CN117669283A - 一种在役管件的材质合于使用评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在役管件的材质合于使用评价方法，包括以下步骤：通过在役管件的有限元分析模型获取待评价在役管件在预先设定的不同屈服强度下的安全运行内压；将不同屈服强度对应的安全运行内压与待评价在役管件的设计内压进行比较，获得屈服强度安全边界；通过屈服强度安全边界获取硬度安全边界值；获取待评价在役管件不同测试区域的硬度值；将待评价在役管件不同测试区域的硬度值与所述硬度安全边界值进行比较，若待评价在役管件不同测试区域的硬度值均不小于硬度安全边界值，则待评价在役管件合于使用，反之待评价在役管件不合于使用。该方法简单可靠，有效解决了天然气站场管件使用者对在役管件材质强度的现场评价，确保了使用的安全性。
Description
技术领域
本发明属于在役管件的安全评价技术领域，涉及一种在役管件的材质合于使用评价方法。
背景技术
天然气运输过程中涉及到大量的站场与阀室，站场与阀室中使用了大量的管件，包括各种规格尺寸的弯头、三通、管帽、异径大小头和法兰。另外站场集中了大量的工艺设备、自控仪表。一旦出现事故，不仅影响管线的输气功能，而且会造成大量的设备损坏和人员伤亡。以三通为例，其主要制造方法是对焊制管坯采用热挤压成形的制造的。由于大口径三通的形状的复杂性与壁厚不均匀性使得三通的热处理工艺要求非常严格。大口径三通热处理工艺主要是淬火+高温回火。正常合格的X70三通金相组织为贝氏体为主组织，但是大口径三通热处理工艺不合格，如淬火冷却速度达不到，高温回火时间不足等，则大口径三通的组织状态就会以铁素体为主。目前大口径三通的出厂检验的方式中不可能对全部大口径三通进行破坏性理化性能测试。这使得成批大口径三通的强度性能情况处于不可知状态。由于大口径三通的强度性能直接影响其承压能力，则明确服役大口径三通的强度性能对石油天然气场站建设至关重要。“合于使用”原则是以断裂力学、材料力学、弹塑性力学及可靠性系统工程为基础的严密的科学准则，保证承压结构在服役期间不发生任何已知机制如脆性破坏、疲劳失效、应力腐蚀的失效事故。因此该原则为承压结构的设计、制造和安全使用提供了重要的依据和强有力的手段。
现有技术中只对出厂管件材质抽样破坏性检验，如需判断一批在役管件材质是否符合标准要求，目前可能需动火割管进行测试，成本高且操作复杂，另外，鲜有对在役管件材质方面合于使用的检测评价的报道，如何利用无损方式对在役站场与阀室中的管件强度性能进行快速的安全评价，对于保障管件的安全可靠运行尤为重要。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种在役管件的材质合于使用评价方法，从而有效解决了天然气站场管件使用者对在役管件材质强度现场无损评价的技术问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种在役管件的材质合于使用评价方法，包括以下步骤：
通过在役管件的有限元分析模型获取待评价在役管件在预先设定的不同屈服强度下的安全运行内压；
将所述不同屈服强度对应的安全运行内压与待评价在役管件的设计内压进行比较，获得待评价在役管件的屈服强度安全边界；
通过所述待评价在役管件的屈服强度安全边界获取待评价在役管件的硬度安全边界值；
获取待评价在役管件不同测试区域的硬度值；
将所述待评价在役管件不同测试区域的硬度值与所述待评价在役管件的硬度安全边界值进行比较，若待评价在役管件不同测试区域的硬度值均不小于所述硬度安全边界值，则待评价在役管件合于使用，反之所述待评价在役管件不合于使用。
优选的，通过待评价在役管件的几何参数、材质参数以及运行工况参数建立不同材质管件的有限元分析模型。
优选的，所述几何参数包括待评价在役管件的壁厚、形状、长度、管径以及焊接坡口；所述材质参数包括待评价在役管件的材料类型、材料屈服强度以及抗拉强度；所述运行工况参数包括待评价在役管件的设计内压。
优选的，所述预先设定的不同屈服强度的最大值与所述待评价在役管件标准要求屈服强度的最小值相等。
