淺析基于SINTAP方法的含缺陷壓力管道安全評(píng)定
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作者：張毅
1序言
壓力管道是生產(chǎn)、生活中廣泛使用的可能引起燃爆或中毒等事故、危險(xiǎn)性較大的特種設(shè)備之一。由于種種原因，我國(guó)相當(dāng)數(shù)量的管道存在著各種各樣的缺陷，需要進(jìn)行安全評(píng)定的
超標(biāo)缺陷數(shù)量眾多。而結(jié)構(gòu)中的缺陷并不都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用，不加區(qū)分地對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，不僅會(huì)增加成本，而且有時(shí)不恰當(dāng)?shù)男迯?fù)反而會(huì)進(jìn)一步損害材質(zhì)，使材質(zhì)性能下降乃至產(chǎn)生
新的缺陷。因此，對(duì)在役含缺陷壓力管道進(jìn)行安全評(píng)定具有重要意義。“歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法”，簡(jiǎn)稱SINTAP( Structural IntegrityAssessment Procedure)，是對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行“合于使用”評(píng)定的一種方法，涉及到脆斷領(lǐng)域和塑性破壞，以及二者之間的相互作用。這種方法能在設(shè)計(jì)階段為新結(jié)構(gòu)提供保證，在制造階段為結(jié)構(gòu)的完整性提供保證，在運(yùn)作階段為結(jié)構(gòu)的整個(gè)壽命提供保證。將之運(yùn)用于工程中，能防止設(shè)計(jì)過(guò)量和不必要的返修進(jìn)而達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)目的。
2安全評(píng)定
2.1 SINTAP簡(jiǎn)介
1 996年，歐洲委員會(huì)為了建立一個(gè)統(tǒng)一的合于使用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，組織了一個(gè)研究計(jì)劃，共有9個(gè)國(guó)家的17個(gè)組織參加，于1999年完成了歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法( Structural
Integrity Assessment Procedure),簡(jiǎn)稱SINTAP。SINTAP方法根據(jù)所提供的材料數(shù)據(jù)的詳盡程度分為六個(gè)級(jí)別：三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，三個(gè)先進(jìn)等級(jí)。級(jí)別越高需要的數(shù)據(jù)越詳盡，級(jí)別越高保守性越低，因此在低級(jí)別不能被接受的結(jié)果在更高的級(jí)別可能變成是可以接受的。SINTAP應(yīng)
用FAD( Failure Assessment D ia-gram)圖進(jìn)行評(píng)定，而FAD的關(guān)鍵是失效評(píng)定曲線，f( L r)，只要評(píng)定點(diǎn)( L r，Kr)落在FAD圖內(nèi)的安全區(qū)，則缺陷就是安全的。文中采用的是SINTAP方法第一級(jí)評(píng)定。
2.2 SINTAP的新特點(diǎn)
SINTAP是建立在輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量基礎(chǔ)上的分級(jí)結(jié)構(gòu)：最復(fù)雜、最準(zhǔn)確的等級(jí)需要相應(yīng)高質(zhì)量的輸入數(shù)據(jù)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，僅有基本參量雖然仍然能夠進(jìn)行評(píng)定，但是它會(huì)被高度的保守
性所影響。因此，SINTAP方法主要是通過(guò)提高數(shù)據(jù)質(zhì)量來(lái)降低保守性。其主要特點(diǎn)如下所述：
(1)評(píng)定根據(jù)拉伸數(shù)據(jù)進(jìn)行，因而當(dāng)缺少詳細(xì)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)時(shí)，SINTAP通過(guò)大量鋼材性能研究提供了材料應(yīng)變硬化性能、屈強(qiáng)比及屈服平臺(tái)（L U d e r s應(yīng)變）的估算方法。這些方法可用改進(jìn)式f( L r)來(lái)降低評(píng)定過(guò)保守度。
(2)考慮試樣數(shù)目而對(duì)韌度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，在大量斷裂韌度測(cè)試的統(tǒng)計(jì)處理后，近一步發(fā)展了ASTME1921-97的所謂Master曲線，SINTAP提出了由AKV估算鐵素體鋼解理斷裂區(qū)斷裂韌度下限值的方法。這一方法也已被R6第4版及BS7910所采用。雖然大量數(shù)據(jù)研究表明AKV和啟裂斷裂韌度J l之間不存在明確的簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系，但鑒于實(shí)際工程評(píng)定中一般都不可能取樣測(cè)得材料的斷裂韌度，下限值的估算還是很有實(shí)際意義的，但應(yīng)該認(rèn)識(shí)到估算的斷裂韌度值可能十分保守，有時(shí)甚至只有實(shí)際值的五分之一左右。SINTAP的方法值得我們?cè)诠ぷ髦羞M(jìn)一步關(guān)注。
(3)二次應(yīng)力的處理中不僅采用了R6的新p因子法，同時(shí)還給出了另外一種選擇性的新方法，二次應(yīng)力的影響用V因子表示，V>1，對(duì)應(yīng)于由于二次應(yīng)力超過(guò)彈性估計(jì)值而導(dǎo)致塑性情況下J積分值的變化。反過(guò)來(lái)，V<1，對(duì)應(yīng)于二次應(yīng)力的塑性松弛；V=O，表示二次應(yīng)力忽略不計(jì)。
(4) -般地，斷裂韌度數(shù)據(jù)是從深裂紋彎曲試件中得到，然而在膜應(yīng)力加載時(shí)經(jīng)常以淺裂紋形式評(píng)定。前者認(rèn)為是高約束，而后者是低約束。在結(jié)構(gòu)評(píng)定中使用高約束數(shù)據(jù)可能過(guò)于保守，因而SINTAP程序闡述一種計(jì)算約束等級(jí)的方法。它以裂紋尖端的彈性T-應(yīng)力或超靜態(tài)Q-應(yīng)力為形式，然后修改FAD或CDF方法以考慮其效果。在SINTAP方案中已提出了Q對(duì)表面缺陷的處理方法，并且能使該約束方法應(yīng)用到實(shí)際。
(5)在R6評(píng)定方法的基礎(chǔ)上概括了形成“先漏后斷”情況的步驟，同時(shí)又包括了局部穿透裂紋擴(kuò)展的分析。
(6) SINTAP給出了可靠性評(píng)定方法及其相應(yīng)軟件PRO-SINTAP，采用Monte Carlo數(shù)學(xué)模擬及近似的一階可靠性過(guò)程( approximate first orderreliability routines).
