海底管道腐蝕后剩余強(qiáng)度評(píng)估方法研究

孫國(guó)民，雷震名，劉偉，鄭羽，崔少敏

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

海底管道在運(yùn)行期間，由于海洋環(huán)境條件、輸送介質(zhì)性質(zhì)等原因，海底管道的強(qiáng)度會(huì)因?yàn)楦g而降低，會(huì)不同程度影響海底管道系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。為了預(yù)測(cè)腐蝕對(duì)管道的損傷程度，分析管道的運(yùn)行條件，需要對(duì)管道的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。海底管道腐蝕后剩余強(qiáng)度的評(píng)估，是海底管道完整性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，其目的是為了研究帶有腐蝕缺陷的海底管道能否在規(guī)定的壓力下正常運(yùn)行，確定當(dāng)前腐蝕缺陷下管道的最大失效壓力，為管道的安全運(yùn)行方案制定提供合理的依據(jù)。

國(guó)際上對(duì)腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法的研究始于20世紀(jì)60年代末，隨著研究的不斷深入，目前已經(jīng)形成了許多評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和方法，具有代表性的主要有 ASME B31G［1］、API 579［2］、PCORRC［3］以及 DNV RP F101［4］等。其中DNV RP F101是主要用于海底管道剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)，提供了分項(xiàng)安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法兩種評(píng)估方法，是目前國(guó)際上針對(duì)腐蝕海底管道剩余強(qiáng)度評(píng)估的主流作法。文中對(duì)DNV RP F101(2010)規(guī)范中的評(píng)估方法作了全面詳細(xì)的闡述，對(duì)海底管道剩余強(qiáng)度的評(píng)估流程、分項(xiàng)安全系數(shù)和許用應(yīng)力評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并通過(guò)計(jì)算實(shí)例將兩種方法作了對(duì)比分析，可為海底管道剩余強(qiáng)度的評(píng)估提供參考。

1 腐蝕缺陷評(píng)價(jià)簡(jiǎn)述

DNV RP F101規(guī)范主要適用于對(duì)以下缺陷的評(píng)估:內(nèi)外表面腐蝕、焊縫腐蝕、相互作用腐蝕缺陷群、由于打磨修理引起的金屬損失。該規(guī)范考慮了相鄰腐蝕缺陷之間相互作用的影響，將腐蝕類型分為單個(gè)腐蝕缺陷、相互作用腐蝕缺陷、復(fù)雜形狀腐蝕缺陷，根據(jù)缺陷的類型按照對(duì)應(yīng)的評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估。

在對(duì)海底管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，其評(píng)估流程如下:(1)判斷海底管道所受載荷情況，除受內(nèi)壓外，若還承受不可忽略的軸向壓應(yīng)力作用 (軸力、彎矩等載荷)，按照單個(gè)缺陷進(jìn)行評(píng)估;(2)當(dāng)海底管道主要承受內(nèi)壓作用時(shí)，判斷單個(gè)腐蝕缺陷是否產(chǎn)生相互作用，從而選擇相應(yīng)腐蝕缺陷類型的評(píng)估方法，給出安全工作壓力;(3)當(dāng)步驟 (2)中的安全工作壓力大于設(shè)計(jì)壓力時(shí)，并且可獲取缺陷詳細(xì)剖面形狀時(shí)，按照復(fù)雜形狀缺陷進(jìn)行評(píng)估，給出安全工作壓力。對(duì)腐蝕海底管道剩余強(qiáng)度評(píng)估的總體流程如圖1所示。

圖1 腐蝕海底管道剩余強(qiáng)度評(píng)估總體流程圖

2 不同類型腐蝕缺陷的評(píng)估思路

由于考慮了腐蝕缺陷之間的相互作用，將腐蝕類型分為單個(gè)腐蝕缺陷、相互作用腐蝕缺陷、復(fù)雜形狀腐蝕缺陷，根據(jù)缺陷的類型按照對(duì)應(yīng)的評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估。