优选的，所述待评价在役管件在预先设定的不同屈服强度下的安全运行内压的获取过程具体为：首先获取极限内压，并通过极限内压获取安全运行内压。
优选的，所述极限内压的获取过程为：将所述有限元分析模型在预先设定的不同屈服强度下进行内压加载，并获取待评价在役管件在不同屈服强度下的等效应力分布结果，直到内压加载至待评价在役管件任一部位全壁厚截面的等效应力结果达到预先设定的屈服强度，此时所加载的内压为极限内压。
优选的，所述安全运行内压为极限内压与设计系数之积。
优选的，所述屈服强度安全边界的获取过程具体为：将所述不同屈服强度对应的安全运行内压与待评价在役管件的设计内压进行对比，若存在安全运行内压与所述设计内压一致，则与所述设计内压一致的安全运行内压所对应的屈服强度为屈服强度安全边界，若设计内压位于安全运行内压的两个数值之间，则采用多项式将不同屈服强度和对应的安全运行内压数据进行拟合，从而获取屈服强度与安全运行内压的拟合模型，并通过设计内压以及所述屈服强度与安全运行内压的拟合模型，获取屈服强度安全边界。
优选的，所述硬度安全边界值的获取过程具体为：
获取待评价在役管件通过破坏性屈服强度和硬度测试累计的不同屈服强度与硬度数据；
采用多项式拟合方式对所述通过破坏性屈服强度和硬度测试累计的不同屈服强度与硬度数据进行拟合，获取屈服强度与硬度的拟合模型；
通过所述屈服强度安全边界以及所述屈服强度与硬度的拟合模型获取所述待评价在役管件的安全硬度边界。
优选的，所述待评价在役管件不同测试区域的硬度值的获取过程具体为：从待评价在役管件上选取若干测试区域，对每个测试区域进行若干次硬度测量，并获得若干次硬度测量结果的平均值，所述不同测试区域的硬度值为若干次硬度测量结果的平均值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
一种在役管件的材质合于使用评价方法，通过建立不同材质管件的有限元分析模型，并利用该有限元分析模型获取了待评价在役管件在不同屈服强度下的安全运行内压，然后将不同屈服强度对应的安全运行内压与待评价在役管件的设计内压进行比较，获得待评价在役管件的屈服强度安全边界，并通过该屈服强度安全边界获取待评价在役管件的硬度安全边界值，然后结合在役管件不同测试区域的实际硬度值，进行比对分析，得出在役管件的使用性能。该方法为无损检测方式，利用的数据均为待评价管材的现有累计数据，无须动火割管，成本低，方法简单易操作。该方法可以使管件的使用者与管理者能够快速对管件材质的使用安全性进行评价。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明中一种在役管件的材质合于使用评价方法的流程示意图；
图2为本发明中三通检测区域示意图；
图3为本发明中弯管检测区域示意图；
图4为本发明中异径大小头管件检测区域示意图；
图5为本发明中管帽和封头检测区域示意图；
图6为本发明中法兰检测区域示意图；
图7为本发明实施例2中三通的结构示意图。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
如图1所示，本发明提供一种在役管件材质合于使用的评价方法。该方法包括：获取待评价管件的结构、几何和工况参数，建立含不同屈服强度(如0.5YS、0.6YS、0.7YS、0.8YS、0.9YS、YS)的材料模型的管件有限元分析模型进行模拟计算，获取不同屈服强度材料模型对应的安全运行内压，然后以设计压力(即设计内压)与不同屈服强度对应的安全运行内压比较，确定与设计压力一致的安全运行压力对应的屈服强度。以此屈服强度为边界，代入到待评价管件的屈服强度与硬度关系中，得到待评价管件的硬度边界。根据获取的待评价在役管件硬度边界对管件进行安全评价。待评价在役管件的硬度值高于硬度边界则安全，即符合使用要求，低于硬度边界则不符合使用要求，需进行修复。其中，本发明中的在役管件包括弯头、三通、清管三通、管帽和异径大小头等天然气站场与阀室内的管件。
具体评价过程如下：一种在役管件的材质合于使用评价方法，包括以下步骤：
1、通过不同材质管件的有限元分析模型获取待评价在役管件在预先设定的不同屈服强度下的安全运行内压；
