（化工过程机械专业论文）带体积型腐蚀缺陷压力管道剩余强度的分析.pdf

摘要 管道输送一直以来作为石油、天然气运输的重要方式，管道事故 会给国民经济带来巨大的损失。管道腐蚀引起的失效已成压力管道安 全技术问题的重要内容。 评价腐蚀管道剩余强度的目的是为了研究缺陷能否在某一操作 压力下允许存在，以确定当前腐蚀缺陷下的剩余强度和最大失效压 力，以及在某一输送压力下允许存在的最大腐蚀缺陷尺寸等，为管道 维修计划和安全生产管理提供科学的指导。 本文首先对b 3 1 g 方法进行了回顾、总结，分析b 3 1 g 评价公式 中流动应力、鼓胀系数等的影响规律。利用管道爆破实验结果验证原 始b 3 1 g 、修正b 3 1 g 及d n v 三种评价方法，评价结果表明三种方 法预测结果存在较大差异，同时指出三种评价方法的局限性，并且应 用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 开发了相应的评估软件。其次，利用有 限元分析软件a n s y s 对腐蚀管道的失效进行有限元分析。结合缺陷 的具体形状，采用三维六面体等参单元建立合适的有限元模型，利用 基于塑性的失效准则确定失效压力。通过计算分析，将计算结果与三 种方法预测结果进行比较，可知有限元法对于各种情况均可得到与实 际比较吻合的结果。最后，分析了几种典型体积型缺陷尺寸参数对腐 蚀管道失效压力评价结果的影响。 关键词：腐蚀管道，体积缺陷，剩余强度，b 3 1 g ，有限元，评价方 法 武汉i | j 聱人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t p i p a g ei sa ni m p o r t a n tw a yo fp e t r o l e u ma n dg a st r a n s p o r t a t i o na l l a l o n g i nv i e wo fn a t i o n a le c o n o m y sg r e a tl o s sd u et op i p e l i n ea c c i d e n t ， p i p e l i n e sc o r r o s i o n b e c o m et h ei m p o r t a n tq u e s t i o no fi t s s e c u r i t y t e c h n o l o g y t h ee v a l u a t i o no nr e s i d u a l s t r e n g t h o fc o r r o d e dp i p e l i n ei st o c o n f i r mw h e t h e rt h ed e f e c ti sa l l o w e do nac e r t a i np r e s s u r e ，r e s i d u a l s t r e n g t h ，m a o pa n da l l o w e dm a x i m u md e f e c td i m e n s i o no nac e r t a i n p r e s s u r e ，o f f e r i n gat e c h n i c a lg u i d ef o rm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t a tf i r s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h er e v i e wa n ds u m m a r yf o rb 3 1 gt h e i n f l u e n c eo ft h ef l o ws t r e s sa n df o l i a sf a c t o ro nf a i l u r ep r e s s u r e s o m e h y d r a u l i cb u r s t i n gt e s t r e s u l t so fc o 玎o d e dp i p e l i n e sh a db e e nu s e dt o v a l i d a t eb 3 1 g 、d n va n das o f t w a r eu s e dt oa s s e s st h er e s i d u a ls t r e n g t h w a sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c6 0s o f t w a r e t h ec a l c u l a t e dr e s u l t s s h o w e