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焊接缺陷对管道安全可靠性影响分析

文档作者：王卫东1, 2 文档来源： 1. 中国矿业大学机械工程学院 2. 中石化管道储运分公司供应处,		点击数：	更新时间： 2021年07月07日
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●试验与研究
焊接缺陷对管道安全可靠性影响分析
王卫东1, 2
(1. 中国矿业大学机械工程学院, 江苏徐州221008;
2. 中石化管道储运分公司供应处, 江苏徐州221008)
摘　要: 采用国际通用的双判据法计算分析了焊接缺陷种类和尺寸对管道极限承载能力和抗
断裂能力的影响。计算分析结果表明,缺陷的长度和深度对管道的极限承载能力都有影响,尤
其是深度的影响更加显著。此外,焊接缺陷的存在对管道的抗断裂能力影响较大,特别是错
边、未焊透、未熔合等裂纹类缺陷的复合型缺陷对管道抗断裂能力影响非常大。在管道环焊缝
焊接施工和无损检测时应尽量预防和减少缺陷,尤其是复合型缺陷,最大限度地保证管道的安
全可靠性。
关键词: 油气输送管道; 缺陷; 极限承载能力; 断裂; 安全可靠性
中图分类号: TG404　文献标识码: A　文章编号: 1001- 3938 (2007) 02 - 0027- 03
0　前　言
在长输管线用焊管生产以及现场环焊缝焊接
过程中,不可避免地会产生一些焊接缺陷,这些缺
陷一般可以分为体积型缺陷和平面型缺陷两类。
体积型缺陷主要包括夹渣、气孔、表面凹坑等,平
面型缺陷则主要包括裂纹、未熔合、未焊透以及存
在尖锐夹角的咬边等。这些缺陷的存在严重威胁
长输管线的运行安全,甚至可能导致管线失效事
故。
塑性失稳和断裂是管道失效的两种主要模
式。目前,国际上主要采用极限载荷和断裂力学
分析方法,通过分析管线所含缺陷的种类、大小以
及数量,并结合管线钢管材料性能、管线应力分布
等特征参数,对结构的极限承载能力和抗断裂能
力进行预测分析。欧洲管线研究小组( EPRG)在
此方面开展了一些研究工作,并在新版BS7910
标准中提出了改进分析方法和计算公式[ 1 ] ,美国
材料与试验协会(ASME)也对其B31G标准中有
关结构极限承载能力计算方法进行了改进,并在
进行更深入的研究,以对该标准进一步完善[ 2 ] 。
笔者采用国际通用的双判据法计算分析焊接
缺陷种类和尺寸对管道极限承载能力和抗断裂能
力的影响,最后进行总结归纳。
1　试验材料及分析方法
试验用材料是外径1 016 mm、壁厚14. 7 mm
的X70钢级管线钢管,其化学成分和常规力学性
能见表1和表2。
　　　　　　　表1　钢管化学成分% 　　
材料w (C) w ( Si) w (Mn) w ( P) w ( S) w (Cr)
X70 0. 051 0. 20 1. 56 0. 014 0. 0029 0. 03
材料w (Mo) w (Ni) w (Nb) w (V) w ( Ti) w (Cu)
X70 0. 21 0. 14 0. 045 0. 032 0. 016 0. 18
表2　钢管常规力学性能
材质抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/% 屈强比
X70 638 525 38. 7 0. 82
对管道极限承载能力以及抗断裂能力的安全
性分析,比较成熟而又可靠的方法是采用Kr - Lr
双判据准则。笔者采用的是美国材料性能委员会
(MPC)开发的石油化学工业适用性评价标准程
序及计算机软件PREFIS,该方法类似于英国中央
电力局(CEGB) R6标准第3版的双判据法,其核
心是以弹塑性断裂力学为基础的失效评定图
( FAD)技术。失效评定图上有两条分界线,一条
是失效评定曲线( FAC) ,为弹塑性断裂评定准则;
另一条是以Lr =Lr (max)作为截止线,是塑性破坏评
焊管·第 30卷第 2期 ·2007年 3月 ·27·
定准则。由含缺陷结构的给定状态(如图1中所