其中，通过待评价在役管件的几何参数、材质参数以及运行工况参数建立不同材质管件的有限元分析模型；几何参数包括待评价在役管件的壁厚、形状、长度、管径以及焊接坡口等描述管件完整结构的几何参数；材质参数包括待评价在役管件的材料类型、材料屈服强度以及抗拉强度；运行工况参数包括待评价在役管件的设计内压以及待评价管件其它受载参数。
其中，预先设定的不同屈服强度的最大值与所述待评价在役管件的名义屈服强度相等。即不同屈服强度为低于名义屈服强度一定梯度的屈服强度，间距可以设定为相同，如0.5YS、0.6YS、0.7YS、0.8YS、0.9YS以及YS，或者0.5YS至YS之间更细的屈服强度间距，其中YS为标准要求屈服强度最小值。
另外，待评价在役管件在预先设定的不同屈服强度下的安全运行内压的获取过程具体为：首先获取极限内压，并通过极限内压获取安全运行内压。
其中，极限内压的获取过程为：将所述有限元分析模型在预先设定的不同屈服强度的材料模型下进行内压加载，并获取待评价在役管件在不同屈服强度下的等效应力分布结果，直到内压加载至待评价在役管件任一部位全壁厚截面的等效应力结果达到预先设定的屈服强度，此时所加载的内压为极限内压。安全运行内压为极限内压与设计系数之积。设计系数是根据天然气站场所在地区等级所确定，一般管材的设计文件中都会明确指出。
2、将该不同屈服强度对应的安全运行内压与待评价在役管件的设计内压进行比较，获得待评价在役管件的屈服强度安全边界；
屈服强度安全边界的获取过程具体为：将不同屈服强度对应的安全运行内压与待评价在役管件的设计内压进行对比，若存在安全运行内压与所述设计内压一致，则与所述设计内压一致的安全运行内压所对应的屈服强度为屈服强度安全边界，若设计内压位于安全运行内压的两个数值之间，则采用多项式将不同屈服强度和对应的安全运行内压数据进行拟合，从而获取屈服强度与安全运行内压的拟合模型，并通过设计内压以及所述屈服强度与安全运行内压的拟合模型，即将设计内压代入屈服强度与安全运行内压的拟合模型中，获取屈服强度安全边界。
3、通过所述待评价在役管件的屈服强度安全边界获取待评价在役管件的硬度安全边界值；
获取待评价在役管件的不同屈服强度与硬度数据，此处不同的屈服强度以及硬度数据来源于厂家或者检测机构的破坏性检验的样本数据；
采用多项式拟合方式对不同屈服强度与硬度数据进行拟合，获取屈服强度与硬度的拟合模型；
通过屈服强度安全边界以及所述屈服强度与硬度的拟合模型获取所述待评价管件的安全硬度边界。
4、获取待评价在役管件不同测试区域的硬度值；
其中，待评价在役管件不同测试区域的硬度值的获取过程具体为：从待评价在役管件上选取若干测试区域，对每个测试区域进行若干次硬度测量，并获得若干次硬度测量结果的平均值，将所述平均值作为最终的硬度值。
另外，管件类型的不同，选取的测试区域也不同，具体为：
(1)对于大口径三通，从现场检测的可行性来看，如图2所示，三通需要检测的部位在大口径三通检测位置的选择时应选择三通支管处(区域1)、三通主管端部(区域2和区域3)、三通主管底部(区域5)和三通主管腹部(区域4)。在三通上述五处区域的每处区域测试3个里氏硬度值。
(2)对于弯头，如图3所示，需要检测弯管过渡区(区域1)，弯管的外弧侧(区域2)，中心线部位(区域3)，和弯管的内弧侧部位(区域4)。如果弯头的弯曲角过小，无损方式检测理化性能检测部位可舍弃内弧侧部位(区域4)，在弯头上述四处区域的每处区域测试3个里氏硬度值。
(3)对于异径大小头管件的无损方式检测部位，如图4所示，选择小头部位(区域1)，过渡区(区域2)和大头部位(区域3)，在异径大小头管件上述三处区域的每处区域测试3个里氏硬度值。
(4)对于管帽的无损方式检测部位，如图5所示，应选择管帽和封头顶部(区域1)以及端部区域(区域2)两个检测部位，在管帽和封头两处区域的每处区域测试3个里氏硬度值。
(5)对于法兰的无损方式检测部位，如图6所示，应选择法兰螺栓紧固端部(区域1)以及螺纹紧固区域(区域2)两个检测部位，在法兰两处区域的每处区域测试3个里氏硬度值。