dt h ed i f f e r e n c e so ft h ep r e d i c t e df a i l u r ep r e s s u r e sa m o n gt h e m a t t h es a m et i m et h ep a p e rp o i n to u tl i m i t a t i o n so ft h i st h r e ea s s e s s m e n t m e t h o dr e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，a n s y s ，af i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，h a d b e e nu s e dt oa n a l y s et h ef a i l u r eo fc o r r o d e dp i p e l i n e s a l lp i p es a m p l e s a r em o d e l e dw i t h2 0n o d eq u a d r a t i ch y b r i db r i c ke l e m e n t sa c c o r d i n gt o t h e i ra c t u a ls h a p ea n dt h ef a i l u r ep r e s s u r ew a si d e n t i f i e db a s e do nt h e p l a s t i cf a i l u r e c r i t e r i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sm e t h o dp r o v i d e s m o r ea c c u r a t ep r e d i c t i o nt h a no t h e r sf o ra l lc a s e s a tl a s t ，t h ee f f e c t r e g u l a t i o n so fs o m et y p i c a lv o l u m ed e f e c t sg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r sf o r b u r s tp r e s s u r ep r e d i c t i o nh a db e e ns u m m a r i z e d k e y w o r d s ：c o r r o d e dp i p e l i n e ，v o l u m ed e f e c t ，r e s i d u a ls t r e n g t h ， b 3 1 g ，t h ef i n i t ee l e m e n t ，a s s e s s m e n tm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢目娃 仍年f 月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密0 ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 | 不保密吖 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者虢惘喜乏 劢湃f 月 指导教师签名：瑰忱干 伊砗6 月。日 。 7 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 城市燃气管网系统是向城市居民、公共建筑、小企业等各类用户 供应燃料和原料的复杂系统。城市是国民经济、文化、政治的中心， 人口密集，公共设施众多，城市燃气管网的安全运行关系到城市国民 经济的健康稳定发展。 城市燃气管网输送的介质是易燃易爆的可燃介质。当今中国城市 正处在一个高速发展的时期，市政建设如火如荼。由于城市燃气管网 向大容量、大规模、多压力级制的方向发展，这使得城市燃气管网的 突发灾害事故对城市公共安全的威胁巨大。且城市燃气管网一般埋在 地下，检测、监测困难，维护成本大。无论新建管网还是老的管网， 都存在着泄漏和破裂的危险，可能导致中毒、火灾、爆炸等重大突发 性公共安全事故。随着我国天然气工业的不断发展，天然气管道输送 在国民经济中占有极为重要的战略地位。 我国目前己累计铺设的油气输送管线多于2 0 0 0 0k m ，如此大量的 管线埋设地下，外部长期可能受到土壤介质、杂散电流的腐蚀，内部 受到含有也s ，c o ：、c 1 1 等的油、气、水的腐蚀，尤其在防护措施损 坏处，常有发生穿孔、泄露和开裂。