董紹華  張河葦

中國(guó)石油大學(xué)（北京）

摘要：本文從管道完整性評(píng)價(jià)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展出發(fā)，基于天然氣管道中硫化氫的濃度和內(nèi)外部載荷應(yīng)力共同作用的環(huán)境影響，分析了含硫化氫管道氫致開裂影響下，建立了管道完整性評(píng)定方法，建立管道應(yīng)力、材料、環(huán)境共同作用下的氫致開裂臨界擴(kuò)展模型，得出了氫致開裂管道的失效評(píng)定關(guān)系，重構(gòu)了失效評(píng)定圖，并給出了在一定輸送壓力和H₂S含量下，含裂紋缺陷X60和X65鋼制管道的安全度和安全范圍，以及含H₂S管道的極限承壓載荷。對(duì)管道的安全運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義。

主題詞： 硫化氫   管道  缺陷  完整性評(píng)價(jià)

1．引言

斷裂力學(xué)的發(fā)展，為含缺陷管道和壓力容器的失效完整性提供了科學(xué)依據(jù)，1971年美國(guó)完善了ASME鍋爐壓力容器缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，至80年代末，英國(guó)焊接協(xié)會(huì)、國(guó)際焊接協(xié)會(huì)、日本焊接協(xié)會(huì)、美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)等相繼公布了10部壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)范或指導(dǎo)性文件^[1~3]，這些標(biāo)準(zhǔn)按其理論分為四類：第一、以美國(guó)ASME規(guī)范為代表的線彈性斷裂理論評(píng)定方法；第二、以英國(guó)BSIPD6493（1980）為代表的COD理論的評(píng)定方法；第三、以英國(guó)中央電力局（CEGB）的R6失效評(píng)定圖技術(shù)；第四、以美國(guó)電力研究院的EPRI方法為代表的J積分理論為基礎(chǔ)的評(píng)定方法。

彈塑性斷裂分析中的J積分評(píng)定法^[4-6]隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和計(jì)算手段的完善，各種基本的含缺陷結(jié)構(gòu)的J積分已經(jīng)都能計(jì)算．加之美國(guó)EPRI提出的彈塑性斷裂分析的工程方法，并提供了各種含缺陷結(jié)構(gòu)J積分全塑性解的韌性斷裂手冊(cè)，解決了J積分的工程計(jì)算問題。彈塑性斷裂理論研究所取得的重要進(jìn)展，促使管道、壓力容器缺陷評(píng)定技術(shù)又有了新的進(jìn)展、這一進(jìn)展的代表就是英國(guó)CEGB的R6失效評(píng)定技術(shù)的發(fā)展，英國(guó)在1986年又對(duì)R6作了第三次修訂，將R6失效評(píng)定曲線的物理意義闡述得非常清楚，定義了失效評(píng)定曲線，當(dāng)被評(píng)定點(diǎn)落在評(píng)定曲線上時(shí)，表示結(jié)構(gòu)失效，若被評(píng)定點(diǎn)落在曲線下方，則說明結(jié)構(gòu)完好。R6方法的十年發(fā)展，集中反映了近十年來彈塑性斷裂理論的發(fā)展，它取K因子理論、COD理論及J積分理論等長(zhǎng)處，以及加入其最新研究成果，使R6方法建立了科學(xué)的理論基礎(chǔ)，進(jìn)而使其成為目前國(guó)際上水平最高的壓力容器缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，目前世界各國(guó)的壓力容器缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)均在向R6方法靠攏，相繼采用失效評(píng)定圖技術(shù)^[7-9]。

    但是，對(duì)于輸氣管道來講，環(huán)境斷裂^[10-13]是影響管道操作運(yùn)行的重要因素，由于輸氣中H₂S的存在，在管道內(nèi)部形成應(yīng)力、環(huán)境、材料，此時(shí)，氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子小于非氫條件下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，并且管道中H₂S初始濃度不同，氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子亦不同。因此，環(huán)境斷裂的安全評(píng)定問題不僅與材料的機(jī)械性能有關(guān)，而且與氫濃度的含量有關(guān)，從失效評(píng)定圖上應(yīng)反映氫濃度的影響和應(yīng)力作用的影響。