2.1 單個(gè)腐蝕缺陷

單個(gè)缺陷即與周圍相鄰缺陷不存在相互作用，其失效壓力是與管道中其他缺陷相互獨(dú)立的，圖2為相鄰腐蝕缺陷的示意圖。

圖2 相鄰腐蝕缺陷尺寸示意圖

將腐蝕缺陷歸類作為單一缺陷時(shí)，需要滿足一定的條件，否則應(yīng)將其作為相互作用的缺陷形式進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)滿足下列兩條件之一時(shí)，即作為單獨(dú)缺陷評(píng)估:

(1)相鄰缺陷環(huán)向角φ

(2)相鄰缺陷縱向間距s

式中:t為海底管道的名義壁厚，mm;D為海底管道的名義外徑，mm。

2.2 相互作用腐蝕缺陷

當(dāng)腐蝕管道上某一區(qū)域內(nèi)的各個(gè)腐蝕缺陷不滿足第2.1節(jié)中單個(gè)腐蝕缺陷條件時(shí)，應(yīng)考慮這些腐蝕點(diǎn)之間產(chǎn)生影響管道失效壓力的相互作用。

在相互作用的缺陷群內(nèi)，須逐個(gè)評(píng)估該腐蝕區(qū)域內(nèi)所有單個(gè)缺陷以及所有相鄰缺陷的組合。在計(jì)算各組合缺陷的失效壓力時(shí)，選用組合的總長(zhǎng)度 (包括間距)和有效深度，采用單個(gè)缺陷公式進(jìn)行評(píng)估。

針對(duì)腐蝕區(qū)域內(nèi)各腐蝕點(diǎn)分布的無(wú)規(guī)律性，為了使評(píng)估合理，分別在縱向和環(huán)向劃分區(qū)域，評(píng)估縱向分段內(nèi)的環(huán)向各個(gè)劃分區(qū)內(nèi)所有組合的缺陷，以環(huán)向評(píng)估所得的最小失效壓力作為該縱向分段的許用壓力，然后繼續(xù)下一縱向分段的評(píng)估，如此循環(huán)，直至整個(gè)腐蝕管段評(píng)估完成?？v向劃分以5.0為步長(zhǎng)，與相鄰分段至少應(yīng)有2.5的重疊部分，環(huán)向劃分以的角度為步長(zhǎng)。

當(dāng)評(píng)估中出現(xiàn)缺陷重疊的情況時(shí)，此時(shí)應(yīng)將此作為復(fù)合缺陷處理，選取組合的長(zhǎng)度和最深缺陷深度進(jìn)行計(jì)算。如果復(fù)合缺陷由管內(nèi)和管外缺陷迭加而成，則應(yīng)選用管內(nèi)和管外缺陷的最大深度之和。

2.3 復(fù)雜形狀缺陷

復(fù)雜形狀缺陷是由相互作用缺陷或單個(gè)缺陷聯(lián)合群體組成的缺陷。在對(duì)復(fù)雜形狀缺陷進(jìn)行評(píng)估時(shí)，必須具有復(fù)雜形狀缺陷長(zhǎng)度和深度剖面圖，否則無(wú)法進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)復(fù)雜形狀缺陷的評(píng)估采用深度增量的方法:(1)按最大腐蝕深度將腐蝕缺陷分成許多增量dj，在每個(gè)腐蝕深度增量上，通過(guò)多個(gè)含有“腐蝕點(diǎn)”的“腐蝕斑”將腐蝕缺陷模型化;(2)分別對(duì)“腐蝕斑”、“腐蝕點(diǎn)”進(jìn)行評(píng)估，按照單個(gè)缺陷進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)根據(jù)相互作用的評(píng)估方法對(duì)腐蝕點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估;(3)將整個(gè)腐蝕區(qū)域等效為以腐蝕總長(zhǎng)度和平均腐蝕深度的單個(gè)腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)估;(4)比較上述各評(píng)估結(jié)果，最小的失效壓力值即為該腐蝕深度增量下管道許用壓力;(5)對(duì)所有深度增量重復(fù)上述過(guò)程，進(jìn)而確定腐蝕管道的許用壓力。圖3為腐蝕深度增量為dj時(shí)復(fù)雜缺陷模型示意圖。

由于篇幅原因，對(duì)復(fù)雜形狀缺陷的評(píng)估計(jì)算方法只作簡(jiǎn)要介紹，分項(xiàng)安全系數(shù)法和許用應(yīng)力的詳細(xì)評(píng)估計(jì)算方法可參考文獻(xiàn) ［4］。