特别是在高压下工作管线一旦破 裂，会引起火灾，爆破等灾难性事故，尤其是通过人口稠密地区的管 网发生事故，其后果就更为严重u 1 。 由于历史、技术、管理等原因，我国压力管道存在着相当严重的 缺陷，同时，压力管道所承受载荷也很复杂，除受内压外，它还承受 因自重、附件重及热胀冷缩等原因产生的附加弯矩，管道事故频频发 生。 截至1 9 9 0 年，国内输油管道共发生大小事故6 2 8 次，其中设备 故障事故1 9 0 起，占总事故的3 0 3 ，居第一位，由于腐蚀引起的事 武汉t 程大学硕十学位论文 故为1 3 4 起，占总事故的2 1 3 ，居第二位比3 。1 9 7 1 年5 月，四川威 ( 远) 成( 都) 输气管线应力腐蚀破裂导致爆炸，造成经济损失 7 0 0 0 余万元；2 0 0 4 年全国压力管道事故共1 6 起，其中重大事故1 起、严重事故1 3 起，死亡2 3 人，受伤6 3 人。国外方面，1 9 8 8 年， 前苏联乌拉尔山地天然气干线泄漏爆炸，导致3 0 0 多人死亡，8 0 0 多 人受伤0 1 。对老龄管线进行修复和更换也要花费昂贵的代价，1 9 9 0 年， 阿拉斯加为修复管线花费了1 5 亿美元；1 9 9 1 年，英国北海更换管线 费用为2 6 5 亿美元。美国管道事故的第一位原因是外部腐蚀造成的， 约占5 9 ；第二位的原因是由于第三者破坏造成的，约占2 0 “1 。 鉴于管道重要的战略地位和管道事故危害的严重性以及维修管 道费用的高昂，对含有腐蚀缺陷的管道进行剩余强度评价是非常必要 的，评价的目的就是研究管道上的腐蚀缺陷所容许的最大操作压力以 及在某一操作压力下允许存在的最大缺陷尺寸，从而做出正确的决策 降低运行压力、继续服役或修复或更换等，这样既可避免事故的 发生又可节省维修费用。国外在二十世纪六十年代已经开始了这方面 的工作，并且颇具体系。我国在这方面相对起步较晚，与国外相比差 距较大，没有完整的理论体系，多为借鉴国外的经验，并且在预测的 精度和准确性上有待提高。 另外，国外关于腐蚀管道安全评价的准则很多。例如：美国a s m e b 3 1 g ，英国的r 6 “，挪威船级社的d n vr p - f 1 0 1 呻1 ，加拿大的 c s a - z 1 8 4 - m 8 6 ”1 标准，澳标a s 3 7 8 8 1 9 9 0 附录n 圆柱壳、锥壳和球壳 局部减薄的评定等等。这些标准由于开发的时期不同，评价对象不同， 使用中往往出现不同的评价结果，给使用者造成不必要的麻烦。例如， b 3 1 g 评价中高级钢材管道是就会出现过度保守的情况，导致出现腐蚀 的管线被过旱的更换，造成经济损失。所以本文拟对目前国际上通用 的评价标准进行比较分析。 第一章绪论 1 2 研究现状 1 2 1 评价标准的发展 。 国外在腐蚀管道剩余强度评价方面的研究开始于2 0 世纪甜年代 末。一家专业从事长距离气体输送的管道公司与俄亥俄州及b a t t e l l e 研究所合作开始对管线中各种腐蚀缺陷进行研究，以检验其断裂的初 始行为，其中包括确定导致泄漏和破裂的缺陷尺寸和内压力水平之间 的关系。2 0 世纪7 0 年代早期，美国得克萨斯州东部输气公司和美国 煤气协会( a g a ) 的管道研究委员会合作进行含有各类腐蚀缺陷的压 力管道的管线强度的评估研究。主要采用断裂力学的方法研究了裂纹 缺陷的扩展机理和失效模式以及缺馅评估方法等。在此研究的基础 上，提出了表面缺陷的评估公式，用来计算腐蚀管线的剩余强度。后 来，经过大量的实验，提出了评估腐蚀管线的准则，即b 3 1 g 准则。 1 9 8 4 年，美国机械工程师协会把该准则收录到管道设计规范中，即 a n s i a s m eb 3 1 g 标准。 1 9 8 9 年，美国a g a 的k i e n f e r 和v i e t h 针对b 3 1 g 准则的保守性 进行分析，并对8 6 个具有不同形状缺陷的管道试件进行了实验，根 据研究结果对b 3 1 g 准则进行了修正，得到修正b 3 1 g 准则，1 9 9 1 年， 出版了确定腐蚀管线剩余强度的手册补充部分哺1 。同时，编制了 p c 机程序r e s t r e n g ，该程序最大的特点是采用精确腐蚀面积法， 使缺陷的投影面积表述得更加精确、合理。所以评价的精度大大提高。 随着管道业的迅速发展，高强度大e l 径管道成为必然的发展趋 势，b 3 1 g 标准显然有些落后。1 9 9 9 年，由b g 和d n v 合作开发的 d n v - r p f 1 0 1 标准，充分考虑了缺陷深度的尺寸和材料性质的不确 定性，引入了不同的分项安全系数深度分项安全系数、腐蚀模型 预测分项安全系数等。除内压外，该方法还考虑了轴向应力。