对管件检测部位进行现场硬度检测，所用的检测仪为便携式里氏硬度计。针对待评价在役管件进行里氏硬度检测，将每处区域获取的三个里氏硬度值取平均值，再将获取的里氏硬度平均值换算成维氏硬度值。
5、将待评价在役管件不同测试区域的硬度值与待评价在役管件的硬度安全边界值进行比较，若待评价在役管件不同测试区域的硬度值均不小于所述硬度安全边界值，则待评价在役管件合于使用，反之所述待评价在役管件不合于使用。
实施例2
本实施例对某管道公司站场的DN1000×700三通管的使用性能进行评价。采用有限元模拟方式获取其屈服强度安全边界，换算成硬度安全边界，同时对三通的五处位置进行现场硬度检测，将检测得现场硬度值与硬度安全边界比较，进行安全评价。具体过程为：
(1)获限取待评价管件的有元建模参数
对在役DN1000×700三通管的几何参数进行全面测量，三通主管长1470mm，支管端面与主管中心距离720mm，主管外径1023mm，主管内径925.5mm，支管外径730mm，支管内径925.5mm，肩部壁厚为55mm，支管壁厚50mm，主管壁厚为50mm，如图7所示。三通材质为WFHY-485，名义屈服强度为485MPa，抗拉强度为570MPa。设计压力为12MPa，内压为唯一受载来源。
(2)建立不同屈服强度对应的有限元分析模型
在获取待评价管件的标准要求屈服强度最小值后，设定不同屈服强度的材料模型，设定屈服强度梯度为250MPa，300MPa，350MPa，400MPa，450MPa，485MPa。根据步骤1获取的待评价管件的几何参数、运行工况参数及以上述材料模型在ABAQUS模拟软件中建立不同材质下不同屈服强度对应的有限元分析模型。
(3)获取不同屈服强度对应有限元分析模型计算的安全运行内压
让屈服强度为250MPa，300MPa，350MPa，400MPa，450MPa，485MPa对应的有限元分析模型在内压线性加载，并进行计算，获取不同屈服强度对应有限元模型计算的等效应力分布结果。根据有限元模拟的等效应力结果，设置对应屈服强度边界，然后再查看等效应力随内压加载的分布，直到管件某一部位全壁厚截面的等效应力全部达到预设的屈服强度，即全截面屈服时，此时的内压为极限内压，0.5倍(设计系数)的极限内压即为安全运行内压。其中，在役管件有限元分析模型进行模拟计算，其中有限元分析模型是静态加压过程，材料模型为弹塑性模型。最后获取不同屈服强度对应有限元分析模型对应的安全运行内压，如表1所示。
表1 DN1000×700三通不同屈服强度有限元模型计算的安全运行内压
(4)获取与设计压力一致的安全运行压力对应的屈服强度
根据获取不同屈服强度对应有限元分析模型的安全运行内压，与设计压力12MPa进行对比，存在屈服强度为350MPa的计算的安全运行内压与设计压力12MPa一致，则其350MPa为屈服强度安全边界。
(5)获取待评价管件的安全硬度边界
根据已储备的待评价WFHY-485管件的破坏性理化性能试验，获取大量屈服强度与维氏硬度数据，此处大量屈服强度与维氏硬度数据来源于管厂、检验机构或文献中积累的破坏性检验数据。同样采用多项式拟合屈服强度与维氏硬度数据，获取屈服强度与维氏硬度最佳拟合模型为：
σs＝3.3HV-220
式中：σs为屈服强度，HV为维氏硬度。该屈服强度与维氏硬度最佳拟合模型可以来源于已储备的屈服强度与维氏硬度数据建立的拟合模型，也可以是标准给定的拟合模型。
然后，将步骤4获取的屈服强度安全边界350MPa代入到上述屈服强度与维氏硬度最佳拟合模型中，获取待评价管件的安全硬度边界为173HV10。
(6)采用安全硬度边界对待评价管件进行合于使用评价
对DN1000×700三通管如图2所示的检测位置，分别进行现场硬度检测，检测结果转化为维氏硬度值，见表2所示。
表2 DN1000×700三通管五处区域维氏硬度检测值
针对DN1000×700三通管五处的硬度值与硬度安全边界值173HV10进行比较分析，发现1、3、4和5区域的维氏硬度平均值低于硬度安全边界值173HV10，则DN1000×700三通管不合于使用，需进行补强修复。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过在役管件的有限元分析模型获取待评价在役管件在预先设定的不同屈服强度下的安全运行内压；