示的有关参量)可以计算相应的Kr 和Lr 值,得到
FAD图中的评价点A (Lr , Kr ) 。如果评价点A 落
在边界线之内,则该结构状态是安全的。
图1　失效评价图原理示意图
该方法采用了R6第3版方法1的通用失效
评定曲线,其方程可用式(1)表示:
Kr = (1 - 0. 14L2
r ) [ 0. 3 + 0. 7exp ( - 0. 65L6
r ) ]
　　　　　　　　　　　(Lr ≤Lr(max) ) 　　　(1)
Kr = 0　　　　　　　　(Lr >Lr(max) ) 。
对于没有屈服平台的材料,在Lrmax = Rf /ReL
处切断。其中Rf 为材料的流变应力, ReL为屈服
强度,一般取Rf = (ReL + Rm ) /2, Rm 为抗拉强度;
式中Kr = KI /KC , KI 为裂尖应力强度因子, KC 为
材料断裂韧度; Lr = P /Po , P 为结构所承受的载
荷, Po 为其极限承载能力。
2　焊接缺陷对管道极限承载能力的影响
对于无缺陷钢管,由于不用考虑材料和结构
的不连续性,采用材料力学方法就可以计算管体
结构的极限载荷。有关无缺陷钢管爆破压力计算
方法研究现在已经比较成熟,相关的计算方法也
建立了很多,其中Newton2Raphson公式比较经典
PB = 2Rm t /D (2)
式中: PB —爆破压力;
　Rm —材料抗拉强度;
　t—钢管壁厚;
　D —钢管外径。
油气输送管道中缺陷的存在降低了管道的承
载能力。由于缺陷存在造成焊接截面的不连续而
减少了承载面积,不连续区域的承载能力由两部
分给予补偿: ①剩余韧带组织多承受一些载荷; ②
缺陷两端由于应力集中而承受载荷。以上两部分
的载荷分配为:缺陷长度越小,则两端应力集中部
分承受的比例越大;反之,缺陷越长,表面裂纹底
下的剩余韧带组织承受的比例越大。研究表明,
含裂纹缺陷的高韧性钢管的极限承载能力除了与
材料的强度有关外,主要取决于裂纹的尺寸大小。
为研究裂纹尺寸变化对钢管极限承载能力的
影响,采用MPC2Prefis评价软件计算了在不同外
表面轴向半椭圆裂纹尺寸下,钢管爆破压力的变
化规律(图2) 。由图2 ( a)可见,在裂纹长度保持
不变的情况下,随裂纹深度增加,极限载荷迅速降
低,下降速率约为1 MPa /mm; 当裂纹深度不变
时,随裂纹长度增加,极限载荷则相对变化较慢,
下降速率约为0. 015MPa /mm,如图2 ( b)所示。
图2　裂纹深度和长度对钢管极限承载能力的影响
·28· 焊 　管 　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年 3月 　
　　由图2 ( b)还可看出,裂纹长度对钢管极限承
载能力的影响存在两种不同的情况,即可将裂纹
分为短裂纹和长裂纹。当裂纹长度与钢管壁厚的
比值2c / t < 8时,随裂纹长度的增加,极限载荷下
降较快;当2c / t≥8时,裂纹长度的变化对极限载
荷的影响则基本上保持不变。这一现象主要是因
为裂纹尖端的塑性约束随裂纹长度的增加而逐渐
降低,当裂纹长度达到一定临界尺寸后,随裂纹长
度的继续增加,裂纹尖端的约束保持不变,因而裂
纹长度对爆破压力的影响不再敏感[ 3 ] 。
3　焊接缺陷对管道抗断裂能力的影响
由于野外工作环境恶劣、全位置焊接可操作
性差等原因,管道现场环缝焊接容易造成焊接缺
陷。特别是管道连通死口,由于焊接组对装配问
题,对口时无法进行有效调整,焊接间隙较大,往
往造成较大的拘束应力,焊接时容易产生错边、未
焊透和咬边等缺陷,严重时甚至出现裂纹。
为了分析环焊缝中不同焊接缺陷对管道抗断
裂能力的影响,根据英国标准BS7910《熔焊结构
缺陷验收方法导则》对环焊缝焊接结构中错边、
错边未焊透以及裂纹等情况下的安全性进行了对
比评估分析。在BS7910中,未焊透、未熔合以及
背面凹陷等都视作裂纹类缺陷进行处理。
评价分析时设定管道内压为10MPa,环焊缝
冲击韧性按照60 J 计算。假设该焊口内表面分
别存在错边、未焊透、错边和未焊透同时存在3种