此标准 针对中高级钢管道，适用范围可以达到x 8 0 ，对于现代高强度大口径 武汉j ：程大学硕士学位论文 管道的安全评价而言更加适合。 2 0 0 0 年，由美国出版的标准是a p i5 7 9 1 ( 推荐用于合乎使用的实 施方法) 和正在准备的a p i5 8 0 ：2 0 0 0 ”r e c o m m e n d e dp r a c t i c ef o r r i s k b a s ei n s p e c t i o n ”也引起了大家的关注。a p i5 7 9 的工业背景是石油 化工承压设备，其特点是更多反映了石油化工在役设备安全评估的需 要。美国初期的承压设备标准主要是关于新设备的设计、制造、检验 的规则，并不提及在役设备的退化和使用中发现的新生缺陷和原始制 造缺陷的处理问题。a p i5 7 9 就是为此组织制定的，以保障老设备继 续工作的安全：以提供良好的合乎使用的评定方法；以保证给出坚实 可靠的寿命预测：以帮助在用设备的优化维修及操作；以保证旧设备 有效利用提高经济服务的期限。这一规程和即将发表的a p i5 8 0 的结 合将能提供风险评估、确定检验的优先次序和维修计划。a p i5 7 9 与 其它标准不同之处是不仅包括在役设备缺陷安全评估，还在很广范围 内给出在役设备及其材料的退化损伤的安全评估方法。在a p i5 7 9 中 包括了以下几类缺陷的评价：均匀腐蚀，局部减薄、槽坑缺陷、点蚀、 鼓泡及分层缺陷等。其第五章部分详细的介绍了各种体积型缺陷的评 定方法。 美国材料性能委员会( m p c ) 组织了2 8 家石油公司和研究所参 与研究的大型项目“石油化工设备适用性评价程序”，简称m p c f f s ， 其中包括管线的剩余强度评价，该项目的研究重点和创新之处就在于 体积型缺陷的完整性评价方法。该推荐方法目前多用于石油化工企业 的管道评价。 1 2 2 有限元方法的应用 在有缺陷管道的有限元数值模拟方面，1 9 9 1 年，w a n gy u n g - s h i h ， 在有限元分析的基础上，提出了一种用弹性极限原则来评估管线剩余 强度的方法“。用有限元方法分别计算腐蚀管道在内压，轴向载荷和 第一章绪论 弯矩作用下的应力集中系数，再利用已有的方法计算完好管道的各向 应力，然后得到腐蚀区的应力状态，计算出最大m i s e s 等效应力。如 果最大m i s e s 等效应力不大于材料的屈服强度，则认为是安全的，否 则失效。w a n g 的研究表明，用这种方法得到的结果和试验结果相比， 存在一定的保守性，但要比b 3 1 g 准则预测的结果准确。 加拿大滑铁卢大学机械工程系的b a c h o u c h a o u i & r j p i c k “”，在 1 9 9 2 年和1 9 9 4 年分别进行了关于含有环行排列和沿轴向排列蚀坑的 管道的极限承压能力研究，该研究也是利用a b a q u s 有限元计算软 件。蚀坑的形式包括单独的蚀坑，分别沿环向和轴向排列的蚀坑群。 通过将计算结果和水压实验结果加以比较，总结出了在多个蚀坑的情 况下，管道极限承压能力的状况。 加拿大d - h b m o r k & r j p i c k 等“羽在1 9 9 0 年进行了关于含有螺旋 形缺陷的管道的极限承压能力的分析。在此项研究中，他们采用了 a b a q u s 计算软件，针对任意角度的螺旋形缺陷，分析了缺陷的深 度、长度、宽度以及螺旋角度对管道的剩余强度的影响。指出了a s m e b 3 1 g 方法中关于含有长的螺旋焊缝管道剩余强度的判定方法过于保 守，并且提出螺旋修正系数的概念。 在1 9 9 7 年美国阿拉斯加管道服务公司、m f k 咨询公司、和西南 研究院的工作人员，进行了全尺寸腐蚀管道在组合载荷作用下的数值 模拟“。他们通过应用a b a q u s 软件，开发了预测组合载荷作用下 的输油管道的复杂的有限元程序。从爆破实验数据和模拟的结果来 看，二者有着较好的一致性。这些一致性不仅表现在失效时的压力和 弯矩的预测，还表现在可以比较准确的预测确定失效的位置和解释失 效的机理。 f ub i n “耵于1 9 9 6 年，针对近海油气管线由于腐蚀而产生的问题 进行研究，采用a b a q u s 软件模拟计算管道在内压作用下的极限承 压能力，应用材质为x 5 2 、x 6 0 、x 6 5 的管道，进行了很多全尺寸爆 武汉工程大学硕士学位论文 破实验，这些腐蚀缺陷包括单独蚀坑、槽状蚀坑、复杂形状的蚀坑。 通过计算模拟和5 6 个全尺寸实验的验证，证明有限元分析方法和相 关的失效内压判定准则能够用来比较准确确定在复杂腐蚀破坏和复 杂操作条件及各种的管道材质下管道的极限承压能力。 1 2 3 我国的研究现状 我国也发布了很多这方面的标准，如含有缺陷管道剩余强度评 价和剩余寿命预测方法研究项目技术研究报告“；化工部1 9 9 5 年 颁布的化工企业压力管道检验规程，钢制管道管体腐蚀损伤评价 方法“，含缺陷压力容器安全评定。