CN117077326B - 基于可靠性理论的管道环焊缝抗拉强度指标确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于管道设计技术领域，具体涉及一种基于可靠性理论的管道环焊缝抗拉强度指标确定方法。本发明包括以下步骤：S1.获取已知参量，并通过概率分布模型来描述该设计管段所用管材的抗拉强度的实际分布特征，获得该设计管段所用管材的抗拉强度的统计分布规律；S2.设置焊缝抗拉强度，计算所述焊缝抗拉强度条件下10⁶组数据分别对应的焊缝强度匹配系数；S3.计算所述焊缝抗拉强度条件下10⁶组数据分别对应的极限状态值Z，随后计算可靠度P _R ；S4.校核和调整。本发明可实现基于目标管段变形能力需求和目标可靠度要求的焊缝金属抗拉强度指标精准设计，能保证管道环焊缝的承载能力始终满足设计所需。

Description

基于可靠性理论的管道环焊缝抗拉强度指标确定方法

技术领域

本发明属于管道设计技术领域，具体涉及一种基于可靠性理论的管道环焊缝抗拉强度指标确定方法。

背景技术

环焊缝是油气管道的薄弱环节，现场焊接时由于施工条件与焊接工艺的限制，环焊缝不可避免的会出现未熔合、裂纹、夹渣等缺陷；此时，一旦受到外载荷的作用，极有可能在环焊缝的缺陷位置发生断裂，进而引发事故。为提高管道环焊缝的安全，工业界追求提高管道现场焊接时焊缝金属的强度，以便实现环焊缝金属强度相较于母材强度的高匹配，从而保证环焊缝具有一定抵抗变形的能力。然而，目前新建油气管道管材常选用的X80钢，其强度在工程中往往是一个波动的范围，例如中石油《油气储运项目设计规定》对X80钢抗拉强度提出的性能指标范围为625MPa~825MPa，差值达200MPa。现有技术多参考国外经验做法，要求管道环焊缝的抗拉强度不小于管材的名义抗拉强度也即强度允许范围的下限即可，例如对于X80管材来说，要求焊缝的抗拉强度不小于625MPa就可以了；这种经验做法忽略了管材本体强度在实际工程中是波动的客观事实，方法本身缺乏科学依据。又由于当前管厂制造水平不断提升，出厂的大部分钢管的抗拉强度都要远高于前述的名义抗拉强度，这就导致现实中大量出现不加核实的“拿来即用”的情况，很可能会造成大量油气管道的焊缝强度处于实际低匹配的状态，无法保证管道环焊缝的承载能力，失效可能性高。因此，亟待解决。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提出了一种基于可靠性理论的管道环焊缝抗拉强度指标确定方法；该方法能够准确考虑工程中管材抗拉强度的实际分布特征，利用可靠性理论精确计算焊缝金属抗拉强度与管道环焊缝失效概率的定量关系，从而实现基于目标管段变形能力需求和目标可靠度要求的焊缝金属抗拉强度指标精准设计，能保证管道环焊缝的承载能力始终满足设计所需。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

基于可靠性理论的管道环焊缝抗拉强度指标确定方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.获取已知参量，包括设计管段所用管材的抗拉强度允许范围、焊接接头最大允许错边量h、焊缝最小断裂韧性、设计管段的应变能力需求/>与目标可靠度/>，并通过概率分布模型来描述该设计管段所用管材的抗拉强度/>的实际分布特征，获得该设计管段所用管材的抗拉强度/>的统计分布规律；

S2.在设计管段的所用管材的抗拉强度允许范围内设置焊缝抗拉强度；根据设计管段所用管材的抗拉强度/>的统计分布规律对其进行10⁶次抽样，并根据下式计算所述焊缝抗拉强度/>条件下10⁶组数据分别对应的焊缝强度匹配系数m：

；

S3.由下式计算所述焊缝抗拉强度条件下10⁶组数据分别对应的极限状态值Z：

式中：

为设计管段的环焊缝应变能力；

a ₁ ~a ₁₄ 为拟合系数，其中a ₁ = -0.00233；a ₂ = 0.00303；a ₃ = -0.00026；a ₄ = -0.00057；a ₅ = 0.00301；a ₆ = 5.48794；a ₇ = -0.10906；a ₈ = 0.00894；a ₉ = -12.27571；a ₁₀ =9.34222；a ₁₁ = -2.36128；a ₁₂ = -0.00791；a ₁₃ = 0.02640；a ₁₄ = -0.00244；

再由下式，计算获得当前的焊缝抗拉强度条件下的设计管段的环焊缝抗拉强度指标的可靠度P _R ：

式中：

N（Z＞0）为10⁶组样本中极限状态值Z>0的数量；

S4.设定基准阈值A，若步骤S3中计算获得的可靠度P _R 满足下式，则步骤S2中设置的焊缝抗拉强度可作为设计管段的焊缝抗拉强度指标；否则，调整焊缝抗拉强度/>的取值，并重复步骤S2～步骤S4，直至计算出的可靠度P _R 满足下式：

