CN111444588B - 一种基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法，包括：对管道上有裂纹缺陷的环焊缝进行测试，获得基本力学参数；对有裂纹缺陷的环焊缝进行几何检测，获得几何参数；对工况时的管道进行轴向应变测试，获取载荷参数；对基本力学参数、几何参数和载荷参数进行统计分析，获得参数的最佳统计分布类型；根据裂纹缺陷的类型和断裂失效模式，采用基于应变的可靠性分析，建立环焊缝的极限状态方程；基于最佳统计分布类型和状态方程，获得环焊缝的失效概率；基于环焊缝的失效概率，得到环焊缝的可靠度。该方法对于管道环焊缝的大范围屈服情况，从基于应变的角度更加准确的评价了环焊缝断裂的可能性。

Description

一种基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法

技术领域

本发明涉及安全性评价技术领域，尤其涉及一种基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法。

背景技术

油气管道是长距离输送的线性工程，主要采取焊接方式连接、埋地方式敷设。环焊缝是管道整体质量的薄弱环节，原因包括几个方面：一是环焊缝数量庞大，如西气东输二线管道总长8704公里，线路焊接约76万道口，焊缝延展总长度超过2600公里。二是管道现场焊接受人、机、料、法、环等方面影响，焊接质量控制难度大。三是焊缝一旦开裂，后果危害严重。四是在管道运行期间，管道焊缝缺陷的排查整改难度大。因此，工程上亟需提高缺陷检测与评价技术水平，以提高管道的运行安全水平。

长距离油气管道建设点多、线长、面广，管道沿线地形地貌、自然环境复杂多变，裂纹缺陷是最常见的管道环焊缝缺陷。由于裂纹缺陷的存在，因此需要对环焊缝的安全性进行评价，从而确保整个管道的安全性。常规的基于应力的断裂评估方法主要针对管道载荷的控制情况，并且该方法把应力作为基本参数，适用于裂纹在小范围发生屈服(抵抗微量塑性变形的应力)的情况。而对于薄壁管道结构，裂纹端部的塑性区常在裂纹尖端附近发生大范围屈服甚至全面屈服，在该情况下如何准确评价管道环焊缝的安全性是目前亟待解决的问题。

现有技术(申请号201710517321.2)公开了一种用于X80管道环焊缝裂纹型缺陷剩余强度的评价方法，该方法通过临界失效评估曲线与坐标系中数据点的位置关系评价X80管道的环焊缝裂纹型缺陷的剩余强度。该方法未考虑当裂纹端部的塑性区在裂纹尖端发生大范围屈服时，从基于应变的角度评价环焊缝的可靠度。

发明内容

本发明实施例提供一种基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法，当环焊缝裂纹端部的塑性区在裂纹尖端发生大范围屈服甚至全面屈服时，能基于应变的角度准确评价环焊缝的可靠度。

本发明实施例提供一种基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法，包括：

对管道上有裂纹缺陷的环焊缝进行测试，获得基本力学参数；

对所述有裂纹缺陷的环焊缝进行几何检测，获得几何参数；

对工况时的管道进行轴向应变测试，获取载荷参数；

对所述基本力学参数、几何参数和载荷参数进行统计分析，获得参数的最佳统计分布类型；

根据裂纹缺陷的类型和断裂失效模式，采用基于应变的可靠性分析，建立管道的极限状态方程；

基于所述最佳统计分布类型和极限状态方程，获得所述环焊缝的失效概率；

基于所述环焊缝的失效概率，得到所述环焊缝的可靠度。

进一步，所述基本力学参数包括屈强比和断裂韧性；所述几何参数包括管道壁厚、裂纹长度、裂纹深度；所述载荷参数为轴向应变。

进一步，所述裂纹缺陷的类型为表面环向缺陷或深埋缺陷。

进一步，所述建立管道的极限状态方程包括：

基于所述表面环向缺陷，确定极限应变ε_t ^crit，计算公式如下：

其中，δ_mat表示断裂韧性，单位为毫米；λ表示屈强比；ξ表示相对缺陷长度，取值2c/t；η表示相对缺陷深度，取值a/t；t表示管道壁厚，单位为毫米；a表示裂纹深度；c表示裂纹一半长度；

