基于BS7910的含焊接缺陷管道的评定方法

化工企业的压力管道及长距离油、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,进而引起管道局 部或大范围被破坏,造成巨大财产和人员损失。2000年共发生了13起重大的压力管道爆炸事 故,例如广西省某石油分公司,由于管道焊接质量低劣,导致石油泄漏着火爆燃,9人死亡,6人 受伤,直接经济损失达400万元。这就足以引起人们对管道的安全运行给予高度重视<1>。因 此管道焊接缺陷评定对于管道的安全运行具有重要意义。早在1968年,国外就提出应制定基于“合于使用”(fitnessfor purpose)的结构缺陷接受准则。“合于使用”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R6<2>、API579<3>、BS7910<4>以及最新的SINTAP<5>等。随着我国化学工业的发展,深入了解、研究这些评定技术对制定我国自己的管道标 准将具有极大的参考价值。1国外缺陷评定规范的新进展1.1API579标准近年来,美国结 构完整性评定技术也有很大发展,在规范中最引人注目的就是已出版的API579(推荐用于合乎使用的实施方法)和正在准备的API580:2000“Recommendedpracticeforriskbaseinspection”。R6、BS7910的工业背景主要是 电站(包括核电)及海洋石油平台,它们的发展主要反映了缺陷的断裂评定技术(包括塑性失效评 定)和疲劳评定技术的发展。而API579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的安全评估。1.2CEGBR6失效评定准则英国中央电力局(CEGB) 提出的R6评定准则是一个双判据准则,该准则经历了4次修订。1976年英国CEGB发表了 题为“带缺陷结构完整性评价”R/H/R6报告,给出了一条失效评定曲线,1977年作了第 一次修订,1980年又进行了第二次修订,1986年第三次修订是一次极为重要的修订,对老 R6曲线作了彻底地修改,以J积分取代窄条区屈服模型,给出了3条失效评定曲线。关于塑性失 稳载荷的计算,将1986年以前的以材料的流变应力为基础改为以材料的屈服强度为基础。而最 近的一次修订是在2001年,是由英国BritishEnergy(英国核电公司)、BNF L(英国核燃料公司)及AEA(英国原子能管理局)组成的结构完整性评定规程联合体下的R6 研究组编制的。R6第3版后已陆续地增补了10个新附录,由于近年来断裂力学评定技术的发展 特别是欧洲工业结构完整性评定方法(SINTAP)、英国BS7910和美国API579的 出现,R6研究组决定对R6作了全面修改,于2001年颁布了第4次修订版。1.3欧洲工业结构完整性评定方法(SINTAP)SINTAP(StructuralIntegrityAssessmentProceduresforEuropeanIndustry)是由欧洲多个国家、企业资助, 于2000年发布试行的最新欧洲统一工业结构完整性评定标准。该标准对脆性断裂、延性撕裂和 塑性失稳等都有表述。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l基 本评定;水平2失配评定与水平l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l0%;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5J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。1.4BS7910标准PD6493:1991已与PD6 539:1994(高温评定方法)合并,根据它们近10年来研究成果,包括SINTAP的欧 洲统一安全评定方法的研究成果,于2000年发表了修正版,称为BS7910:1999,规 范名称改为“金属结构中缺陷验收评定方法导则”。笔者将采用BS7910的评定路线,研究含 焊接缺陷管道的评定方法。2含焊接缺陷管道的评定2.1常见的管道焊接缺陷焊接缺陷可定义为 不完善焊接施工所造成的有碍焊件使用性能的不连续。在管道施工中出现较多的焊接缺陷包括:裂 纹、气孔(孔穴)、夹渣(固体夹杂)、未熔合、未焊透和形状缺陷6种。其中形状缺陷包括咬边 、错边、焊缝成型不良等。