将所述不同屈服强度对应的安全运行内压与待评价在役管件的设计内压进行比较，获得待评价在役管件的屈服强度安全边界；
通过所述待评价在役管件的屈服强度安全边界获取待评价在役管件的硬度安全边界值；
获取待评价在役管件不同测试区域的硬度值；
将所述待评价在役管件不同测试区域的硬度值与所述待评价在役管件的硬度安全边界值进行比较，若待评价在役管件不同测试区域的硬度值均不小于所述硬度安全边界值，则待评价在役管件合于使用，反之所述待评价在役管件不合于使用。
2.根据权利要求1所述的一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，通过待评价在役管件的几何参数、材质参数以及运行工况参数建立不同材质管件的有限元分析模型。
3.根据权利要求1所述的一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，所述几何参数包括待评价在役管件的壁厚、形状、长度、管径以及焊接坡口；所述材质参数包括待评价在役管件的材料类型、材料屈服强度以及抗拉强度；所述运行工况参数包括待评价在役管件的设计内压。
4.根据权利要求1所述的一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，所述预先设定的不同屈服强度的最大值与所述待评价在役管件标准要求屈服强度的最小值相等。
5.根据权利要求1所述的一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，所述待评价在役管件在预先设定的不同屈服强度下的安全运行内压的获取过程具体为：首先获取极限内压，并通过极限内压获取安全运行内压。
6.根据权利要求5所述的一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，所述极限内压的获取过程为：将所述有限元分析模型在预先设定的不同屈服强度下进行内压加载，并获取待评价在役管件在不同屈服强度下的等效应力分布结果，直到内压加载至待评价在役管件任一部位全壁厚截面的等效应力结果达到预先设定的屈服强度，此时所加载的内压为极限内压。
7.根据权利要求5所述的一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，所述安全运行内压为极限内压与设计系数之积。
8.根据权利要求1所述的一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，所述屈服强度安全边界的获取过程具体为：将所述不同屈服强度对应的安全运行内压与待评价在役管件的设计内压进行对比，若存在安全运行内压与所述设计内压一致，则与所述设计内压一致的安全运行内压所对应的屈服强度为屈服强度安全边界，若设计内压位于安全运行内压的两个数值之间，则采用多项式将不同屈服强度和对应的安全运行内压数据进行拟合，从而获取屈服强度与安全运行内压的拟合模型，并通过设计内压以及所述屈服强度与安全运行内压的拟合模型，获取屈服强度安全边界。
9.根据权利要求1所述的一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，所述硬度安全边界值的获取过程具体为：
获取待评价在役管件通过破坏性屈服强度和硬度测试累计的不同屈服强度与硬度数据；
采用多项式拟合方式对所述通过破坏性屈服强度和硬度测试累计的不同屈服强度与硬度数据进行拟合，获取屈服强度与硬度的拟合模型；
通过所述屈服强度安全边界以及所述屈服强度与硬度的拟合模型获取所述待评价在役管件的安全硬度边界。
10.根据权利要求1所述的一种在役管件的材质合于使用评价方法，其特征在于，所述待评价在役管件不同测试区域的硬度值的获取过程具体为：从待评价在役管件上选取若干测试区域，对每个测试区域进行若干次硬度测量，并获得若干次硬度测量结果的平均值，所述不同测试区域的硬度值为若干次硬度测量结果的平均值。
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