本文考慮氫濃度和應(yīng)力共同作用的影響，建立新的正確可靠的含氫致裂紋管道的完整性評(píng)定方法，并從失效評(píng)定圖上反映氫濃度和應(yīng)力作用的影響�？紤]氫致開裂斷裂判據(jù)，氫濃度對(duì)管道斷裂的影響，建立了管道新的失效評(píng)定關(guān)系，并給出失效評(píng)定圖。確定一定輸送壓力和H₂S含量下，含裂紋缺陷管道的安全度和安全范圍，并給出了相應(yīng)的安全系數(shù)。

2．管道缺陷裂紋的失效評(píng)定關(guān)系

J積分彈塑性的方法是管道彈塑性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)^[14]，這種方法是將彈性解和全塑性解相加到一起得到的彈塑性解，通過計(jì)算J積分的計(jì)算，確定出管道缺陷裂紋斷裂強(qiáng)度因子與載荷的關(guān)系，其表達(dá)式：

                                                  （1）

其中，為按等效裂紋深度協(xié)調(diào)后的J積分彈性分量，為J積分塑性分量。

根據(jù)式（1）可推導(dǎo)出的管道以積分理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)失效評(píng)定曲線方程，管道裂紋的評(píng)定關(guān)系^[15]可寫為：          

                     (2)

其中：為完全塑性狀態(tài)（）下管材的塑性失穩(wěn)壓力，；、為失效點(diǎn)縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)；,為彈塑性區(qū)修正系數(shù)； 為硬化系數(shù)；為屈服應(yīng)力；為壁厚；為內(nèi)徑；為外徑；為缺陷深度；為硬化指數(shù)；為與、以及硬化指數(shù)有關(guān)的無量綱函數(shù)。

3．含氫致裂紋管道的完整性（失效）評(píng)定曲線

氫環(huán)境下，在氫與外力的共同作用下，引起對(duì)材料的應(yīng)力腐蝕作用，使材料的斷裂韌性下降^[16-18]，即氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子小于非氫條件下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，由于管道中H₂S初始濃度不同，作用的程度不同，氫致開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子亦不同，建立管道應(yīng)力、材料、環(huán)境共同作用下的氫致開裂臨界擴(kuò)位錯(cuò)模型，如圖1所示，從內(nèi)聚力模型推導(dǎo)出臨界強(qiáng)度

圖1  氫致裂紋擴(kuò)展過程區(qū)位錯(cuò)分布

                       （3）

                                     （4）

其中，為材料最大內(nèi)聚力，為泊松比，為臨界斷裂長(zhǎng)度（與管道環(huán)境無關(guān)的斷裂長(zhǎng)度，按照API579 計(jì)算得出），為裂尖至位錯(cuò)區(qū)距離，為具有量綱的常數(shù)，對(duì)于低碳鋼來講^[20-22]，一般可取，，為氫富集濃度， 為屈服應(yīng)力，為彈性模量，為氫環(huán)境下臨界積分，為氫致開裂斷裂強(qiáng)度因子，為積分系數(shù)，為與有關(guān)的常數(shù)，、為與和有關(guān)的無量綱函數(shù)，

由于氫環(huán)境下管道材料的臨界斷裂應(yīng)力強(qiáng)度因子，所以管道的承壓能力下降，無氫條件下，管道的塑性極限失穩(wěn)載荷為：

                                      （5）

有氫條件下，含氫管道的極限載荷為：

                                （6）其中，為形狀函數(shù)因子，，，為邊界修正因子。

    在氫環(huán)境下，對(duì)于壁厚為管道來講，裂紋深度一定時(shí)，隨著載荷的增加，可能發(fā)生斷裂失效，也可能發(fā)生塑性失穩(wěn)失效，含氫斷裂極限載荷與失穩(wěn)極限載荷的關(guān)系有兩種可能，一種是，另一種是。當(dāng)時(shí)，認(rèn)為在管道起裂之前，發(fā)生塑性失穩(wěn)，令，對(duì)于管道有限長(zhǎng)橢圓形裂紋，則含氫致裂紋管道的完整性評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)曲線方程為：

                           （7）

    待評(píng)定點(diǎn)的坐標(biāo)與的大小也與管道的操作溫度有關(guān)^[19]，不同的操作溫度，評(píng)價(jià)點(diǎn)的坐標(biāo)也不同，針對(duì)氫致開裂的斷裂形式，具體的參數(shù)如下：

