基于超声波检测的管道内缺陷剩余强度研究

唐东林，陈 昂，赵 江，王 斌，袁晓红，任 杰，申鹏飞

基于超声波检测的管道内缺陷剩余强度研究

唐东林1，陈 昂1，赵 江2，王 斌2，袁晓红1，任 杰1，申鹏飞1

（1．西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室，成都610500；2．新疆金牛工程建设有限责任公司，新疆克拉玛依834008）①

利用超声波检测装置对管道内壁的标准缺陷进行检测，将检测结果与标准缺陷的尺寸数据进行对比分析。建立管道内缺陷的三维模型，采用有限元软件ANSYS对其失效压力和等效应力进行研究，分析不同尺寸的缺陷对管道失效压力的影响；同时利用A SmE B31 G评价准则对缺陷数据进行分析，获得腐蚀缺陷的失效压力和剩余强度。结果表明：超声波检测技术在管道内腐蚀缺陷检测具有可行性与可靠性；当缺陷深度为壁厚的65%以上时，随着缺陷长度的增加，非线性随机有限元预测结果与A SmE B31 G分析结果比较接近；当缺陷深度约为壁厚的35%时，随着缺陷长度的增加，两者结果相差较大。

内缺陷；超声波检测；A SmE B31 G；ANSYS；剩余强度

由于原油中杂质的冲刷以及化学腐蚀，管道内部产生不同类型的缺陷。随着含缺陷管道继续服役，缺陷区域产生应力集中从而严重影响管道承压能力，对管道的安全运行造成严重的危害。为了判断管道的腐蚀状况及危害程度，需要对管道的缺陷和剩余强度进行检测分析。

管道内腐蚀缺陷检测主要采用超声波检测［1］和漏磁检测［2］等无损检测技术。管道剩余强度分析主要采用ASmE B31G［3］评价准则和有限元分析方法；通对流变应力和缺陷面积修正［4-5］完善A SmE B31 G评价准则，提高剩余强度评价的准确性。随着有限元分析理论的不断成熟，有限元分析方法对管道缺陷的分析更加精确可靠［6-8］，通过有限元软件ANSYS对比分析不同强度和材料的管道，随着缺陷长度、深度和宽度增加以及缺陷之间相互位置的变化，管道剩余强度和失效压力的变化规律［9-11］。

对于有限元分析和ASmEB31G适用于何种类型的缺陷，本文利用超声波检测装置对缺陷进行检测并计算出缺陷尺寸，再利用有限元软件ANSYS对检测的缺陷进行的剩余强度和失效压力分析，将分析结果与ASmEB31G分析结果进行对比，讨论有限元和ASmE标准的适用性。

1　超声波检测与分析

1．1 超声波检测装置设计

超声波检测装置总体结构如图1所示，它由探头节、记录节和电源节等组成，采用万向节将各节进行连接。探头节在采用环形阵列布局，探头结构如图2所示，其内部包含探头信号处理系统和惯导系统；记录节用来存储超声波信号、惯导信号以及里程信号；电源节主要对探头、惯导装置和里程轮提供电源。通过管道内部的压差驱动该检测装置沿输油管道自动行走，在运动过程中，对输油管道内部腐蚀状况进行全程检测，并记录管道内部的数据，根据探头的环形阵列布局实现管道内全覆盖检测。为保证不低于10%的声束覆盖，阵列采用3列90路传感器，相邻探头之间的夹角为12°，列之间夹角为4°。

图1　超声波检测装置

图2　超声波检测装置探头布局

1．2 检测分析

检测装置的探头采用环向阵列布局实现对管道环向的全覆盖，从而对缺陷全方位检测；利用缺陷图形成像处理技术和缺陷深度计算公式对检测的缺陷信号数据进行分析，计算缺陷的深度、长度和宽度。

