管道沟槽缺陷破裂强度评估方法研究

管道在安装施工及运行中不可避免地会出现机械损伤,机械损伤破裂是管道的主要失效形式之一,沟槽缺陷是管道机械损伤的主要形式。国际上普遍采用NG-18公式评估管道沟槽缺陷。将各种形式的NG-18公式计算结果与试验结果进行比较,得出流变应力是影响NG-18公式预测失效应力的主要因素。采用修正后的ASME B31G标准中的Folias因子与取均值的流动应力的组合最接近实际情况,是一种比较理想的评估方法。     

含体积型缺陷钢管的剩余强度计算与水压爆破试验验证

采用几个国际上的主流评价方法分别对63根含体积型缺陷的低钢级钢管和X70高钢级钢管进行了剩余强度计算,并将计算结果与钢管实物水压爆破试验结果进行对比验证。针对低钢级钢管的失效压力预测,API 579-1的计算方法更为准确、安全,更适用于工程。修正ASME B31G计算方法的准确性仅次于API 579-1,但其计算结果的安全性与传统ASME B31G、BS 7910和PCORRC一样,都偏于危险。针对高钢级钢管的失效压力预测,ASME B31G传统和修正计算方法均较为准确、安全可靠。而API 579-1的计算结果偏于保守,BS 7910和PCORRC的计算结果分散性较大。     

基于应力投影的油气管道螺旋裂纹评估方法

目前国内外还没有针对管道螺旋裂纹的相关评估方法。为此,借鉴标准BS 7910中管道轴向裂纹和环向裂纹的评估方法,基于无限大平板斜裂纹将应力分解到裂纹方向及其垂直方向的求解思路,结合有限元模拟,提出了管道螺旋裂纹的评估方法：将螺旋裂纹的计算归结为轴向裂纹和环向裂纹的计算,根据无限大平板斜裂纹轴向裂纹和环向裂纹的复合计算公式,推导出管道螺旋裂纹应力强度因子的近似计算公式,并进行了静水压爆破验证试验。结果表明：该评估方法准确可靠,最大误差为5.62%,可以用于管道螺旋裂纹的工程评估。     

ASME B31G-2012标准在含体积型缺陷管道剩余强度评价中的应用研究

为了确定石油天然气输送管道能否在规定的管道压力下正常运行,避免油气管道发生安全事故,必须对含体积型缺陷的管道进行剩余强度评价。以断裂力学和工程实践经验相结合的半经验公式作为含体积型缺陷管道进行剩余强度评价的标准已经被国内外所广泛采用。为此分析研究了ASME B31G-2012标准的3种流变应力计算方法,得出各管线钢在选用不同方式计算流变应力时,管道剩余强度值之间所存在的差异,剩余强度评价结果也会存在着不同的保守性。进而计算了不同条件下安全系数的选取范围,讨论了地区等级变化对安全系数的影响程度;并针对ASME B31G-2012标准比较了原剩余强度计算公式和改进后的剩余强度计算公式,认为改进后公式通过改变鼓胀系数和缺陷投影面积降低了剩余强度评价结果的保守性;最后通过实际工程运用明确了流变应力、安全系数、剩余强度计算公式的选取原则。结论认为:在实际应用中需要综合考虑管道使用年限、管材性质、缺陷特征、所处地区等级、检测技术及业主要求等多方面的因素来确定如何选取评价管道剩余强度的相关参数。     

腐蚀管道剩余强度评价方法的对比研

综述了ASME B31G-1984、ASME B31G-1991、DNV RP-F101以及PCORRC等4种腐蚀管道剩余强度的评价方法，从安全准则、适用缺陷类型、适用管材强度等级等几个方面进行了分析、比较。基于全尺寸爆破试验结果验证，指出修改后的ASME B31G的保守性有所降低，但仍然存在较大的安全裕量。PCORRC和DNV采用了基于爆破强度的安全准则，因此更适应中、高强度等级管道的缺陷评定。计算并分析了流变应力的选取、腐蚀面积的简化计算、Folias鼓胀因子等因素对腐蚀管道剩余强度评价结果的影响程度。旨在便于评定人员选取合适的评价方法，进而提升管道安全运营管理水平。     