（1） 當(dāng)操作溫度在下轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，將出現(xiàn)脆性斷裂，因此以作為材料的斷裂韌性，評(píng)定點(diǎn)計(jì)算如下：

                                                 （8）

（2） 當(dāng)操作溫度在過渡區(qū)溫度時(shí)，以作為裂紋啟裂的斷裂韌性，評(píng)定點(diǎn)計(jì)算如下：

                                         （9）

                                                               （10）

4． 含H₂S天然氣管道完整性評(píng)價(jià)算例

天然氣埋地輸送管道，材料分別為X60和X65號(hào)鋼，輸送介質(zhì)中濕H₂S含量為100mg/m³，管徑為914mm，壁厚為14.3mm，直管軸向裂紋長(zhǎng)度為40mm，深度為5mm，管道輸送壓力為8.5Mpa，管道出站輸送壓力為8.0Mpa，安裝環(huán)境溫度為20，運(yùn)行介質(zhì)溫度為10，埋地溝深為2.2m，埋地溝寬1.5m，管線的熱膨脹系數(shù)為1.2，沉陷系數(shù)為0.2，回填土密度為1800Kg/m³，管道與土壤摩擦系數(shù)為0.5，回填土內(nèi)摩擦參數(shù)為0.13，沉陷量為 5mm，X60材料的彈性模量為2.0N/mm²，泊松比為0.2，臨界斷裂應(yīng)力強(qiáng)度因子為為119.73MPa，硬化系數(shù)為2.235，硬化指數(shù)為6.575，屈服應(yīng)力415Mpa，斷裂應(yīng)力為550Mpa。X65鋼材料的彈性模量為2.0N/mm²，泊松比為0.20，臨界斷裂應(yīng)力強(qiáng)度因子為為128.91MPa，硬化系數(shù)為2.409，硬化指數(shù)為6.695，屈服應(yīng)力450 Mpa，斷裂應(yīng)力為585Mpa。

    對(duì)含H₂S輸氣管道進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)，給出管道的安全系數(shù)，并進(jìn)行安全性判斷。X60和X65鋼埋地管道的完整性評(píng)價(jià)曲線如圖1、圖2所示

圖2為X60管道完整性評(píng)價(jià)曲線，缺陷評(píng)價(jià)點(diǎn)A的坐標(biāo)為（0.3205，0.3763），對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.7367，從圖中可看出，含硫化氫管道評(píng)價(jià)曲線安全區(qū)域范圍變小。圖3為X65鋼管道完整性評(píng)價(jià)曲線，缺陷評(píng)價(jià)點(diǎn)A的坐標(biāo)為（0.2038，0.2650），對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)為1.8375，從圖中也可看出，含硫化氫管道評(píng)價(jià)曲線安全區(qū)域范圍變小。

5. 結(jié)論

（1）本文首次提出了適合于氫環(huán)境下管道彈塑性斷裂分析的完整性評(píng)價(jià)方法。

（2）建立管道應(yīng)力、材料、環(huán)境共同作用下的氫致開裂臨界擴(kuò)展模型，確定了氫環(huán)境下含裂紋管道極限承壓能力P和臨界J積分J_IH。對(duì)氫環(huán)境下含缺陷的輸氣管道的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，給出失效評(píng)定圖和安全系數(shù)。

（3）考慮管道的埋地參數(shù)、內(nèi)壓、土壓和摩阻力和溫度的影響，應(yīng)使用當(dāng)量?jī)?nèi)壓作為管道的評(píng)價(jià)載荷，模擬工況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吻合。

（4）氫環(huán)境與非氫環(huán)境下管道缺陷裂紋的評(píng)價(jià)安全系數(shù)比較可知，氫環(huán)境下的管道安全系數(shù)減小，并且隨著H₂S濃度越大，則安全系數(shù)遞減。

（5）含氫管道的安全評(píng)價(jià)系數(shù)，不僅與管道內(nèi)H₂S濃度有關(guān)，而且與材料的機(jī)械性能有關(guān)，裂紋缺陷的幾何形狀、硬化系數(shù)、硬化指數(shù)是影響安全系數(shù)的重要因素。 因此降低輸送管道中H₂S的濃度，適當(dāng)提高材料的硬化系數(shù)，可增加含氫缺陷管道的安全系數(shù)。

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