国家“八五”科技攻关课题 为：压力容器极限与安定性分析及体积型缺陷安全评估工程方法研 究。“九五”期间，国家质量技术监督局锅炉压力容器检测中心主持 的国家重大科技攻关项目对含局部减薄缺陷压力管道的评定方法进 行了全面研究，其成果编入了g b t1 9 6 2 4 - - 2 0 0 4 在用含缺陷压力 容器安全评定附录h 【”1 。中国石油大学提出了基于腐蚀缺陷检测的 管线可靠性整体评价与预测方法，将有限元数值模拟、断裂力学和损 伤力学等分析方法引入在役管道的失效分析中，提高了管道安全评价 的准确程度和预测功能“，其研究成果广泛用于秦京输油管道、陕京 输气管道等国内重要油气输送管道的安全维护，取得了显著的经济效 益。 蔡文军等利用a n s y s 软件对腐蚀管线的剩余强度进行非线性有 限元分析n ”。作者采用规则的轴向沟槽来近似模拟轴向腐蚀区，将预 测结果与b 3 1 g 预测结果进行了比较，证明用此方法对腐蚀管线的剩 余强度进行评估是可行的，能得到比较准确的结果，并说明了内腐蚀 和外腐蚀对管线剩余强度的影响没有太大的差别。 沈士明提出了以a d i n a 与s u p e rs a p 相结合的计算程序计算腐 蚀管道的极限载荷“。利用s u p e rs a p 的优异的数据前后处理能力来 第一章绪论 弥补a d i n a 的不足。计算时采用* c o n - m i s e s 屈服准则，同时结合含 人工缺陷管道的四点弯曲实验结果，得到了含不同球型蚀坑缺陷的压 力管道在内压和弯矩联合作用下的极限弯曲载荷，这个实验确定的管 道极限载荷与有限元计算结果基本一致，其最大误差为7 3 2 。在此 基础上，参照含球型凹坑的压力容器在内压作用下极限载荷的处理方 法和美国a s m e 标准中的相应规定，提出了在役含缺陷管道的工程 安全评定方法，可用于在役含腐蚀球形凹坑缺陷的压力管道的安全评 定。 赵新伟采用有限元数值分析软件m s c a r i e s 软件进行前后处 理，包括建立几何模型、边界条件、网格划分和计算结果处理。利用 n a s t r a n 软件中的非线性模块，计算不同内压下的v o nm i s e s 应力 分布，分析蚀坑间距改变对管道极限承压能力的影响规律乜“。并由此 确定两近邻轴向蚀坑和两近邻环向蚀坑产生交互作用的有效距离。 在我国，利用有限元方法进行腐蚀管道评价还是比较新的内容， 远不如国外发展的技术那么成熟，在有限元计算的精度上还不够高， 另外，对于复杂缺陷、螺旋腐蚀、弯矩及轴向应力等方面的研究刚刚 起步。 1 3 本论文的研究内容和方法 目前，对含体积型缺陷腐蚀管道剩余强度的评价大致有以下几类 方法：基于断裂力学经验公式的评价准则，如b 3 1 g 、d n vr p f 1 0 1 等评价标准；实验法即全尺寸水压爆破试验，此种方法结果准确，但 是费用昂贵；有限元法，利用有限元软件如a n s y s 、a b a q u s 等。 有限元方法综合考虑了腐蚀缺陷的形状和材料参数，计算的结果更加 合理，更接近实验值。 本论文将选取b 3 1 g 、d n v 二种评价准则进行回顾和分析，开发 了含缺陷管道的剩余强度评价模块，并结合国外水压爆破数据进行验 证和计算分析。另外，采用大型通用有限元分析软件a n s y s 对水压 武汉工程人学硕士学位论文 爆破实验的含缺陷管道进行非线性模拟计算，并和实验结果比较。最 后，利用有限元计算结果，定量地研究了几种典型体积型缺陷的长度、 宽度、深度变化对评价结果的影响。 第2 章腐蚀管道剩余强度评价标准综述 第2 章腐蚀管道剩余强度评价标准综述 1 8 2 0 年，英国铺设了第一条铸铁管道用来输气；2 0 世纪2 0 年代 开始，钢质管道在美国开始使用；4 0 年代，由于二战的需要，美国开 始大量铺设长输管道。到了6 0 年代末期，很多管道由于腐蚀而导致 失效、泄漏，造成事故频发、维修费用剧增。为了探求腐蚀损伤达到 什么程度才需要修补或更换，美国多家输气公司和研究所合作开始了 关于腐蚀管道剩余强度评定的研究。到目前为止，世界上很多国家都 已经出台了相关的评价规范。这些规范形成于不同时期，并且研究的 管道强度也不尽相同，各有特色。本论文重点选用b 3 1 g 和d n vr p f 1 0 1 进行分析。 2 1 管线腐蚀的类型 腐蚀缺陷主要分为三类：体积型缺陷、平面型缺陷( 裂纹) 、弥 散损伤型缺陷( 氢致鼓泡和氢致诱发型裂纹) 。体积型腐蚀缺陷包括 一般性腐蚀和局部腐蚀( 局部减薄) 。一般性腐蚀是指管线上大部分 发生腐蚀情况。局部腐蚀主要是发生在管线的某一小部分，包括： 点蚀( 图2 - 1 ) ：腐蚀面积小，严重情况下会造成穿孔情况。在点 蚀中，深度的影响最大。 