工业管道合于使用评定软件的开发及应用

杨宇清* 惠 虎

（1.上海市特种设备监督检验技术研究院 2.华东理工大学化工机械研究所）

对含缺陷压力管道进行合于使用评定是使用单位、检验机构和监察机构的共同需求。开展评定工作需要具有专业知识和实践经验,而且评定标准包含了大量的公式、数据表格，纯粹靠人工计算完成一项评定任务，需要花费大量的人力资源和时间。为了辅助评定人员对含缺陷工业管道快速准确作出安全评定，将相关标准软件化、智能化，并融入大量的数据库、评定案例库及专家知识库信息，对于提升我国含缺陷合于使用评定的水平，实现评定工作自动化及智能化，都具有十分重要的意义。

本文依据GB/T 19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》，API 579-1/ASME FFS-1 2016 "Fitness-For-Service"等标准中含缺陷压力管道合于使用评定方法，以Visual C++ 2010 作为开发软件，将2 种标准中的含缺陷压力管道合于使用评定方法程序化，将标准中大量的图和表保存在软件数据库中，并建立了相关材料数据库、评定案例库等，开发了工业管道合于使用评定软件，该软件能在Windows 操作系统（Windows Me，Windows2000 以及Windows XP 及以上版本）下运行。该软件可实现对含面型缺陷、体积型缺陷压力管道的安全评价及疲劳评定。在使用时用户输入压力管道的结构尺寸、材料性能以及检测到的缺陷数据，软件即可自动对典型含缺陷工业管道进行评价分析。对典型含缺陷的压力管道进行了评定分析，研究结果表明，该软件进行工业管道合于使用评定时准确、快速、智能、界面友好且使用方便。

1 软件功能模块

该软件主要包括用户管理、含面型缺陷的工业管道安全评定、含体积型缺陷的工业管道安全评定、含面型缺陷的工业管道疲劳评定、含体积型缺陷的工业管道安全评定、文件及报告管理等模块，各模块可通过程序主界面进行调用，并且模块之间相互联系、有机结合。另外，软件还配备了材料力学性能数据库、材料与介质相容性等数据库以及应力强度因子计算、载荷比计算、缺陷干涉效应计算、断裂韧性数据估算等知识库模块，既能服务于各评定模块，又方便了用户直接查询。软件总体框架图如图1 所示。该本软件将各功能模块的问题过程模型化，采用面向对象的分析法，建立了清晰、友好的人机界面。

2 主要模块设计与技术实现

2.1 用户管理模块

该模块由管理员登录、用户登录、注销等三部分组成，可实现管理员对用户账号、密码的分配、用户登录及密码修改等功能。该功能主要通过软件添加或读取自编格式的manager.cod 文件中的用户及密码信息来实现。只有管理员或用户登录成功后，软件其他部分的功能才能被使用。

2.2 含面型和体积型压力管道缺陷静强度工况和疲劳工况评定

该模块可分别选择GB/T 19624—2019 或API 579-1 这2 种标准，对含面型缺陷、体积型缺陷的压力管道在静载荷工况或疲劳工况下进行评定。可评定的面型缺陷包括轴向裂纹和周向裂纹，体积型缺陷包含凹坑、气孔、夹渣和特定未焊透等缺陷，可评定的焊接接头形式包括对接接头和角接接头。

图1 软件总体框架图

以含面型缺陷压力管道的合于使用评定模块为例，其缺陷评定流程可见图2，其评定过程主要包括以下几个方面。

2.2.1 缺陷数据输入及规则化

用户可从界面输入检测到面型缺陷的位置、长度、深度等参数，输入时需要考虑检测方法的精度，输入相对保守的数据。软件会按照相关标准中的缺陷规则化方法对面型缺陷进行规则化，将其简化为规则的表面椭圆裂纹、埋藏椭圆裂纹或穿透裂纹。

图2 轴向裂纹面型缺陷评定流程图

2.2.2 管道数据输入及应力水平计算

对典型结构典型缺陷管道评定时，用户需要输入相应的参数（设计压力、管道直径和壁厚等），软件根据存储的公式计算得到应力分析结果，以及管道缺陷处的一次应力（薄膜应力和弯曲应力）和二次应力（薄膜应力和弯曲应力）；对非典型结构非典型部位管道评定时，用户需要将有限元分析结果手动输入软件，再由软件进行相应计算后得到结果。

2.2.3 材料性能数据输入

合于使用评价时需要输入材料的屈服强度、抗拉强度和断裂韧性等材料性能数据，这些数据最好取自评定的管道本身，但是对在役管道取样较为困难，可在软件中将一些常用材料的屈服强度、抗拉强度的标准下限值及实测断裂韧性数据保存在数据库中，当用户选择材料时，软件可直接调用某些材料数据，供用户参考。用户输入的材料力学性能数据应充分估计使用环境对材料性能的影响。