建立极限状态函数G(x)＝ε_t ^crit-ε_t，其中ε_t表示轴向应变；

当极限应变等于轴向应变时，管道处于临界失效状态，所述极限状态方程为G(x)＝ε_t ^crit-ε_t＝0。

进一步，所述建立管道的极限状态方程包括：

基于所述深埋缺陷，确定极限应变ε_t ^crit，计算公式如下：

其中，δ_mat表示断裂韧性，单位为毫米；λ表示屈强比；ξ表示相对缺陷长度，取值2c/t；η表示相对缺陷深度，取值2a/t，ψ表示相对缺陷高度，取值d/t；t表示管道壁厚，单位为毫米；a表示裂纹深度；c表示裂纹一半长度；d表示裂纹与管道表面之间的距离；

建立极限状态函数G(x)＝ε_t ^crit-ε_t，其中ε_t表示轴向应变；

当极限应变等于轴向应变时，管道处于临界失效状态，所述极限状态方程为G(x)＝ε_t ^crit-ε_t＝0。

进一步，获得所述环焊缝的失效概率进一步包括：

根据所述参数的最佳统计分布类型，建立概率密度函数f_X(x_i)(i＝1,2,...,6)；

设置抽样次数n；

产生0-1的均匀分布随机数；

将0-1的均匀分布随机数应用于概率密度函数f_X(x_i)(i＝1,2,...,6)，产生所述屈强比、断裂韧性、管道壁厚、裂纹长度、裂纹深度和轴向应变的随机样本点x_j；

将所述随机样本点x_j代入极限状态函数G(x)-ε_t ^crit-ε_t中；

在失效域F＝{x|G(x)≤0}内统计环焊缝失效的样本点数n_f，计算失效频率n_f/n，所述失效频率n_f/n表示失效概率P_f的估计值

进一步，基于所述失效概率P_f得到所述环焊缝的可靠度P_r，计算公式如下：

P_r＝1-P_f

本发明实施例提供的基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法，通过对管道上环焊缝的参数进行统计分析，确定参数的统计分布类型，采用基于应变的方法建立极限状态方程，通过计算管道环焊缝的失效概率，从而评价环焊缝的可靠性。本发明实施例的方法对于塑性区在裂纹尖端的大范围屈服情况，相对于传统的基于应力的评价方法，从基于应变的角度更加准确的评价了环焊缝断裂的可能性，因此能充分利用管道钢材料的抗变形能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法流程图；

图2为本发明实施例提供的管道环焊缝表面型缺陷示意图；

图3为本发明实施例提供的管道环焊缝深埋型缺陷示意图；

图4为本发明实施例提供的计算失效概率的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法包括：

步骤101，对管道上有裂纹缺陷的环焊缝进行测试，获得基本力学参数；

步骤102，对有裂纹缺陷的环焊缝进行几何检测，获取几何参数；

步骤103，对工况时的管道进行轴向应变测试，获取载荷参数；；

步骤104，对步骤101至103获得的基本力学参数、几何参数和载荷参数进行统计分析，获得参数的最佳统计分布类型；

步骤105，根据裂纹缺陷的类型和断裂失效模式，采用基于应变的可靠性分析，建立管道的极限状态方程；

步骤106，基于上述最佳统计分布类型和极限状态方程，获得环焊缝的失效概率；

步骤107，基于所述环焊缝的失效概率，得到所述环焊缝的可靠度。

本发明实施例提供的方法，通过对环焊缝的各类参数进行统计分析，确定参数的统计分布类型，采用基于应变的方法建立极限状态方程，通过计算管道环焊缝的失效概率，从而评价管道环焊缝的可靠性。本发明实施例提供的方法对于塑性区在裂纹尖端的大范围屈服情况，相对于传统的基于应力的评价方法，从基于应变的角度更加准确的评价了环焊缝断裂的可能性。

实际情况中，油气管道上会分布有多个环焊缝，因此在评价环焊缝的可靠性过程中要对同一条管道上有裂纹缺陷的多个环焊缝进行材料力学性能测试和几何检测，以获取每个环焊缝的基本力学参数、几何参数和载荷参数。