管道内缺陷的深度值计算公式为：

式中：di为在位置i处的缺陷深度，m；uf为反射波的速度，m／s；ti为在位置i处反射回波的时间，s；t0为探头在提离高度处测试无缺陷位置发射回波的时间，s。

2　剩余强度的评价方法

2.1 ASmE B31G评价分析

采用A SmE B31 G的二级评价方法（有效面积法）对缺陷数据进行分析。

管道内缺陷的环向剩余强度和失效压力为

膨胀压力系数M计算公式为

当L2／Dt≤50时：

当L2／Dt≥50时：

式中：SF为缺陷管道的环向剩余强度，MPa；Sflow为材料流变应力（Sflow＝σs＋69mPa），但Sflow不能超过拉伸强度σb；σs为屈服强度，M Pa；d为缺陷深度，mm；t为管道壁厚，mm；D为管道外径，mm；pF为缺陷管道的失效压力，MPa；L为缺陷长度，mm。

2.2 有限元AnSYS分析方法

2.2.1 模型结构和网格划分

该分析涉及到几何非线性和材料非线性的弹塑性问题，采用SOLID186单元，将缺陷简化为对称形状，截取缺陷部分的四分之一进行分析，将管道模型分割为3个部分，其中不规则的缺陷部分采用四面体单元进行划分；规则部分采用六面体单元进行自由扫掠划分。不同形状类型的缺陷网格划分如图3所示。

图3　不同形状缺陷网格划分

2．2．2 施加位移和压力

由于模型的对称性，在靠近缺陷的横截面、纵截面需要施加对称约束。埋地管道受到内压、土壤压力以及自重，但是土壤压力和自重对埋地直管道的影响不是很大，而内压才是管道的主要载荷，因此管道的内表面及缺陷表面承受内压载荷。

2．2．3 求解分析

管道的失效主要考虑的是几何非线性和材料非线性的弹塑性问题。选用M IS O材料模式，为了得到更为精确的塑性分析结果，应该缓慢施加载荷，在一个时间载荷步内，最大的塑性应变增量小于5%。同时通过开启自动时间步长来控制载荷的加载，采用线性搜索和预测器选项加快迭代过程。

2．2．4 失效判断标准

在缺陷管道的数值模拟分析中，腐蚀管线一般属于塑性失效，但对于腐蚀油气长输管线，通常采用第四强度理论。

一般情况下，由于管道的管道壁厚较薄，所以环向应力σ3可以忽略不计，V onmises应力σv为：

3　实例分析

以X56型管线钢为研究对象，管道外径为219mm，壁厚t为7．5mm。屈服强度为385mPa，抗拉强度为490mPa，弹性模量为2．06×105M Pa，安全系数为1．5；管道正常运行压力为1．6mPa。

缺陷的三维形状如图4所示。

表1包含标准缺陷尺寸和超声波检测分析的缺陷尺寸。标准缺陷是按设计的尺寸加工，以便验证超声波检测的精度。图5为超声波检测缺陷尺寸的精度分析，图6～8为缺陷时失效压力的影响分析。

表1　标准缺陷尺寸和检测缺陷尺寸　mm

图4　缺陷的等效应力云图

图5　超声波检测缺陷尺寸的精度

图6　标准尺寸的　ANSYS和A SmE失效压力误差

图7　标准缺陷深度对失效压力的影响

图8　标准缺陷长度对失效压力的影响

由图5对比分析发现，超声波检测技术在缺陷深度的检测方面其精度能够达到80%左右，利用缺陷图形成像处理技术对深度信号进行分析，计算得到的缺陷长度和宽度，计算结果的精度在75%左右，表明超声波检测技术在管道内腐蚀缺陷的检测方面可靠性较好。

由图6～8对比分析发现，利用有限元分析软件ANSYS分析的失效压力大于A SmE B31 G准则计算的失效压力；同时发现当缺陷深度为壁厚的65%以上时，随着缺陷长度的增加，非线性随机有限元预测结果与A SmE B31 G分析结果比较接近；当缺陷深度为壁厚的35%左右时，随着缺陷长度的增加，两者结果明显相差较大。

4　结论

超声波检测技术在管道内腐蚀缺陷检测方面可靠性高，深度检测精度可以达到80%。利用缺陷图形成像处理技术对超声波数据分析计算的缺陷长度和宽度，其分析结果精度达到75%。