沟槽型腐蚀( 图2 - 2 ) ：分为环向和轴向两种。 焊缝腐蚀( 图2 - 3 ) ：存在于焊缝的腐蚀，是目前国内外学者研究 的重点。 螺旋型腐蚀( 图2 - 4 ) ：腐蚀缺陷与管线的轴向成一定的角度。螺 旋型腐蚀的评估比轴向腐蚀要复杂一些，国内外很多学者对螺旋腐蚀 进行了研究，分析螺旋角的影响。 另外，有些管段上同时存在的缺陷由于距离较近会发生交互作 用。这些缺陷分为： 武汉工程人学硕七学位论文 ( i ) 环向排列缺陷指沿管段的环向分布，缺陷中间以全壁 厚管段相隔，投影在轴向上重叠( 图2 5 一a ) 。 ( 2 ) 轴向排列缺陷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( 图2 5 b ) 。 ( 3 ) 交叠排列缺陷指在一较长较浅的缺陷内部有一个或多 个较深的蚀坑( 图2 - 5 一c ) 。 图2 - i 点蚀 a 轴向沟槽腐蚀 图2 - 2 b 环向沟槽腐蚀 沟槽腐蚀缺陷 图2 - 3 焊缝腐蚀 腐蚀区 图2 4 螺旋腐蚀 第2 章腐蚀管道剩余强度评价标准综述 ( a ) 环向捧列缺陷( 平面图)( b ) 轴向排列缺陷( 剖面图) ( c ) 交叠排列缺陷( 剖面图) 图2 - 5 交互作用腐蚀缺陷 本论文中主要研究的是点蚀、沟槽状轴向、周向腐蚀和轴向缺陷 中含点蚀缺陷。 2 2a n s i a s m eb 3 1 g ( 确定腐蚀管道剩余强度) 规范 2 2 1 原始b 3 1 g 标准的形成 b 3 1 g 标准是评估腐蚀管道的最初的和最基本的方法，它是一些评 价标准的基础。其前身是基于断裂力学的n g - 1 8 表面缺陷计算公式， 表达式为： p 一宰陲1 ， 式中：p ：爆破压力 ：原始面积a - l t l ：腐蚀缺陷轴向投影长度( 参见图2 6 ) a ：腐蚀缺陷的轴向投影面积 1 1 土。i + 萝红。亏 武汉1 ：稃大学硕十学何论文 o a 。：流动应力 d ：管线外径 t ：管线名义壁厚 m ：鼓胀因子 射- 1 1 2 5 1 ( l 2 ) z 0亟054(l2) ( 2 - 2 ) 国2 6 缺陷面积 经k i e f n e r 所作的验证表明，该公式也可用来评估腐蚀管线的剩 余强度。所以在n g 一1 8 方程的基础上提出了b 3 1 g 标准。该标准以下 列假设为前提： ( 1 ) 假设管最大圆周应力= 管材的屈服强度 ( 2 ) 假设流动应力为1 1 s m y s ( 最小屈服强度) ( 3 ) 利用投影面积a 来表达腐蚀区金属损失的面积：对于较短的 缺陷，投影面积近似为为抛物线形即2 3 d l ；对于较长的缺陷，投影 面积近似为为矩形即d l 。其长短的判定准则为： 当瓦 4 4 8 时，为长缺陷，用矩形面积模拟。 如图( 2 7 ) ： 图2 7 缺陷面积简化 则：丢一2 _ 3d ，此时丽“。且0 1 d t 0 8 丢t 手 此时o 8 ( 知2 ( 争，4 o 且0 1 献 4 ) ，则： p u , o - a , ) ( 2 1 2 ) 图2 - 8 为b 3 1 g 准则评估腐蚀管线剩余强度的流程图。 1 4 笙! 雯壁丝笪堂型叁堡壁堡笪堡堡堡垄 图2 - 8 ：b 3 1 g 准则的流程图 2 3 修正b 3 1 g 标准 2 。3 1 各相关参数修正 实际应用中，人们逐渐发现b 3 1 g 过分保守，它所预测的失效压 力低于实际压力很多。虽然这样的预测结果在工程使用上比较安全， 但是另一方面也造成了不必要的经济浪费。所以其保守性问题引起很 多学者的关注。经过研究人们总结出b 3 1 g 保守性的来源大致为陴1 ： ( 1 ) 流动应力表达式 武汉工程大学硕士学位论文 ( 2 ) f o l i a s 系数的近似表达 ( 3 ) 金属损失面积的近似表达 ( 4 ) 原始表达式主要的限制是未考虑蚀坑间及蚀坑边缘的全壁厚 或近似全壁厚管段的强化作用的影响。 针对这些保守根源，很多学者提出改进方案1 ，不过这些修正都 没有从根本上改变公式的形式。 ( 1 ) 流动应力的改进 口即= 1 1 s j l l s ( k i e f n e r 。1 9 7 4 ) 口肛= 1 1 5 s m y s( s h a n n o n “1 9 7 4 ) a 胁= 0 5 ( s m y s + s m t s )( b r itis hs t a n d a r d s ，1 9 8 0 ) 仃肋= s m y s + 6 8 9 5m p a( k i e f n e ra n dv i e t h 矧，1 9 8 9 ) 盯肛。旷s m t s ，a 0 9 ，1 0 ，或1 1 ，s m t s 为规定最小拉伸强 度。