管已经成功，但：
– 检测灵敏度低；
– 数据解释难(大量的假数据显示)； – 检测的费用高； – 可靠性有待提高。
• 可靠地检测裂纹仍然具有挑战性。
平面型
BS 7910－1999
体积型
API 579 SY/T 6477－2000
6.2 缺陷检测（内检测）
•
20世纪60年代，在美国诞生了管道内检
测器，称Smart Pig & Intelligence
Pig，是一种集成了多种先进技术的高技 术装置。 • 内检测也称为在线检测，内检测器在管 道内由输送介质推动，在移动过程中检 测管壁，不需要中断管线运行。 • 内检测已经是管道完整性管理的首要 （常规）手段。
（3）几何检测工具
• 检测凹坑、皱折、椭圆度等几何缺陷.
• 原理：
–机械测径装置
–电磁
• 管子变形工具
–利用惯性制导提供凹坑或其他变形的时
钟位置
（4）测绘工具
• 采用精密惯性制导仪器，记录管道极微小的移动； • 用于测绘管道的纵断面和路径； • 与GPS联合使用能为地质断层、沉陷区、永冻土地区等提供优良 的监测。
考虑设计系数后，得到管道的安全工作压力
2t f
P' 0 . 72 P f 7 . 65 MP a
管道的当前最大操作压力为7MPa，小于上式确定的管道安 全工作压力，管道可继续使用，不需要修理。
流变应力的确定方法
1 .1SMYS
1 .15 SMYS
0 . 5 ( SMYS SMT )
dn
dn+1
dm
lnm lm
i m1 i n
l
i
si
d nm
d l
i n
i m
i i
lnm
• 必须考虑缺陷之间的相互作用
详细步骤
1.
对组合缺陷中的每一个缺陷，计算失效压力；
2.
计算组合缺陷的等效长度；
lnm lm

1 0.85 0.42 ( 358 68.95 ) 1 1 0.85 0.42 1.856 339.91 MPa
管道失效压力
2 11 .9 339 .91 Pf 10 .62 MPa D 762
• 螺旋型腐蚀：
– 螺旋焊缝周边，与管线的轴向成一定的角度
平面型缺陷分类
• 根据裂纹在管壁中的位置不同，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
多缺陷的相互作用
• 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，投影在轴向 上重叠 – 轴向排列——指缺陷沿管段位于同一轴线方向上，中间被全璧厚管段隔 开
其中 f — —管子失效时的环向应力；
— —流变应力；
D — —管道直径； t — —管道壁厚； d — —缺陷深度； l — —缺陷长度； M — —鼓胀系数； SMYS — —规定的最小屈服极限。
例题
• 在直径762mm、壁厚11.9mm的材质为X52的管道上，
发现长190mm、深5mm的缺陷，该管线的设计系数
=0.3, ys=1200MPa，c=0.05mm，管道的设计内压
p=8 MPa, 试计算其可容许的最大缺陷尺寸。
解：环向应力：
=pd/2t=80.5/(22.510-3)=800MPa
z Nz z Nc P c c
t
p d
Pz
c2 z

最危险的缺陷是纵向裂纹，方向垂直于环向应力。
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 Lr 1.0 的范围内。
例：16Mn钢管道，外径529mm，壁厚7mm，内压3MPa，管壁裂纹缺陷深3.5mm，管 材屈服强度351.45MPa，拉伸强度533.92MPa，断裂韧性131.16MPa·m0.5。试评定 该含裂纹缺陷管道。
裂纹尖端张开位移
裂纹尖端张开位移
x a
处的弹性位移
8a Y ln sec E 2 Y