缺陷形式,计算和评估结果见表3。
表3　不同缺陷种类
　对管道安全性影响的评估结果
缺陷类型
缺陷深
度/mm
评估点
(L r , Kr )
临界点
(L r , Kr ) 结论
错边
3. 0
3. 3
3. 5
(0. 57, 0. 90)
(0. 60, 0. 93)
(0. 62, 0. 96)
(0. 57, 0. 939 6)
(0. 60, 0. 930 6)
(0. 62, 0. 923 9)
安全
安全
断裂
未焊透
(无错边)
2. 3
2. 4
(0. 31, 0. 97)
(0. 31, 0. 99)
(0. 42, 0. 986 1)
(0. 42, 0. 986 1)
安全
断裂
未焊透
(错边1. 5 mm)
1. 2
1. 3
1. 4
(0. 45, 0. 92)
(0. 45, 0. 96)
(0. 45, 1. 0)
(0. 45, 0. 968 4)
(0. 45, 0. 968)
(0. 45, 0. 967 5)
安全
安全
断裂
从以上计算结果可见,环焊缝中只有错边存
在时,允许的最大错边值为3. 3 mm;当只存在未
焊透缺陷时,允许的最深未焊透缺陷尺寸为2. 3
mm;当错边和未焊透缺陷同时存在时,在允许错
边值1. 5 mm情况下,保证管道不发生断裂的最
大允许未焊透深度减少为1. 3mm,而第三种情况
是环焊焊接接头中较为常见的缺陷形态。因此,
在管道环焊缝焊接施工和无损检测时都应该加以
注意,尽量预防和减少复合缺陷的产生,并能准确
检测出存在的复合缺陷,这样才能最大限度地保
证管道的安全可靠性。
4　结　论
通过焊接缺陷对管道极限承载能力和抗断裂
能力的分析计算,得出以下结论:
(1)含缺陷输送管道极限载荷计算表明,缺
陷的存在对管道的极限承载能力有较大的损伤。
缺陷的长度以及深度对管道的极限承载能力都有
影响,但是深度的影响比长度大。
(2)焊接缺陷的存在对管道的抗断裂能力影
响较大,特别是错边和未焊透、未熔合等裂纹类复
合型缺陷,对管道抗断裂能力影响非常大。
(3)在管道环焊缝焊接施工和无损检测时都
应尽量预防和减少缺陷,并能准确检测出存在的
缺陷,尤其是复合型缺陷,这样才能最大限度地保
证管道的安全可靠性。
参考文献:
[ 1 ]BS7910: 2003, Guidance on SomeMethods for the Deriva2
tion of Accep tance Levels for Defects in Fusion Welded
Joints[ S].
[ 2 ]ASME B31G—1991,Manual for Determination the Re2
maining Strength of Corroded Pipelines[ S].
[ 3 ]AHAMMED M,MELCHERS R E. Reliability Estimation
of Pressurized Pipelines Subject to Localized Corrosion
Defects[ J ]. Ves. &amp;amp; Pip ing, 1996 (69) : 267 - 272.
作者简介:王卫东(1968 - ) ,男,工程师,中石化管道储运
分公司供应处材料科科长,中国矿业大学机械工程专业
在职硕士研究生。
收稿日期: 2006 - 11 - 16
　第 30卷第 2期 　　　　　　　　　王卫东:焊接缺陷对管道安全可靠性影响分析 ·29·
tion in the ERW forming are obtained. Through the research and analysis of ERW forming, geometric and physical deformation da2
ta in the ERW forming p rocess are obtained,which p rovide useful information and essential data for the design of ERW p roduction
line.