非线性随机有限元分析的失效压力和ASmEB31G分析的结果相对误差比较大，主要在于ASmEB31G准则没有考虑宽度等方面的影响。当缺陷深度比较大时，随着缺陷长度增加，ASmE评价方法可靠性随之增高；当缺陷深度较小，随着缺陷长度的增加，ASmE B31G分析结果与非线性随机有限元分析结果的误差较大，表明ASmEB31G评价准则保守性大。

［1］ JB／T 4730．3—2005，承压设备无损检测第3部分：超声波检测［S］．

［2］ N B／T47013．8—2012，承压设备无损检测第8部分：泄漏检测［S］．

［3］ A SmE B31 G—2009，M anual for determining the remaining strength of corroded pipeline［S］．

［4］ 马彬，帅健，李晓魁，等．新版A SmE B31 G2009管道剩余强度评价标准先进性分析［J］．天然气工业，2011，31（8）：112-115．

［5］ 张鹏，南立团，胡明，等．压力管道爆裂压力模型比较研究和改进的剩余强度评价方法［J］．计算力学学报，2009，12（06）：785791．

［6］ 洪来凤，孙铁，赵志海．基于ANSYS的双点腐蚀缺陷管道剩余强度评价［J］．油气储运，2010，29（12）：917-920．

［7］ Chauhan V，S wankie T D，Espiner R，et al．Developments inmethods for assessing the remaining strength of corroded pipelines：International A utobody Congress ＆Exposition［C］／／H ouston：National Association of Colleges and Employers，2009：129．

［8］ Freire JLF，Vieira RD，Benjamin AC，et al．Burst tests of pipeline with extensive longitudinalmetal loss ［J］．Experimental Techniques，2006（11）：60-65．

［9］ 崔铭伟，曹学文．腐蚀缺陷对中高强度油气管道失效压力的影响［J］．石油学报，2012，33（6）：1086-1092．

［10］ 帅健，张春娥，陈福来．非线性有限元法用于腐蚀管道失效压力预测［J］．石油学报，2008，29（6）：933-937．

［11］ 崔铭伟，曹学文．不同钢级腐蚀管道剩余强度分析方法的对比［J］．油气储运，2012，31（7）：486490．

［12］ 王钟羡，黄建业．X100管线钢裂纹体的弹塑性断裂失效分析［J］．江苏大学学报（自然科学版），2011，32（2）：175-178．

Research on Remaining Strength in Internal Defects of Pipeline Based on Ultrasonic Detectingmethod

TANG Donglin1，CHENAng1，ZHAO Jiang2，WANG Bin2，YUAN Xiaohong1，R E N Jie1，SHEN Pengfei1
（1．Theministry of E ducation Key Laboratory of N atural Gas Equipment，South west PetroleumUniuersity，Chengdu610500，China；2．Xinjiang Jinniu Engineering&Construction Co．，Ltd．，K aramay834008，China）

The normal defects ofinner pipeline were detected by Ultrasonic Testing，the testing results were compared with dimensional data of normal defects；3D defectivemodels of pipeline had been built by using finite element software ofANSYS to study failure and equivalent stress of different sizes，the influence of failure pressure with different size of defects were also analyzed．Mean w hile，ASmE B31 G—2009 was used to analyze defective data and count failure stress and remaining strength of corrosion defects．These results indicate that ultrasonic detecting has both feasibility and reliability in detecting internal corrosion defects of pipeline by results．W hen the defective depth exceeds 65%of the wallthickness and the defective length increases，the predicted results of nonlinear stochastic finite element are comparatively consistent with that of the A SmE B31 G．H owever，w hen the defective depth comes close to 35%，the discrepancies are adequately large with the increase of defective length．

internal defect；ultrasonic testing；A SmE B31 G；ANSYS；remaining strength

TE973．1

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．004

10013482（2015）03001505

①2014-09-15

石油天然气装备教育部重点实验室基金（2010ST-S04）

唐东林（1970-），四川成都人，教授，博士后，主要从事无损检测技术、石油装备安全评价技术研究，Email：chen8ang1＠126．com。