2.2评定中所需要的基本数据管道焊接缺陷的评定要求有下列的相关 数据:(1)缺陷的性质、位置及方向;(2)管道及焊缝尺寸、制造工序;(3)应力(压力、 热应力、残余应力或由其它的机械载荷产生的应力)和温度;(4)屈服应力或产生0.2%应变 的应力,拉伸强度及弹性模量(在某些情况下,要求有完整的工程应力-应变曲线);(5)断裂 韧性(KIC、J或CTOD)数据;2.3BS7910的断裂评定总则BS7910有三级水 平的断裂评定。选择哪一级水平取决于所涉及的材料、可获得的输入数据以及所要求的保守程度。 三级水平如下所示。(1)水平1是一种简化的评定方法,适用于材料性能的数据有限的情况。( 2)水平2是正常的评定路线。(3)水平3适用于塑性材料,并且能进行撕裂阻力分析。BS7 910采用基于断裂力学原理的失效评定图(FAD)来进行评定,如图1所示。FAD的纵轴表 示有关断裂力学的施载条件的比率。而水平轴表示引起塑性失稳所需的施加载荷的比率。图上有一 条评定曲线。缺陷的计算提供了评定点的坐标或评定点的轨迹。这些点或轨迹的位置与评定曲线的 比较可确定缺陷的可接受性。即使初始的评定表明缺陷是不可接受的,仍可能证明出缺陷是可接受 的,但这要求提高输入数据的质量或采用更高级别的评定水平。平面缺陷用其外接矩形的高度和长 度来表示。这些尺寸(见图2)如下:穿透裂纹为2a;表面裂纹为a和2c;深埋裂纹为2a和 2c。如果存在多个缺陷,必须用原始缺陷尺寸检查每个缺陷与其相邻缺陷的相互作用。图1BS 7910的失效评定图图2缺陷尺寸各级评定所需的材料性能就是那些缺陷存在的区域,如母材、 焊缝金属或热影响区。当母材与焊缝的屈服强度相差超过25%时,必须特别考虑所用的断裂韧性 。BS7910附录I对热影响区作了附加的要求,并讨论了强度不匹配对缺陷评定的影响。各级 评定都给出了确定断裂趋势的两条路线。即基于应力强度因子K或基于裂纹张开位移(CTOD) δ,它们以FAD上坐标的形式出现。δr使得Kr与δr可以画在相同的坐标轴上。在任一级评 定中,必须始终如一地使用同一条路线。2.4水平1-简化的评定这是一条简化的评定路线,可 用于材料性能或施加的应力信息有限的场合。它包含两种方法,水平1A和水平1B。对施加的应 力、残余应力和断裂韧性采取保守的估计。水平1A:失效评定图(FAD)见图1。由坐标轴与 评定线所围的面积为矩形。如果Kr或δr小于1/2(即0.707)以及Sr小于0.8,则 缺陷是可接受的。水平1B:人工估计。BS7910附录N给出了不用到FAD的人工估计方法 。所用到的应力为最大拉伸应力σmax,其值等于ktmPm+ktbPb+kmPm+Qm+ Qb。应力强度因子KI有下列的一般形式:KI=(Yσ)(πa)(1)而Yσ=MfwMm σmax(2)其中:M和fw分别是鼓胀修正因子和有限宽修正因子;Mm是应力强度放大系数 。BS7910附录M给出了各个系数的解法。而Kr是应力强度因子KI与断裂韧性Kmax之 比。裂纹张开位移(CTOD)δI,是由KI通过下列式子求得:(1)对于σmax/σr0 .5钢(包括不锈钢)和铝合金钢以及σmax/σY为所有比率的其它材料:δI=K2IσY E(3)(2)对于σmax/σY>0.5钢(包括不锈钢)和铝合金钢:δI=K2IσYE (σYσmax)2(σmaxσY-0.25)(4)而δr是δ1与断裂韧性δmat的比值 。载荷比率Sr是由参考应力σref除以流变应力σf得到的。2.5水平2-正常评定这是一 般采用的正常评定路线。有两种方法。每种方法各有一条由曲线方程和截断线组成的评定线。如果 评定点落在由坐标轴和评定线围成的区域内,则缺陷是可接受的。为获得必要的可靠度,对于缺陷 尺寸、应力须乘上偏安全系数,断裂韧性和屈服强度须除以偏安全系数。本级评定是基于单一的断裂韧性值。对于延性撕裂的全部分析,就要求用水平3。水平2A:通用化的失效评定图,不要求应力/应变数据。描述评定线的方程如下:对于LrLrmax:δr或Kr=(1-0.14L2r)·<0.3+0.7exp(-0.65L6r )>(5)而对于Lr>Lrmax:δr或Kr=0(6)其失效评定图如图1所示,不同的材 料就有不同的截断线。对于应力-应变曲线上有屈服不连续的材料,必须采用截止值Lr为1.0 ,或使用水平2B。水平2B:明确的材料曲线此方法适合各种类型的母材和焊缝金属。其结果比 水平2A精确,但需要更多的数据。要求有合适温度下母材和(或)焊缝金属明确的应力-应变曲线数据。描述评定线的方程如下:对于LrLrmax:δr或Kr=(EεrefLrσY+L3rσY2Eεref)-0.5(7)而对 于Lr>Lrmax:δr或Kr=0(8)εref是由真实应力LrσY得到的真实应变。其典型的FAD图见图1。