本发明实施例中，所述基本力学参数包括屈强比λ和断裂韧性δ_mat。所述几何参数包括管道壁厚t、裂纹长度C＝2c、裂纹深度a，其中c为裂纹半长度。所述载荷参数为轴向应变ε_t。获得轴向应变，通常采用实验测试的方法，将应变片贴在含有裂纹型环焊缝的管道上，测量工况条件下(如滑坡、洪水漂浮管道)管道的轴向应变。

本发明实施例中，可以采用最大似然估计法或最小二乘法获得参数的最佳统计分布类型，即获得屈强比、断裂韧性、裂纹缺陷长度、裂纹缺陷深度、管道壁厚和轴向应变的最佳统计分布类型，从而估计相应的分布参数。

极限状态方程是指当结构或构件处于极限状态时(例如管道处于断裂的临界状态时),各有关基本变量的关系式。在本发明实施例中，建立极限状态方程的一般过程是：

假设X＝[X₁,X₂,…,X_n]^T为影响结构特定功能的基本随机向量，相对应的结构功能函数为Z＝G(X)；

影响结构功能函数的因素主要包括引起失效的结构载荷S和抵抗失效的结构载荷R，其关系式为G(R,S)＝R-S；

当Z＞0时，表示所评价的对象是安全的，判定为可靠。当Z＜0时，表示所评价的对象是不安全，判定为失效。当Z＝0时，表示所评价的对象达到临界条件。因此，结构的极限状态方程为G(X)＝0。

基于建立极限状态方程的一般过程，在本发明实施例中，根据环焊缝中裂纹缺陷的类型和断裂失效模式，采用基于应变的可靠性分析，建立管道的极限状态方程。

通常，环焊缝的裂纹缺陷包括表面环向缺陷和深埋缺陷两种，评价管道失效与否时，针对这两种裂纹缺陷类型分别进行评价。首先，基于不同类型的缺陷，建立相应的待评价管道的极限应变。然后，基于极限应变获得相应的极限状态方程。

如图2所示，当环焊缝的裂纹缺陷为表面环向缺陷201时，相应的极限应变ε_t ^crit的计算公式如下：

如图3所示，当环焊缝的裂纹缺陷为深埋缺陷301时，相应的极限应变ε_t ^crit的计算公式如下：

上述两个公式中，δ_mat表示断裂韧性，单位为毫米；λ表示屈强比；ξ表示相对缺陷长度，取值2c/t；η表示相对缺陷深度，对于表面环向缺陷取值a/t，对于深埋缺陷取值2a/t；ψ表示相对缺陷高度d/t；t表示管道壁厚，单位为毫米；a表示裂纹深度；c表示裂纹一半长度；d表示裂纹与管道表面之间的距离。

然后，建立管道的极限状态方程。管道的极限状态函数为G(x)＝ε_t ^crit-ε_t，即待评价管道的极限应变ε_t ^crit与轴向应变ε_t之差。当极限应变大于轴向应变时，管道处于安全运行状态。当极限应变小于轴向应变时，管道失效的风险较大。当极限应变等于轴向应变时，管道属于临界失效状态，因此，管道的极限状态方程如下：

G(x)＝ε_t ^crit-ε_t＝0。

下面，将说明本发明实施例中，如何获得具有裂纹缺陷的环焊缝的可靠度。

结构可靠性是指结构在规定时间内、规定条件下完成规定功能的能力。结构可靠度是在统计学基础上进行计算分析得到的，用来定量表征结构可靠性。研究结构可靠度的目的在于，保障结构在人们可接受的范围内满足所要求的预定功能。

管道可靠度P_r指的是含缺陷的管道或者管道系统在规定时间和规定条件下，完成规定功能的概率。对于管道断裂的失效模式，可靠度具体指的是抵抗失效能力的载荷大于引起失效的载荷的概率。管道失效概率P_f指的是含有缺陷的管道在规定时间和规定条件下，没有完成规定功能的概率。失效概率P_f与可靠度P_r的取值范围都是在0和1之间，两者之间的关系为P_r+P_f＝1。因此，可以通过失效概率计算可靠度。

随着可靠性技术在各工程领域的广泛应用，目标结构和运行工况的复杂性使得具有隐式函数的非线性极限状态方程难于用传统的方法进行计算。由于信息化技术的不断发展，数值方法成为解决结构可靠性问题的有效手段，如Monte Carlo(蒙特卡洛)法。该方法可以把积分形式的分析函数转换成为基于概率论的数学方程，从而利用统计参数来求得结构的可靠度。Monte Carlo法对结构情况没有过多限制，因此可以得到较高精度的可靠度。