圖3 腐蝕深度增量為dj時(shí)的復(fù)雜腐蝕缺陷模型示意圖

3 腐蝕缺陷評(píng)估的計(jì)算方法

針對(duì)單個(gè)腐蝕缺陷、相互作用腐蝕缺陷兩種類型缺陷，分別對(duì)分項(xiàng)安全系數(shù)和許用應(yīng)力這兩種評(píng)估計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

3.1 分項(xiàng)安全系數(shù)法

分項(xiàng)安全系數(shù)法是根據(jù)DNV OS-F101海底管道系統(tǒng)規(guī)范確定的安全準(zhǔn)則［5］，是基于LRFD(載荷和抗力系數(shù)設(shè)計(jì))的評(píng)估方法。考慮了腐蝕缺陷尺寸測(cè)量精度、材料性質(zhì)、管子制造誤差等不確定因素，能客觀地反映管道存在腐蝕缺陷后的剩余強(qiáng)度。根據(jù)DNV OS-F101劃分的不同安全等級(jí)，規(guī)范中給出了不同可靠度水平 (高、正常、低)、不同檢測(cè)精度以及相對(duì)測(cè)量和絕對(duì)測(cè)量?jī)煞N檢測(cè)方法下的分項(xiàng)安全系數(shù)。

3.1.1 單個(gè)腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)估

在對(duì)單個(gè)腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)估時(shí)，將腐蝕管道分為兩類進(jìn)行考慮:(1)管道主要承受內(nèi)壓作用;(2)海底管道除了承受內(nèi)壓外，在運(yùn)行期間還承受不可忽略的軸力、彎矩以及溫度荷載等外部載荷而產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力。

(1)僅考慮內(nèi)壓作用

僅考慮內(nèi)壓作用時(shí)，腐蝕海底管道的失效壓力計(jì)算方法如下:

(2)內(nèi)壓與縱向壓應(yīng)力組合作用下的縱向腐蝕評(píng)估

縱向腐蝕缺陷海底管道的失效壓力計(jì)算如下:

環(huán)向腐蝕缺陷海底管道的失效壓力計(jì)算如下:

式中:γm為縱向腐蝕預(yù)測(cè)模型的分項(xiàng)安全系數(shù);γd為腐蝕深度的分項(xiàng)安全系數(shù)，是標(biāo)準(zhǔn)偏差StD［d/t］的函數(shù);εd為腐蝕深度的分位數(shù)值，是標(biāo)準(zhǔn)偏差StD［d/t］的函數(shù);fSMTS為管材的最小拉伸強(qiáng)度，MPa;fu，temp為由于溫度引起的管材拉伸強(qiáng)度折減，MPa;d為腐蝕缺陷深度，mm;l為腐蝕缺陷長(zhǎng)度，mm;Q為腐蝕長(zhǎng)度的修正系數(shù);StD［d/t］為 d/t的標(biāo)準(zhǔn)偏差，與檢測(cè)設(shè)備的精度和置信水平有關(guān);γmc為環(huán)向腐蝕預(yù)測(cè)模型的分項(xiàng)安全系數(shù);H1為縱向壓應(yīng)力系數(shù);Ar=1－dθ/t為環(huán)向面積折減系數(shù);ξ為縱向應(yīng)力利用系數(shù);θ=c/(πD)為腐蝕區(qū)環(huán)向長(zhǎng)度與管道外周長(zhǎng)的比;c為腐蝕環(huán)向長(zhǎng)度，mm。文中的各分英安全系數(shù)取值參見規(guī)范DNV RP F101(2010)。

當(dāng)γd(d/t)*＞1時(shí)，失效壓力pcorr=0;另外，當(dāng)腐蝕深度超過(guò)管道名義壁厚的85%時(shí)，此評(píng)估方法不再適用。

3.1.2 具有相互作用腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)估

在針對(duì)具有相互作用的腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)估時(shí)，根據(jù)第2.2節(jié)的評(píng)估思路和區(qū)域劃分方法，在腐蝕區(qū)域內(nèi)分別在縱向和環(huán)向劃分區(qū)域，分別對(duì)單個(gè)和組合缺陷的失效壓力進(jìn)行計(jì)算。