基于BS7910复合管海底管道对接焊缝ECA评估研究

依据英国标准BS7910对含缺陷复合管海底管道对接接头进行了工程临界评估（ECA）。根据管体与焊缝拉伸试验结果确定评定曲线;按照DNV—OS—F101标准对管道取样,进行焊缝和HAZ的CTOD试验,选取最低值作为评定断裂韧性值;在评定计算中分别考虑了静态应力、循环应力、残余应力和应力集中等影响,给出了在敷设条件下考虑疲劳和不考虑疲劳时表面裂纹的极限尺寸。评估结果较DNV—OS—F101规定尺寸宽松,可见复合管含缺陷焊接接头安全裕度很高,从而为海底管道敷设过程中的焊接缺陷评估和验收提供了经验和依据。     

压力管道失效评定规范及安全评定概况研究

介绍了目前国外最具代表性的BS 7910,SINTAP和API 579三种压力管道失效评定方法及规范,以及我国制定的用于管道及压力容器安全评定的CVDA—1984《压力容器缺陷评定规范》和GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》。分析了国内外压力管道安全评定研究概况,指出国内近年来开展的研究主要基于"合于使用"原则,采用R6,SINTAP,CVDA—1984,BS 7910,ASME和在用含缺陷压力容器安全评定等标准对含缺陷压力管道进行安全评定,还需进一步结合国内管道运营以及安全评定实际状况,形成更具有本国特色的管道完整性安全管理体系。     

腐蚀缺陷对中高强度油气管道失效压力的影响

腐蚀管道评价规范ASME-B31G、BS7910、DNV-RP-F101、PCORRC大多以X60以下中低强度管道为研究对象,对X60以上中高强度油气管道的评价具有一定的保守性。笔者以X65和X80两种中高强度管材为研究对象,采用非线性有限元法分析了带腐蚀缺陷油气管道的失效压力,研究了腐蚀缺陷深度、腐蚀缺陷长度、腐蚀缺陷宽度和腐蚀缺陷位置对带腐蚀缺陷油气管道失效压力的影响,建立了包含腐蚀缺陷深度、腐蚀缺陷长度、腐蚀缺陷位置等参数的带腐蚀缺陷油气管道失效压力计算方法。与现有标准提供的计算方法和试验结果对比表明：本文拟合得到的计算方法误差小,保守性低,可以满足X60以上中高强度腐蚀管道失效压力的预测要求。     

含体积型缺陷油气管道剩余强度评价标准对比分析研究

从适用范围、限制条件、基本评价准则、关键参数取值、公开试验数据等方面对比分析了国内常用6项油气管道体积型缺陷剩余强度评价标准。结果发现:在原理上,ASME B31G-2012、API 579-1-2007、SY/T 6477-2014、SY/T 6151-2009均采用了失效应力评价方法;GB/T 19624-2004也基于极限载荷评价,但没有使用鼓胀因子;BS 7910-2013以失效评估图横坐标是否达到临界值作为评判准则。在适用范围上,6项标准均可进行钢管、焊缝缺陷的评价。标准通用限制条件为:管道材料是韧性的,不存在疲劳环境,服役温度满足设计要求,不存在应力集中,非尖锐缺陷。对于焊缝气孔、夹渣、咬边缺陷基于尺寸的直接评价,可依据BS7910-2013或GB/T 19624-2004进行。对于典型体积型缺陷的剩余强度评价,建议的选择次序为:国外标准ASME B31G-2012、API 579-1-2007、BS7910-2013,国内标准:SY/T 6151-2009、SY/T 6477-2014、GB/T 19624-2004。     

基于管道爆破试验对ASME B31G标准中相关参数的修正

ASME B3lG标准是针对含体积缺陷压力管道进行剩余强度评价的标准.运用此标准对陕西靖边地区天然气集输站在役管道进行了剩余强度的计算,针对B31G标准计算的剩余强度相对水压爆破试验结果过于保守的问题,考虑到B3lG标准的适用范围,从Mises等效应力和流变应力两个方面对B31G标准计算方法进行了修正.结果表明,修正后的评价结果更接近试验结果.降低了原标准的保守性,同时又能保证一定的安全裕度.     