本发明实施例中，基于Monte Carlo法获得失效概率P_f的过程是：

第一步，根据基本力学参数、几何参数和载荷参数的最佳统计分布类型，建立概率密度函数f_X(x_i)(i＝1,2,...,6)；

其中，上述参数包括屈强比λ，断裂韧性δ_mat，管道壁厚t、裂纹长度2c、裂纹深度a和轴向应变ε_t，其中c表示裂纹一半长度；

第二步，设置抽样次数为n；

第三步，产生0-1的均匀分布随机数。

第四步，将0-1的均匀分布随机数应用于概率密度函数f_X(x_i)(i＝1,2,...,6)，产生屈强比λ，断裂韧性δ_mat，管道壁厚t、裂纹长度2c、裂纹深度a和轴向应变ε_t的随机样本点x_j；

第五步，将随机样本点x_j代入极限状态函数G(x)＝ε_t ^crit-ε_t中；

第六步，在失效域F＝{x|G(x)≤0}内统计环焊缝失效的样本点数n_f，计算失效频率n_f/n，所述失效频率n_f/n可以表示失效概率P_f的估计值

本发明实施例中，采用基于应变的方法建立极限状态方程，通过计算管道环焊缝的失效概率，从而评估管道环焊缝缺陷的可靠性。对于塑性区在裂纹尖端的大范围屈服情况，相对于传统的基于应力的评价方法，本发明实施例的方法从基于应变的角度更加准确的评价了环焊缝断裂的可能性。

下面，以我国某天然气管道为例，说明本发明实施例提供的方法在评价环焊缝可靠性时的具体应用。所述管道材料为X80钢管，存在环焊缝50个，其中有20个环焊缝存在表面环向裂纹。

首先，对20个管道环焊缝取样，进行材料力学性能测试，获取X80管道环焊缝材料的屈服强度和断裂韧性，如表1和表2所示。

表1屈强比数据(Mpa)

表2断裂韧性数据(mm)

然后，对20个管道环焊缝进行几何检测，并测试洪水工况下管道的轴向应变，获取管道壁厚尺寸、轴向应变、裂纹缺陷长度和裂纹缺陷深度。如表3至表6所示。

表3管道壁厚数据(mm)

表4裂纹缺陷长度数据(mm)

表5裂纹缺陷深度数据(mm)

表6轴向应变数据(％)

将表1至表6所示的数据进行整理及统计分析，确定裂纹缺陷长度、裂纹缺陷深度、屈强比、断裂韧性、管道壁厚和轴向应变参数的最佳统计分布类型。常用的连续型分布包括正态分布、t-分布、F-分布、Gumbel(耿贝尔)分布、Weibull(韦布尔)分布、卡方分布、指数分布等。所述参数的最佳分布类型如表7所示。