。

优选的，所述步骤S4中，调整焊缝抗拉强度的取值的具体步骤为：

当时，在原焊缝抗拉强度取值基础上增加数值；

当时，在原焊缝抗拉强度取值基础上减小数值。

优选的，所述步骤S4中，基准阈值A=5。

优选的，所述步骤S2中，利用Matlab软件根据设计管段所用管材的抗拉强度的统计分布规律进行10⁶次抽样。

本发明的有益效果在于：

现有技术忽略了工程中管道抗拉强度实际离散分布的客观事实，仅要求焊缝的抗拉强度高于管材的抗拉强度允许范围的下限，这种经验式的验证方式，显然无法保证环焊缝的本质安全。本发明为确保薄弱环节环焊缝的安全，采用了可靠性算法，根据管材本体强度分布规律，基于管道环焊缝极限状态方程从概率的角度，来确定满足目标可靠度条件下的焊缝金属抗拉强度指标要求。

换言之，本发明的计算方法，能够准确考虑工程中管材抗拉强度的实际分布特征，并基于管道环焊缝的极限状态方程，依据不同地段管道设计时对于环焊缝承载能力的要求，重点考虑工程中管材实际的强度分布规律，从而利用可靠性理论精确计算焊缝金属抗拉强度与管道环焊缝失效概率的定量关系，实现基于目标管段变形能力需求和目标可靠度要求的焊缝金属抗拉强度指标精准设计，最终能为新建油气管道环焊缝的设计提供有效参考。

附图说明

图1为实施例1的系统流程示意图；

图2为实施例1的10⁶组样本的焊缝强度匹配系数分布图；

图3为实施例1的10⁶组样本的极限状态值分布图。

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1-图3，对本发明的具体工作流程作以下进一步描述：

1）根据工程建设需求，输入设计管段的焊接接头最大允许错边量h、焊缝最小断裂韧性、设计管段的应变能力需求/>与目标可靠度/>；统计设计管段所选用管材的抗拉强度试验数据，选择概率分布模型，描述该等级管材的抗拉强度也即设计管段所用管材的抗拉强度/>的实际分布特征，为开展环焊缝强度指标计算提供基础信息数据。

概率分布模型包括正态分布、对数正态分布、泊松分布、指数分布等；实际选择时，根据该等级管材的抗拉强度实际分布特征酌情选用即可，选择过程为常规的数学选择方式，此处就不再赘述。

2）在设计管段的所用管材的抗拉强度允许范围内设置焊缝抗拉强度，利用Matlab软件，根据该等级管材抗拉强度的统计分布规律对该等级管材抗拉强度也即设计管段所用管材的抗拉强度/>进行10⁶次抽样，并根据式a计算该焊缝抗拉强度条件下10⁶组数据分别对应的焊缝强度匹配系数m：

...式a

式中：

为焊缝抗拉强度；

为设计管段所用管材的抗拉强度。

3）根据式b计算所述焊缝抗拉强度条件下10⁶组数据分别对应的极限状态值Z：

...式b

式中：

为设计管段的环焊缝应变能力；

是管道环焊缝应变能力需求，是步骤1）的基本参数条件，也即已知参量；

a ₁ ~a ₁₄ 为拟合系数，其中a ₁ = -0.00233；a ₂ = 0.00303；a ₃ = -0.00026；a ₄ = -0.00057；a ₅ = 0.00301；a ₆ = 5.48794；a ₇ = -0.10906；a ₈ = 0.00894；a ₉ = -12.27571；a ₁₀ =9.34222；a ₁₁ = -2.36128；a ₁₂ = -0.00791；a ₁₃ = 0.02640；a ₁₄ = -0.00244；

h是管道环焊缝焊接允许的最大错边量，单位mm；

是焊缝最小断裂韧性，单位mm；

m是焊缝强度匹配系数。

再由式c，计算获得当前的焊缝抗拉强度条件下的设计管段的环焊缝抗拉强度指标的可靠度P _R ：

...式c

式中：

N（Z＞0）为10⁶组样本中极限状态值Z>0的数量；10⁶组样本也即前述抽样所得的10⁶组数据。

4）若计算出的可靠度P _R 与目标可靠度满足式d，则该焊缝强度值可作为设计管段的焊缝抗拉强度指标；否则，调整焊缝抗拉强度的取值，也即当/>时，在原焊缝抗拉强度取值基础上增加数值；当/>时，在原焊缝抗拉强度取值基础上减小数值；并回到步骤2）重新计算，直到计算出的可靠度与目标可靠度满足式d：

...式d

其中：P _R 为可靠度；为目标可靠度。

实施例1

1.根据工程建设要求，设计管段采用X80钢级管道，抗拉强度允许范围为625MPa~825MPa，管道焊接接头最大允许错边量h为2.0mm，焊缝最小断裂韧性为0.5mm，设计管段的应变能力需求/>为0.5%，目标可靠度/>为0.9999。