打孔管道焊接修复结构承压能力的全尺寸实验评价

将打孔管道的焊接修复结构区分为单开孔和密集开孔两种类型。完成了一组管道修复结构的全尺寸爆破与疲劳实验,测量了修复结构中的应变分布,分析了应力集中、屈服极限压力和爆破压力等因素。结果表明,修复结构的屈服极限压力和完好管道相比有所降低,最低值为完好管道屈服极限压力的85%,而各种修复结构的爆破压力基本相同,约为完好管道爆破压力的96%。单孔管道的破裂位置均远离焊接结构处,多孔管道的爆破发生在两管帽之间,说明多管帽修复结构不利于管道承压。修复结构存在一定程度的应力集中,环向应力集中系数最大为1.65,轴向应力集中系数最大为2.25。对于经过5 000次循环载荷的修复结构,其屈服极限压力、爆破压力及爆破位置与未经过疲劳载荷的修复结构情况基本相同,表明修复结构有较好的抗疲劳破坏能力。通过试验验证了打孔管道修复结构的承压能力。     

输气管道高强度试压全尺寸爆破实验

针对国际上输气管道普遍采用高强度试压的趋势,通过含缺陷管道全尺寸爆破实验及大量统计数据,分析了高强度试压对管道塑性变形及管道承压能力逆转的影响。研究结果表明,对于新建管道,当管道试压产生的环向应力为100％～110％SMYS（规定的最小屈服强度）时,管道不会产生较大的塑性变形,高强度试压引起管道的承压能力逆转量不大。该研究成果可为我国适当提高管道试压压力提供一定的实验数据支持。     

管道焊接缺陷合于使用评定技术进展

为保证大型结构及长距离油气输送管线的结构完整性，有关国家先后制定了以“合于使用”为原则的缺陷评定标准，在管道建设中发挥了巨大作用。重点讨论了R6，API579，BS7910和SINTAP评定技术的最新发展与相互联系，为我国管道评定技术研究提供参考。     

Simulation of single phase non-Newtonian flow characteristics of heavy crude oil through horizontal pipelines

The effect of diameter, velocity, and temperature on flow properties of heavy crude oil in three horizontal pipelines using computational fluid dynamics (CFD) was studied. The flow characteristics were simulated by using CFD software, ANSYS Fluent 6.2. The mesh geometry of the pipelines having inner diameter of 1, 1.5, and 2 inch were created by using Gambit 2.4.6. From grid independent study, 221, 365 mesh sizes were selected for simulation. The CFD ANSYS Fluent 6.2 Solver predicted the flow phenomena, pressure, pressure drop, wall shear stress, shear strain rate, and friction factor. A good agreement between experimental and CFD simulated values was obtained.     

油气集输管线中气液两相团状流

针对油气集输管线中气液两相团状流的流动机理和特点,将每一段塞单元划分为带液层的气塞区和液塞区两个区域.对气塞区,采用分流模型建立了其水力计算模型;对液塞区,采用均流模型建立了其水力计算模型,并用实验数据关联了液塞区气液混合物的沿程阻力系数与雷诺数之间的相关式.通过气塞区和液塞区水力计算模型的结合,给出了团状流的水力计算模型.经大庆油田12井次实际生产数据检验,该水力计算模型所预测的压力梯度比传统的按流动状态所预测的压力梯度更符合实际值.     

含缺陷结构常规安全评定中分安全系数的研究

为了完善含缺陷结构的评定规范,介绍了BS7910和API579使用的分安全系数及其由来,并通过构造极限状态方程,利用一次二阶矩法模拟了求解目标可靠度水平下分安全系数的过程,并以实例说明采用该方法求出的分安全系数是合理的。通过对比API579、BS7910中推荐的分安全系数和应用一次二阶矩法计算实例中的分安全系数,找出三者之间的保守度关系,再次证明利用一次二阶矩法求解常规含缺陷结构安全评定中分安全系数的方法是切实可行的。     

水平及倾斜圆管中油水两相分层流界面波对摩擦压降的影响

油水两相流在重力和界面张力共同作用下发生分层,由于剪切应力的作用,在管道流动中产生摩擦压降,油水两相分层流在流动参数改变时产生界面波,其对摩擦压降产生影响。实验研究水平和倾斜管道油水两相波状分层流界面波特性及其对摩擦压降的影响,并改进一维双流体模型预测摩擦压降。研究结果表明,管道倾角增加时,油水两相分层流界面波振幅增大,其对摩擦压降的影响也随之增强,改进的考虑界面波振幅的模型在不同管道倾角中的摩擦压降预测结果与实验数据吻合好。