含未熔合缺陷压力管道安全评定研究

摘要：由于压力管道在化工领域具有重要作用，因此对压力管道缺陷进行检测十分重要。在工业领域，压力管道长期处于高温高压的复杂工作环境下，其质量的好坏对整体生产安全，有直接影响，但是目前在生产过程中，压力管道由于焊接质量问题出现未融合缺陷，导致压力管道性能降低，影响压力管道的力学性能，导致安全事故的发生。在焊接工作中，未融合缺陷是一种较为常见的问题，主要表现为焊接区域金属没有完全融合，从而导致压力管道局部应力较为集中，影响压力管道的质量。现如今，相关研究人员对含缺陷压力管道的安全评定方法进行有效研究，但针对含未融合缺陷压力管道安全评定标准还不完善，因此通过对韩未融合缺陷压力管道的安全评定方法进行分析，从而保障压力管道运行的安全性，减少事故的发生，保障压力管道运行质量及安全。

关键词：未熔合缺陷；压力管道；安全评定

Abstract: Because pressure pipeline plays an important role in the chemical industry, it is very important to detect pressure pipeline defects. In the industrial field, pressure pipe in the complex working environment of high temperature and high pressure, the quality of the overall production safety, has a direct impact, but now in the production process, pressure pipe due to welding quality problems appear not fusion defects, cause the pressure pipe performance reduction, affect the mechanical properties of the pressure pipe, lead to safety accidents. In the welding work, the unfused defect is a common problem, mainly manifested in the fact that the metal in the welding area is not completely fused, which leads to the local stress of the pressure pipe and affects the quality of the pressure pipe. Nowadays, relevant researchers on the defects of pressure pipe safety assessment method, but for the defects of pressure pipe safety assessment standard is not perfect, so through the fusion of Korea defect pressure pipe safety assessment method is analyzed, so as to ensure the safety of pressure pipe operation, reduce the occurrence of accidents, ensure the quality and safety of pressure pipeline operation.

Key words: no fused defects; pressure pipe; safety assessment

压力管道在国民经济的许多领域得到了广泛地应用。由于它涉及生产、安装和使用的各个阶段，因此，它的安全问题十分突出。所以，对压力管道进行周期性检查是保证其正常工作的必要前提，而无损检测又是其中的一个关键步骤。根据无损检测过程中暴露出的问题，精确地对其进行安全状态分析，是保证压力管道经济性和安全性的一种有效结合。

一、压力管道概述

压力管道是一类特种设备，它对人类的生存和发展起着举足轻重的作用。在石油化工、电力、冶金、城市燃气、供暖等行业中，用于输送各种气体、液体以及带有固体颗粒的流体介质。在结构方面，压力管道是由管道组成件（如管道、管件、阀门等）、支撑件（如吊架、支架等）和安全阀、爆破片等安全防护设施形成的。由于其工作环境的复杂性，需要在高温、高压、易燃、易爆、有毒和腐蚀性等方面进行综合考虑。比如在石化工业中，要求用高压的压力管道来传输原油和天然气以及它们的加工产物；在城市集中供热系统中，管道则要承受一定压力并输送热水。压力管道安全运营有着十分重要的作用，其事故频发，引发火灾、爆炸、中毒等严重后果，给人民群众的生命安全、财产安全以及生态环境带来极大危害。如何保证压力管道的安全运行，一直是各大工业部门关心的问题。

但是，在管道制造、安装、使用及维修等各个环节，难免会出现各类故障，而未熔合缺陷（如图1）就是最普遍、最具破坏性的类型之一。未熔合缺陷严重影响了管道的使用性能，缩短管道的使用寿命，增加管道发生失效事故的风险。对含未熔合缺陷压力管道安全性评价研究，可为管道的维护、更换及持续服役等工作奠定基础，对保证管道的安全、可靠地运行有着重大的实际意义[1]。

图1：压力管道未熔合缺陷

二、含未熔合缺陷压力管道安全评定

（一）塑性极限载荷评价方法

塑性极限载荷评价方法主要是对材料塑性力学行为为依据，主要目的是为了对管道在负载作用下是否能够达到塑性极限状态进行判断，在该方法应用过程中，如果压力管道出现未融合缺陷，应力分布局部区域将会出现明显的改变，通过对应力集中区域进行有效评估，从而确定管道在不发生塑性坍塌的情况下能够承受的最大荷载量。通过对管道几何形状，材料属性以及缺陷大小和位置进行精确测量和分析，从而构建力学模型，通过有限元分析方法对数值进行计算，并且模拟管道在不同荷载情况下的应力变化。这种评价方法的优点是能够把材料塑性变形能力进行有效考虑，从而，反映出管道力学行为通过塑性极限核载评价方法对管道在工作情况下安全度进行评估。如果管到工作何在小于能够承受的塑形极限和载时证明压力，管道目前质量完好。如果当压力超出塑性极限荷载时，就必须通过修复缺陷，减少工作压力或者更换压力管道的方式进行修复[2]。

（二）线弹性断裂力学评定方法

在线弹性断裂力学评定方法是工程评价中的一个关键问题，（如图2）其关键问题在于裂纹尖端的应力强度系数及其与材料的断裂韧度需求相匹配。该技术基于对材料力学性能的深刻认识，通过准确地分析裂纹尖端应力和材料本身的断裂韧度，可以对其进行科学准确地判断。工程实践中经常遇到含未熔合缺陷的压力管道，这些缺陷会造成管道在运行过程发生裂缝等隐患，因此，通过线弹性断裂力学评定方法，就能够有效发现这些缺陷。这种方法能够细致分析裂纹尖端由于，内部压力以及外部荷载等多种因素影响产生的应力场，并且和材料自身断裂韧性相结合来对压力管道安全状况进行全面有效评估，从而保障压力管道的正常运行，并且预防可能存在的安全风险[3]。