表7可靠性分析中各参数的统计值

根据前述表面环向缺陷对应的极限应变，以及轴向应变，获得极限状态函数G(x)＝ε_t ^crit-ε_t。

接下来，采用Monte Carlo法计算X80管道环焊缝的失效概率P_f，具体过程参见图4。如图4所示：

步骤401,设置抽样次数n为10⁸，初始值n_f＝0，i＝0；

n_f表示所有评价裂纹中造成管道失效的裂纹数量，由于初始时还未评价，因此n_f＝0。i表示第i次抽样，抽样次数最大到n时停止评价。

步骤402,从第1次抽样开始计算，记录抽样次数，抽样次数逐步递增，直到抽样次数为n；

步骤403,根据概率密度函数f_x(x)产生屈强比，断裂韧性，管道壁厚、裂纹长度、裂纹深度、轴向应变的随机样本点x_j；

步骤404,将随机样本x_j代入极限状态函数G(x)＝ε_t ^crit-ε_t中，得到极限状态函数G(x_j)的结果；

步骤405,判断G(x_j)是否小于等于0，如果是则流程进行到步骤406，否则流程进行到步骤407；

步骤406,I_F(x)＝1，表示所评价的裂纹造成了管道失效；

步骤407,I_F(x)＝0，表示所评价的裂纹未造成管道失效；

步骤408,根据步骤406或407的结果，计算n_f＝n_f+I_F(x)，即计算管道失效的次数；

步骤409，判断抽样次数i是否已经为n，即10⁸，如果是则流程进行到步骤410，否则流程返回到步骤402，直到抽样次数i为10⁸。

步骤410，根据以下公式计算失效概率估计值

上式中

为失效概率的方差，

为失效概率的相关系数，两者都是统计学概念，可在一定程度上反应失效概率的分布情况。

通过计算，获得该天然气管道中具有裂纹缺陷的环焊缝的失效概率为9.8×10^-7，可靠度为0.99999902，对照标准GB/T 29167中规定的管道可接受的失效概率最高为10^-5，可知评价结果在安全范围内。因此，该条管道中具有裂纹缺陷的环焊缝处于可接受的安全水平，无需对管道进行维修或更换。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于应变的管道环焊缝可靠性评价方法，其特征在于，包括：

对管道上有裂纹缺陷的环焊缝进行测试，获得基本力学参数；

对所述有裂纹缺陷的环焊缝进行几何检测，获得几何参数；

对工况时的管道进行轴向应变测试，获取载荷参数；

对所述基本力学参数、几何参数和载荷参数进行统计分析，获得参数的最佳统计分布类型；

根据裂纹缺陷的类型和断裂失效模式，采用基于应变的可靠性分析，建立管道的极限状态方程；

基于所述最佳统计分布类型和极限状态方程，获得所述环焊缝的失效概率；

基于所述环焊缝的失效概率，得到所述环焊缝的可靠度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基本力学参数包括屈强比和断裂韧性；

所述几何参数包括管道壁厚、裂纹长度、裂纹深度；

所述载荷参数为轴向应变。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述裂纹缺陷的类型为表面环向缺陷或深埋缺陷。

4.根据权利要求3所述的方法，所述建立管道的极限状态方程包括：

基于所述表面环向缺陷，确定极限应变ε_t ^crit，计算公式如下：

其中，δ_mat表示断裂韧性，单位为毫米；λ表示屈强比；ξ表示相对缺陷长度，取值2c/t；η表示相对缺陷深度，取值a/t；t表示管道壁厚，单位为毫米；a表示裂纹深度；c表示裂纹一半长度；

建立极限状态函数G(x)＝ε_t ^crit-ε_t，其中ε_t表示轴向应变；

当极限应变等于轴向应变时，管道处于临界失效状态，所述极限状态方程为G(x)＝ε_t ^crit-ε_t＝0。

5.根据权利要求3所述的方法，所述建立管道的极限状态方程包括：

基于所述深埋缺陷，确定极限应变ε_t ^crit，计算公式如下：

其中，ε_mat表示断裂韧性，单位为毫米；λ表示屈强比；ξ表示相对缺陷长度，取值2c/t；η表示相对缺陷深度，取值2a/t，ψ表示相对缺陷高度，取值d/t；t表示管道壁厚，单位为毫米；a表示裂纹深度；c表示裂纹一半长度；d表示裂纹与管道表面之间的距离；

建立极限状态函数G(x)＝ε_t ^crit-ε_t，其中ε_t表示轴向应变；

当极限应变等于轴向应变时，管道处于临界失效状态，所述极限状态方程为G(x)＝ε_t ^crit-ε_t＝0。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，获得所述环焊缝的失效概率进一步包括：

根据所述参数的最佳统计分布类型，建立概率密度函数f_X(x_i)(i＝1,2,...,6)；

设置抽样次数n；

产生0-1的均匀分布随机数；

将0-1的均匀分布随机数应用于概率密度函数f_X(x_i)(i＝1,2,...,6)，产生所述屈强比、断裂韧性、管道壁厚、裂纹长度、裂纹深度和轴向应变的随机样本点x_j；

将所述随机样本点x_j代入极限状态函数G(x)＝ε_t ^crit-ε_t中；

在失效域F＝{x|G(x)≤0}内统计环焊缝失效的样本点数n_f，计算失效频率n_f/n，所述失效频率n_f/n表示失效概率P_f的估计值

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述失效概率P_f得到所述环焊缝的可靠度P_r，计算公式如下：

P_r＝1-P_f。

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