2.3基本方程
SINTAP方法第一級(jí)評(píng)定與材料是否具有Luders平臺(tái)密切相關(guān)，對(duì)有Luder屈服平臺(tái)的材料，評(píng)定曲線函數(shù)
2.4 SINTAP評(píng)定軟件
評(píng)定軟件根據(jù)SINTAP評(píng)定方法的前三個(gè)等級(jí)采用VB進(jìn)行編制，根據(jù)“缺陷方向”的選擇，輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后，可得出評(píng)定結(jié)果，軟件界面見(jiàn)圖1。
3在役含缺陷管道評(píng)定實(shí)例
筆者依據(jù)SINTAP評(píng)定軟件對(duì)圖2所示的大連某公司液化氣管線在檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)埋藏缺陷進(jìn)行了安全評(píng)定。該管線于1 997年投入使用，材料為20鋼，查GB/T 8163-2008《輸送流體用無(wú)縫鋼管》，可知20鋼屈服強(qiáng)度245MPa．抗拉強(qiáng)度390MPa．彈性模量E=200
000MPa， 泊松比=0.3。管線操作壓力1.6MPa，操作溫度為常溫，使用年限10年。管線外徑為108mm．公稱壁厚為4.Omm，實(shí)測(cè)最小壁厚為3.8 mm，腐蝕速度0.02mm/年，減去兩倍腐蝕量后的計(jì)算厚度3.68mm。管道焊縫成型良好，管道支架結(jié)構(gòu)完好，操作平穩(wěn)，無(wú)明顯的壓力波動(dòng)。在焊口D12#根部存在整圈未焊透，自身高度1.0mm。下次檢驗(yàn)周期為三年后。由于材料的斷裂韌度無(wú)法實(shí)測(cè)，且在使用狀況下無(wú)脆化傾向，使用溫度不低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此在評(píng)定時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取壓力管道材料允許的最低沖擊韌性AKV=27J。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給定的材料允許的最低AKV和J l c下限值的關(guān)系，對(duì)未焊透缺陷取JI C=2.2AKV，根據(jù)換算關(guān)系得
，K C是以應(yīng)力強(qiáng)度因子表示材料的斷裂韌度，單位( N／mm3/2)。
把圖2的液化氣管線的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到軟件中，得出評(píng)定失效評(píng)定曲線圖3。從評(píng)定圖可以看出，采用SINTAP-級(jí)方法進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定點(diǎn)在評(píng)定曲線定義的范圍內(nèi)。因此，該超標(biāo)缺陷是安全的。
4結(jié)束語(yǔ)
隨著現(xiàn)代工業(yè)和力學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，由于設(shè)計(jì)壓力的提高、高強(qiáng)度鋼材的大量使用、焊接技術(shù)的普遍運(yùn)用以及設(shè)備使用的嚴(yán)酷化等因素，各國(guó)都在逐漸地對(duì)自己的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂和改進(jìn)。對(duì)超標(biāo)缺陷進(jìn)行合乎使用的評(píng)定，一方面可減少不必要的過(guò)大的安全裕度，同時(shí)又考慮到了影響安全的各種因素。在保證安全的前提下正�；謴�(fù)使用一批帶有缺陷的管道，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
5摘要：采用歐共體的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法-SINTAP( Structural Integrity Assessment Procedure)的一級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)含超標(biāo)缺陷壓力管道進(jìn)行安全評(píng)定。結(jié)果表明：采用SINTAP-級(jí)評(píng)定，評(píng)定點(diǎn)在評(píng)定曲線范圍內(nèi)，說(shuō)明該管道是安全的。