2.2.4 其他数据库的调用

该软件已将标准中涉及的大量数据、图表程序化并导入BaseTable.mdb 数据库中，当需要时，软件会通过ODBC 调用该数据库，采用内插法求得对应的数值进行计算。另外，该软件中的事故案例数据库记录了多个化工企业发生的压力容器及管道失效事故案例数据，包括发生事故的设备名称、类别、体积、半径、材料、介质、缺陷、产生缺陷原因、缺陷部位、事故后果、时间、地点等信息，有助于软件使用者借鉴分析。

该软件建立了各数据库字段、变量之间的对应关系，通过InquireTable 类的对象来实现对数据库的检索，或者以内插方法求取表中数据，使得数据库数据查询方便、快捷、准确。

2.2.5 知识库模块的调用

该软件在进行结构失效模式判别，或者当材料力学性能数据缺乏时，可调用专家系统知识库模块。当启动专家知识库时，软件会启动推理机，根据推理规则、比较事实库中的信息匹配度，并搜索相关知识库中的信息。知识库与数据库模块相互关系可见图3。

上文中的知识库是指广义的知识库，包含了缺陷规则化子模块、载荷比计算子模块、应力强度因子计算子模块以及含缺陷结构失效模式判别子模块以及材料断裂韧性数据缺乏时，专家库子模块等。当材料断裂韧性数据缺乏时专家库子模块收集了瑞典SAQ标准，API 579 标准，BS7910 标准及学术论文以及有关专家关于断裂韧性的估算方法，同样也是按照产生式规则来实现知识表达。

图3 专家系统知识库等各模块相互关系

2.2.6 选择合适的评定方法评定并得出结果

合于使用评定模块严格按照标准规定的步骤进行评定，如基于GB/T 19624—2019 对轴向裂纹评定时将按照双参量断裂评定法通用失效评定图进行计算，如基于GB/T 19624—2019 对环向裂纹评定时将按照U因子法对裂纹进行评定。

3 实际应用示例

选取某石化企业含保温层下腐蚀管线进行评定，其基本情况如表1 所示，腐蚀凹坑规则化后的形态如图4 所示。

表1 含凹坑缺陷管道基本情况

图4 单个凹坑缺陷表征示意图

评定所运用的屈服强度为试验获得的屈服强度σs=284.14 MPa，软件评定步骤如下。

（1）打开软件，通过登陆页面进入计算主页面。选择“体积缺陷评定”“局部减薄凹坑-按GB/T 19624”栏，输入管道及缺陷尺寸，如图5 所示。同时输入管道工作压力、工作温度等参数，得到评定结果为“安全”，评定报告示意图可见图6。

图5 GB/T 19624—2019评定凹坑缺陷尺寸输入框示意图

图6 评定报告示意图

（2）打开软件，通过登陆页面进入计算主页面。选择“体积缺陷评定”、“局部减薄凹坑-按API 579”栏，输入管道及缺陷尺寸，如图7 所示。检查输入的数据，确认正确后点击“确定”，得到评定结果为“安全”，评定报告如图8 所示。

（3）由于篇幅限制，本文省略了根据GB/T 19624—2019 和API 579-1 标准中计算步骤的手算过程，计算结果与软件的计算结果一致。由此可见，采用软件计算，大大降低了使用人员的难度和减少了其工作量，而且可以将按照2 种标准计算得到的结果进行比对。

4 小结

图7 API 579-1评定凹坑缺陷尺寸输入框示意图

图8 评定报告示意图

（1）基于GB/T 19624—2019 及API 579-1 标准中压力管道合乎使用评定方法，采用面向对象的语言Visual C++并结合数据库和专家库知识，开发了工业管道合于使用评定软件。该软件在进行含缺陷压力管道安全评定时快捷、方便、准确。大部分需要人工计算的工作，都由计算机来完成，大大缩短了评定所需的时间。

（2）采用2 种标准中的方法进行计算，一方面可使评定者通过对比计算来验证计算结果的正确性，另一方面可以根据不同的设计标准，选择GB/T 19624—2019 或API 579-1 方法进行评定。

（3）该系统界面友好，用户使用方便。评定规程中的具体评定方法、计算公式等大量技术细节均隐含在辅助评定软件的程序中，如失效评定曲线、应力强度因子计算方法、极限载荷计算方法等，使用者只需根据辅助评定软件的提示输入相关的数据就能得到结果。

（4）该系统含有大量的数据库、案例库及专家知识库，因此具有智能化的特点，当评定所需的数据缺乏时，系统将自动搜索数据库中的数据。

（5）辅助评定软件完成评定工作后，可自动打印评定报告。

（6）辅助评定软件能够提供帮助文件，引导评定者进行评定工作，并给出相应的解释及建议。