• 用此弹性张开位移来描述板 材裂纹尖端地区的形变程度 和应力位移场强度。
断裂判据
=c
作用(,a) 抗力(材料)
例
直径d=500mm，壁厚t=2.5mm的管道，已知E=
1/8 1.19 1.20 1.20 1/4 1.38 1.44 1.45 1/2 2.10 2.36 2.51 3/4 3.30 4.23 5.25
评定点的计算
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：
缺陷类型
• 体积型缺陷
– 质量损失，内、外腐蚀产生，最为常见；
• 面积型（裂纹）缺陷
– 产生原因复杂，与材质、制造工艺、使用环境有关，最危险；
• 弥散损伤型缺陷
– 氢致鼓泡和氢致开裂、应力腐蚀；
体积型缺陷分类
• 点蚀：
– 腐蚀面积小，严重时会穿孔
• 片状腐蚀：
– 面积较大
• 焊缝腐蚀：
– 存在于焊缝周边
SMYS 68 . 95 MPa
a SMT
a 0 . 9 ,1 . 0 ,1 . 1
• 金属损失面积的确定方法
– 精确面积法
– 等效面积法
– 有效面积法
• 对每一个梯形截面计算出管段的失效压力
L10
L5 L4 L3 L2 L1
二、组合缺陷（DNV RF101方法）
lnm ln sn ln+1 s m-1 lm
2 2
l l M 1 0.6275 0 . 003375 Dt Dt
2
4
1 0.6275 3.981 0.003375 3.9812 1.856
按照ASME B31G方法确定失效时的环向应力
d 1 0.85 t f d 1 1 0.85 t M
由于d>>t，可忽略筒体曲率的影响。视为无限
大中心裂纹板，且为平面应力. 裂纹尖端张开位移：

8ys a E ln[sec(2 ys )] 8 1200 a ln[sec( 3 2 3.14 200 10 =0.0106a
在临界状态下有： 得到： =0.0106acc ac0.05/0.0106=4.71mm
金属损失检测
漏磁与超声检测技术比较 • 漏磁检测属于间接测量，对管道介质、环境等因素要求较超声波 方法宽松，目前普遍采用； • 超声检测直接测量管道壁厚，虽然检测结果精确度较高，但其对 管道的清洁度要求较高，同时还要求有耦合剂，限制了其在气管 道上的应用。
（2）裂纹检测技术
• 裂纹检测仍然是一项挑战性的工作，尝试过用多种无损检测技术：
6.3 含缺陷管道评价的断裂力学基础 • 裂纹缺陷在管道的破坏中起重要作用 • 裂纹尖端应力场
断裂特征量
1 2
KI 祍 a
应力强度因子
KI 祍
pa
• 断裂模式：
– 脆性断裂——裂纹失稳扩展 – 塑性断裂——塑性失稳 – 弹塑性断裂
断裂特征量：
应力强度因子 J积分
材料参数
断裂韧性
临界裂纹尖端张开位移 夏比冲击能
2

4
l l M 1 0.6275 0.003375 Dt Dt
l 50.0 Dt
2
2
l M 0.032 3.3 Dt
2
l 50.0 Dt
SMYS 68 . 95 MPa
结论：由失效评定图可得，管道的安全系数(FS)=1.915，因此管道是安全的。
6-5 腐蚀（体积型）缺陷的评定
• 两个基本参量：深度和长度：
l d
管道轴向方向
t
缺陷的宽度对管道的爆破强度影响不大。
一、单一缺陷（ASME B31G方法）
d 1 0.85 t f d 1 1 0.85 t M
可确定为0.72，管线最大操作压力是7MPa。试确定
这一腐蚀缺陷是否可以接受。
解：X52管线钢的屈服极限
SMYS 358 MPa
根据缺陷的几何尺寸，得到
d 5 0.42 t 11 .9
190 l 3.981 Dt 762 11.9
– 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
L1
d2
L2
d1
• 量化准则
分类
代表性标准
量化准则
用缺陷所包 络矩形的长 度、高度表 示 按最危险厚 度截面(CTP)
具体类型
穿透缺陷 表面缺陷 埋藏缺陷 多缺陷共存 轴向CTP 环向CTP