图2 ：未焊透压力管道力学简化模型示意图

在线弹性断裂力学评定方法中，K判距是最为常用的评定依据，这种判距的原理是通过将裂纹尖端应力强度因子K与材料临界应力强度因子KC进行有效对比，应力强度因子K对裂纹尖端应力场强弱程度进行反并，且其与裂纹的尺寸，形状，荷载等因素密切相关，而临界应力强度因子KC则是材料本身的属性，代表材料在特定条件下能够承受的最大应力强度。当裂纹尖端应力强度因子K小于或等于材料的临界应力强度因子KC时，则是表示裂纹尖端应力场还处于材料能够承受的范围之内，这种结构在目前状态下不会发生失稳断裂的情况，因此保障压力管道的安全性。

这种方法主要适合在脆性材料或塑性区较小的金属材料中进行应用。由于脆性材料在受力时几乎不发生塑性变形，容易发生断裂，而塑性区小的金属材料裂纹，尖端塑性变形有限，现弹性假设成立，但是塑性区大的金属材料受力过程中会出现明显的塑性变形，所以在此过程中，线弹性力学理论基础不适合用于此情况，因为其忽略了塑性行为，导致评估结果可能有偏差。因此，需采用弹塑性断裂力学等其他评定方法以确保结构安全性评估的准确性[4]。

（三）弹塑性断裂力学评定方法

弹塑性断裂力学评定方法主要是对裂纹在经过弹塑性变形阶段扩展行为特性进行重视，并且这些行为最终是否会使得结构整体出现失效，因此对于含有未融合缺陷的压力管道来说，这种评定方法具有重要作用，原因是通过这种方法能够对裂纹扩展行为以及材料塑形性能进行深入分析，从而对压力管道安全运行进行有效评估。在利用弹塑性断裂力学评定过程中最常见的技术，包括J积分评定方法和裂纹尖端张开位移法（也被简称为COD法）。J积分评估技术巧妙地运用了一个与路径无关的能量积分——即J积分，精确地描绘出裂纹尖端的复杂应力应变场，并以此来判断该场是否达到了材料的临界值JC，进而预测裂纹的扩展趋势。此外，裂纹尖端张开位移法主要是对裂纹尖端在受力作用下的张开位移量进行有效测量来对裂纹是否进一步扩展的条件和趋势进行有效判断。这两种方法各具有自身的独特优点和局限性，因此在具体应用过程中，需要根据具体评估对象评估条件以及评估目标来对方法进行合理选用[5]。

三、压力管道安全评定的发展趋势

（一）工程化评定方法

由于压力管道的缺陷评定工作正在向工程和实际应用的方向发展，对评估手段的研究提出了更高的要求。这就要求研究者们在研究过程中，必须对其进行深入地探讨，寻找出最简便、最高效的算法，以便在确保其精确性的同时，获得更高的效率，使其更符合工程应用的要求。但是，对于现有的评估模型还有些不足之处。比如，在计算公式的推导时，管道的受力状态未得到足够的重视，尤其是当管道承受外弯矩作用时，管道横断面会出现椭圆型变形，严重影响管道的承载性能，但在现有的简化评定方法中往往被忽略。

（二）可靠性评定方法

由于上面所说的评价方法，都能够以评价指标的确定为基础，但是在具体工程实践过程中，由于压力管道尺寸，缺陷尺寸以及材料等都不是固定的数值，因此，如果单纯的根据经验来确定评估手段，一般不能对实际情况进行具体分析。目前，随着可靠性理论在工程领域的广泛应用，对压力管道缺陷评估也展现出新的要求，为了使工业生产过程中安全性和稳定性得到有效保障，相关工作人员应利用更加科学的方法来对压力管道中存在的缺陷进行有效检测和评估，从而确保压力管道的安全运行，保障压力管道的质量[6]。

结论：

综上所述，由于未融合缺陷，使压力管道使用性能受到较大的影响，同时还会缩短压力管道使用寿命，使管道使用安全风险增加，因此通过对含未融合缺陷压力，管道安全性评价研究，能够确保压力管道工作顺利进行，保障压力管道质量。在未来的发展过程中，应对复杂工作情况下，未融合缺陷的动态演化规律进行进一步探究，从而使压力管道安全评定体系得以有效完善

参考文献：

[1]王天锡.基于有限元的含未熔合缺陷压力管道应力分析[J].中国特种设备安全,2024,40(12):7-13+22.

[2]汪华,容惠强.含未焊透缺陷的压力管道安全评定[J].化学工程与装备,2023,(02):244-246.

[3]李建锋,周昌宗.含未熔合缺陷压力管道安全评定[J].石化技术,2022,29(08):27-29.

[4]范成龙,黄启斌,寇超,等.含未焊透缺陷压力管道的安全评定[J].化学工程与装备,2022,(02):218-222.

[5]郭培杰.含未熔合缺陷压力管道的安全评定[J].山东化工,2022,51(03):183-185.

[6]王敏,唐萍,凌张伟,等.含未焊透缺陷压力管道的安全评定[J].中国质量技术监督,2017,(11):72-75.