Key words: ERW forming; longitudinalwelded p ipe; strip deforming graph; finite elementmethod
Influence Ana lysis on Pipeline Secur ity &amp;amp; Reliab ility byWeld ing Defect
WANGWei2dong
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200272EA
Abstract: It analysis the influence of type and size of welding defects on utmost carring capability and anti2fracture p roperty of
welded p ipe by double2criterion method, and the results of calculation and analysis indicates that the length and width of defects
have great influence on utmost carrying capability, in additional, p resence of welding defects, especially comp lex defect such as
offset, non2penetration and non2fusion exercises a great influence on anti2fracture p roperty of p ipeline, so welding defects, especial2
ly comp lex defects shall be p revented and reduced during p ipe construction and non2destructive inspection to ensure security and
reliability of p ipeline.
Key words:oil &amp;amp; gas transmission p ipeline; defect; utmost carrying capability; fracture; security and reliability
Fa ilure Ana lysis of Clayed Alum in ium Alloy High FrequencyWelded Tube
HU Rui2ling,L I Zhi2qiang,L I Yi
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200302EA
Abstract:High frequencywelded tube of aluminum alloywas analyzed using exp losive,metallography and SEM ( scanning electron
microscope) experiments. The main reason of failure was concluded in this paper.
Key words: heat exchanger; tube failure;material element;Al2Cu
The S imula tion ofWeld ing Tempera ture F ield of P ipeline Ba sed on F in ite Elemen t Ana lysis
ZHANG Hong, CHEN Peng
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200332EA
Abstract: In connection with welding of p ipeline steel, the thermo2physical performance parameters and phase change latent heat
as the functions of temperature were taken into consideration;meanwhile the mathematicalmodel and physical model for welding
thermal p rocess were set up. Based on ANSYS APDL develop ing p latform, the p rogram was designed to solve the calculation of
welding finite element undermoving heat loads. And different p rocessing parameters ofweldingwere analyzed and matched, in or2
der to determination the influence degree of welding temperature field.
Key words:p ipeline; FEA;welding temperature field;APDL
Study on <177. 8mm ×9. 19mm P110 Hi2collapse Strength Ca sing Test
D ING Xue2guang, SH I J iao2qi,L IU Heng
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200362EA
Abstract:A mechanicalmodel and a finite elementmodel of the <177. 8mm ×9. 19mm P110 Hi2collap se strength casing are set
up. The calculation resultwith finite elementmethod was compared with that of a full scale physical collap se test. It is found that
the collap se strength of the Hi2collap se strength casing is much higher than what specified in app licable AP I specification. The
true casing is imperfect casing,with residual stress, ovality, eccentricity and other faults. So the collap se strength of true casing is
much lower than the calculation resultwith finite elementmethod.
Key words:Hi2collap se strength; casing; finite elementmethod; collap se
Weld ingMethods andM icrostructura l Character istics of
Ultra F ine Gra ined ( UFG) Steel Jo in tsWelded by Var ian tMethods
ZHANG Gui2feng,M IAO Hui2xia, ZHANG J ian2xun, PE I Yi, XIAO Ke2min, YANG Yong2xing
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200392EA
Abstract: The weldability of ultra fine grained (UFG) steelswas analyzed systematically, and the welding methods for ultra fine
grained steelswere classified as similarmicrostructure weldingmethods and similar p ropertyweldingmethods. Although the ferrite
grains in the HAZ coarsened in all reported weldingmethods in which maximum temperatures are above liquidus ofUFG steels,
the HAZ softening were restrained. Itwas contributed to the formation of some non2equilibrium microstructures, such as bainite,
martensite orMA constituents during welding cycle in HAZ.
Key words: ultra fine grained (UFG) steels;weldingmethods; non2equilibrium microstructures; HAZ coarsing; HAZ softening
Research of X100 LSAW Steel P ipeManufacture Techn ique
L I Yan2feng,L I Zhi2hua
Abstract ID: 100123938 (2007) 02200442EA
Abstract: This paper compared the mechanical p roperties of p ipeline steel p late with the mechanical p roperties of the JCOE p ipe,
introduces the JCO forming characteristics of X100 material,weldability of p late, softening of HAZ (HeatAffected Zone) , compar2
·98· 焊 　管 　　　　　　　　　　　　　　　　　2007年 3月

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