( s t e w a r t ，k l e v e r ，r i t c h i e 1 9 9 4 ) 原始b 3 1 g 公式中的流动应力将s m y s 值提高到了1 1 0 ，但实 质上还是低估了管材的屈服应力。修正后的标准中将流动应力值定义 为s m y s + 6 8 9 5 m p a ，臣口： s 伽= s m y s + 6 & 9 5 m p a ；s m y s + 1 0 0 0 0 p s i ( 2 - 1 3 ) ( 2 ) f o l i a s 系数的改进( k i e f n e ra n dv i e t h 4 1 ，1 9 8 9 ) 如i 1 251(l2)2亟0054(l2) ( r d t 5 0 ) m ，- 0 0 3 2 鲁+ 3 3 ( ：二汹o ) ( 2 - 1 4 ) ( 3 ) 金属损失面积的确定方法的修正 在原始b 3 1 g 标准中，采用了抛物线和矩形两种形状来表征腐蚀 缺陷的面积。但是缺陷处金属损失的形状是很复杂的，对腐蚀坑深度 剖面测量的越细致，则对金属损失的描述越真实。过去简单的使用最 大深度和最大长度来描述肯定是不合理的。有人提出了下面三种确定 第2 章腐蚀管道剩余强度评价标准综述 面积的方法： ， a 、精确面积法 测量腐蚀缺陷，然后绘制腐蚀面积的等高线图，根据此等高线图， 得到准确的剖面图。在剖面图上，沿轴向间隔相等的距离f 测量腐蚀 区的深度d i ，假设测量n + 1 次，得到n + 1 个深度值d o ，d 1 - d n ，这样就 可以通过计算每个小梯形的面积得到腐蚀区的损失面积，公式如下： 叫警) + z ( 警) r ( 华) ；叮警+ 剐$ 式中：a 是金属损失面积；z 为两次深度测量的间隔；d i 为第i + 1 次测 量的深度值；d 0 、d n 为腐蚀区两端出的深度。在理想情况下，d 0 、d n 为零，这时有： 爿；4 刀z 一即比哪一厶删d 哪 ( 2 1 0 3 j _ ， 一6。5 、。 可以看出，腐蚀区的精确金属损失面积可以用一个长方形的面 积来代替，腐蚀区的总长度和平均深度的乘积。 b 、等效面积法 把式( 2 - 1 6 ) 作变换即可得到另一种计算方法： 4 = k 脚归。v f 2 1 7 ) 这里k 称为等效长度，可表示为：k = ，杠哪dj ( 2 1 8 ) c 、有效面积法 、 对不规则的腐蚀缺陷，根据缺陷的总面积和总长度得到的管道的 强度常常不是最小值。有效面积法是分别对一系列连续腐蚀缺陷的每 一个梯形截面计算出管段的失效压力，把其中最小的失效应力作为管 道的失效压力。 武汉工程大学硕士学位论文 图2 - 9 有效面积 ， 如图( 2 9 ) ，可以计算出1 0 个不同的损失面积。每次计算包括 工j 上2 ，；厶，f - 1 ，2 ，1 0 。每次计算得到的面积是厶范围内由不同深度 的点形成的梯形面积的总和。这种方法是以有效面积和有效长度为依 据。该方法要求细致的测量，工作很大。为了快速计算，人们开发出 p c 程序一r s t r e n g ，同时为了手工计算的方便，提出了一种更加 方便、简单、理想的表达方式，即采用o 8 5 d l 代替2 3 d l ，如图( 2 1 0 ) 。 所以，在修正b 3 1 g 标准中，腐蚀面积表达式为： a = 0 8 5 d l ( 近似值，矩形和抛物形的平均值)( 2 1 9 ) 结合前面公式( 2 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) ，得到的修正b 3 1 g 的表达式： 艮字i 毳 、 该修正表达式被收录到1 9 9 1 年版的b 3 1 g 标准中，称为修正b 3 1 g 。 2 3 2 修正酪1 g 标准的应用 第2 章腐蚀管道剩余强度评价标准综述 修正b 3 1 g 公式也规定：最大缺陷深度为管道名义壁厚的8 0 ，而 缺陷深度为壁厚的1 0 以下时可以忽略。用改进的b 3 1 g 准则评估腐 蚀缺陷时，可以得到比原准则更接近实际的结果，改进了原准则在面 积计算方面的不连续性，但是对于螺旋腐蚀、焊接腐蚀、环向腐蚀等， 所得结果不理想。 改进的b 3 1 g 准则还考虑了相邻腐蚀的交互作用，给出了三类交 互作用腐蚀缺陷( 见图2 - 5 ) 的处理方法及发生交互作用的临界间距。 ( i ) 对于环向排列的缺陷：腐蚀间距的间隔小于6 倍壁厚时，可以忽 略交互作用，将这些缺陷看作一个缺陷来考虑，腐蚀的长度是总长度 l 。( ) 对轴向排列的缺陷：当腐蚀间的距离小于2 5 4 衄时，可以将 这些缺陷看作是一个连续的缺陷来考虑，长度等于总长度l 1 + l 2 + l 3 。 当间隔大于2 5 4 m m 时，应该单独进行考虑。( ) 交叠缺陷，处理方 法有两种： ( 1 ) 用有效面积法计算腐蚀区的金属损失面积，根据改进的b 3 1 g 准则进行评估。 ( 2 ) 把浅的腐蚀区处的壁厚当作管道的壁厚，用b 3 1 g 准则或改进 的b 3 1 g 准则评价短而深的腐蚀，腐蚀的长度为短而深的腐蚀缺陷的 长度l 2 。 2 - 3 3 各修正参数对评价结果的影响 为了验证各参数修正对评价结果的影响，利用国外多个数据库数 据进行了计算。 ( 1 ) f o li a s 系数的影响 对公式( 2 - 3 ) 而言，当流动应力和尺寸等条件相同时，对评价 结果有影响的仅仅是中括号内的部分，所以将此部分称为减速比。从 上图可以得出：对于短缺陷f o l i a s 系数对计算结果的影响较小，但 是随着缺陷的增长，f o l i a s 系数的影响变得明显。 武汉工程大学硕士学位论文 图2 - 1 1 同一尺寸f 不同m 值对压力预铡的影响 ( 2 ) 缺陷面积计算方法的影响 缺陷面积的定义有三种方式，在图2 1 2 中可以看出，当其它条 件相同时，取不同的面积定义方法对失效压力预测值的影响。由图可 见，0 8 5 d l 的计算结果介于抛物线形和矩形之间。 图2 1 2 中表明了选用原始b 3 1 g 公式计算失效压力与完全选用 三种面积表达式计算失效压力时的结果差异。可以看出当量长度因子 五i 4 4 8 时，计算结果则十分接近矩形，这也表明对 于长缺陷而言，选用抛物线面积公式计算失效压力具有一定的局限 性。原始的b 3 1 g 标准要求根据当量长度范围的不同来确定采用不同 的面积公式进行计算。而采用0 8 5 这个系数时，则避免了这个问题， 使计算更加容易和合理。 2 0 1 1 1 0 0 g u o 0 8 倒 餐 0 7 0 6 0 5 0510 1 52 02 5 l s q r t ( e x ) 图2 1 2b 3 1 g 以及不同的面积定义对减速比的影响 ( 3 ) 流动应力的影响 o o o 00 50 1 0 0 1 52 0 缺陷深度o n ) p 1 ，s m y s + 6 8 9 5 m p ap 2 ti i s m y s 如，1 1 5 s m y s 1 4 ，s m t s 图2 1 3 流动应力的选取对压力预测结果的影响 从上图可以看出当流动应力从1 1 s m y s 变到s m t s 时，预测的 isd)r幽教水 武汉工程大学硕士学位论文 失效压力发生了显著的变化，可见流动应力的选择对失效压力的预测 结果是有很大影响的。有学者指出，引起失效压力预测结果差异的主 要因素就是流动应力的定义啪1 。 2 4 原始b 3 1 g 标准与修正b 3 1 g 标准比较 修正后的b 3 1 g 标准保守程度大大降低，预测结果更加接近实际。 笔者通过计算验证了这一点。在图2 一1 4 中，显示了分别利用修正前 后的b 3 1 g 公式计算的失效压力的差别。 2 5 2 0 罡1 5 乏 v r 田1 0 簌 水 5 0 3 005 06 0 算例标号 图2 1 4 修正前后b 3 l g 计算结果比较 图中的x 轴的缺陷样本号是按照钢号由小到大排列的。样本号 1 胡的钢号值为x 4 2 ：样本号1 0 一2 7 的钢号为x 4 6 ；2 8 3 3 钢号为x 5 2 ： 3 4 - - - 4 0 钢号值为x 5 5 ，4 1 _ 5 4 为x 6 0 ，5 5 6 3 为x 6 5 。1 加号数据出 自文献f 3 0 】：4 1 4 9 号出自文献 3 1 1 ；5 0 5 5 号出自文献 3 2 1 ；5 6 - 6 2 号出自文献 3 3 1 ；6 3 号出自文献 3 4 】( 详细数据可见附表1 ) 。通过 比较可以看出：修正后b 3 1 g 计算的压力值比修正前公式计算的值有 明显提高，可见，修正后的b 3 1 g 保守程度降低。 第2 章腐蚀管道剩余强度评价标准综述 2 5b 3 1g 标准的局限性及改进 该标准的开发基于低强度钢，半经验公式，只适用于内压作用下 的薄壁管道( o 2 5 i n - 0 5 0 m ) ，没有考虑环向尺寸，并且要求失效应力不 小于1 0 0 s m y s 。对于现代的高强度高韧性钢，明显的不适应。 很多学者对b 3 1 g 的局限性作了进一步的研究，这些研究在一定 的程度上弥补了b 3 1 g 的不足： ( 1 ) 轴向载荷和弯矩的影响。b 3 1 g 中只考虑了内压作用，没考虑 这两者的影响。通过有限元方法研究表明，轴向载荷对管线失效有影 响，轴向拉伸应力可以延迟管线的屈服和破坏，而压缩应力则加速管 线的屈服，降低管线的承载能力。对于内压作用的情况，轴向载荷降 低了管线的失效压力；但是拉伸载荷是有益的，当它小于管线屈服强 度的6 0 时，影响不大；当大于屈服强度的6 0 时，轴向拉伸载荷是 很重要的。管道弯曲时，则有很高的轴向拉伸应力，此时利用b 3 1 g 准则评估将得到不保守的结果，在这种情况下应