管材抗拉强度满足均值为665MPa、标准差为20MPa的正态分布。

2.取焊缝抗拉强度=700MPa，利用Matlab软件，根据管材抗拉强度的统计分布规律对其进行10⁶次抽样，并根据前述的式a，计算该焊缝强度条件下10⁶组数据分别对应的焊缝强度匹配系数m，得到焊缝的强度匹配系数分布图，如图2所示。

图2中，纵坐标表示10⁶组数据中不同焊缝强度匹配系数出现的频数，可见10⁶组数据中焊缝强度匹配系数等于0.95所占比例最高，而焊缝强度匹配系数小于0.85以及大于1.05的频数非常低。

3.采用式b表示的管道环焊缝极限状态方程，计算该焊缝强度取值条件下10⁶组数据分别对应的极限状态值Z，并获得图3所示的10⁶组样本的极限状态值分布图。图3中，样本的极限状态值小于0表示该样本对应的工况会引起管道环焊缝失效。由图3可见，绝大多数样本的极限状态值要大于0，但仍存在少部分样本的极限状态值小于0。此时，根据极限状态计算结果，采用式c计算当前焊缝强度取值条件下管道环焊缝的可靠度P _R ，得P _R =0.9172。

4.由上可知，焊缝抗拉强度=700MPa下对应的可靠度P _R =0.9172，而目标可靠度=0.9999，两者共同代入式d中，发现不满足式d，此时增加焊缝抗拉强度/>至750MPa。

5.将焊缝抗拉强度=750MPa重新依序代入到式a～式c进行计算，最终得到焊缝抗拉强度/>=750MPa时，可靠度P _R =0.99994，此时，连同可靠度P _R 和目标可靠度/>共同代入式d中，发现满足式d，因此针对该管段可将焊缝的抗拉强度指标定为750MPa。

也即采用焊缝抗拉强度=750MPa作为设计管段的焊缝抗拉强度指标，可保证管道环焊缝的承载能力始终满足设计所需。

作为对比例，若采用现有技术，将焊缝抗拉强度指标定为X80管道抗拉强度允许范围的下限时，也即焊缝抗拉强度=625MPa时，管道的可靠度P _R 仅有0.0101，显然不能保证管道环焊缝的承载能力始终满足设计所需，管道的本质安全难以保障。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (3)

1.基于可靠性理论的管道环焊缝抗拉强度指标确定方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.获取已知参量，包括设计管段的所用管材的抗拉强度允许范围、焊接接头最大允许错边量

h、焊缝最小断裂韧性δ、设计管段的应变能力需求ε _demand 与目标可靠度，并通过概率分布模型来描述该设计管段所用管材的抗拉强度σ _b 的实际分布特征，获得该设计管段所用管材的抗拉强度σ _b 的统计分布规律；

S2.在设计管段的所用管材的抗拉强度允许范围内设置焊缝抗拉强度σ ₁ ；根据设计管段所用管材的抗拉强度σ _b 的统计分布规律对其进行10⁶次抽样，并根据下式计算所述焊缝抗拉强度σ ₁ 条件下10⁶组数据分别对应的焊缝强度匹配系数m：

；

S3.由下式计算所述焊缝抗拉强度σ ₁ 条件下10⁶组数据分别对应的极限状态值Z：

式中：

ε _c 为设计管段的环焊缝应变能力；

a ₁ ~a ₁₄ 为拟合系数，其中a ₁ = -0.00233； a ₂ = 0.00303；a ₃ = -0.00026；a ₄ = -0.00057；a ₅ =0.00301；a ₆ = 5.48794；a ₇ = -0.10906；a ₈ = 0.00894；a ₉ = -12.27571；a ₁₀ = 9.34222；a ₁₁ = -2.36128；a ₁₂ = -0.00791；a ₁₃ = 0.02640；a ₁₄ = -0.00244；

再由下式，计算获得当前的焊缝抗拉强度σ ₁ 条件下的设计管段的环焊缝抗拉强度指标的可靠度P _R ：

式中：

N（Z＞0）为10⁶组样本中极限状态值Z>0的数量；

S4.设定基准阈值A，若步骤S3中计算获得的可靠度P _R 满足下式，则步骤S2中设置的焊缝抗拉强度σ ₁ 可作为设计管段的焊缝抗拉强度指标；否则，调整焊缝抗拉强度σ ₁ 的取值，并重复步骤S2～步骤S4，直至计算出的可靠度P _R 满足下式：

调整焊缝抗拉强度σ ₁ 的取值的具体步骤为：

当时，在原焊缝抗拉强度取值基础上增加数值；

当时，在原焊缝抗拉强度取值基础上减小数值。

2.根据权利要求1所述的基于可靠性理论的管道环焊缝抗拉强度指标确定方法，其特征在于：所述步骤S4中，基准阈值A=5。

3.根据权利要求1或2所述的基于可靠性理论的管道环焊缝抗拉强度指标确定方法，其特征在于：所述步骤S2中，利用Matlab软件根据设计管段所用管材的抗拉强度σ _b 的统计分布规律进行10⁶次抽样。