單個(gè)缺陷的失效壓力計(jì)算:

組合缺陷的失效壓力計(jì)算:

腐蝕管道的失效壓力:

其中:

式中:dmn為組合缺陷的有效深度，mm;lmn為組合缺陷的總長(zhǎng)，包含缺陷間的間隙，mm;StD［dmn/t］為dmn/t的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3.2 許用應(yīng)力法

許用應(yīng)力法是基于許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，先計(jì)算出具有腐蝕缺陷管道的失效壓力，然后再將該項(xiàng)失效壓力乘以一安全系數(shù)F得到最終安全工作壓力。該安全系數(shù)F計(jì)算如下:

式中:F1為模型安全系數(shù)，取0.9;F2為許用操作壓力安全系數(shù)，取初始設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

3.2.1 單個(gè)腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)估

(1)僅考慮內(nèi)壓作用

(2)內(nèi)壓與縱向壓應(yīng)力組合作用下的縱向腐蝕評(píng)估

其中:

3.2.2 具有相互作用的腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)估

單個(gè)缺陷的失效壓力計(jì)算:

組合缺陷的失效壓力計(jì)算:

式中:H2為縱向壓應(yīng)力系數(shù);Ar=1－dθ/t為環(huán)向面積折減系數(shù);σL外部荷載產(chǎn)生的名義縱向應(yīng)力，MPa;為軸向力F在管道名義壁厚x上產(chǎn)生的縱向應(yīng)力，MPa;為彎矩My在管道壁厚上產(chǎn)生的縱向應(yīng)力，MPa;θ=c/(πD)為腐蝕區(qū)環(huán)向長(zhǎng)度與管道外周長(zhǎng)的比;c為腐蝕環(huán)向長(zhǎng)度，mm。

4 分項(xiàng)安全系數(shù)法與許用應(yīng)力法對(duì)比研究

分項(xiàng)安全系數(shù)與許用應(yīng)力兩種評(píng)估方法的主要區(qū)別在于采用的安全準(zhǔn)則不同。前者是基于DNV-OSF101的安全準(zhǔn)則，充分考慮了管材性質(zhì)、管材制造誤差以及腐蝕缺陷測(cè)量精度等一系列不確定因素，更能客觀反映海底管道腐蝕后的剩余強(qiáng)度;而后者是基于許用應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，沒(méi)有考慮各種不確定因素，但計(jì)算方法簡(jiǎn)潔，便于操作。

對(duì)腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)估時(shí)，無(wú)論是單個(gè)腐蝕缺陷、相互作用腐蝕缺陷，還是復(fù)雜形狀腐蝕缺陷，均是通過(guò)對(duì)腐蝕深度以及長(zhǎng)度的相應(yīng)處理，最終歸結(jié)到單個(gè)腐蝕缺陷的評(píng)估上來(lái)，故作者針對(duì)僅考慮內(nèi)壓作用的單個(gè)缺陷計(jì)算評(píng)估，分別應(yīng)用分項(xiàng)安全系數(shù)法與許用應(yīng)力法進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。

在計(jì)算中選取基礎(chǔ)參數(shù)如下:鋼管等級(jí)X65，鋼管外徑323.9 mm，鋼管壁厚11.1 mm，腐蝕缺陷軸向長(zhǎng)度250 mm。在以上基礎(chǔ)條件下，分別以文中的公式 (3)和公式 (18)，即分項(xiàng)安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法進(jìn)行評(píng)估，考慮該規(guī)范規(guī)定當(dāng)d/t＞85%時(shí)，失效壓力為0即管道完全失效，故計(jì)算在d/t為0～85%的范圍內(nèi)不同深度腐蝕缺陷的失效壓力。兩種方法中 γm、γd、εd、StD［d/t］以及 F 等參數(shù)，根據(jù)DNV RP F101(2010)規(guī)范選取或計(jì)算得出［4］。對(duì)于分項(xiàng)安全系數(shù)法，假設(shè)置檢測(cè)結(jié)果的置信水平為85%，對(duì)4種不同檢測(cè)精度條件下的腐蝕缺陷進(jìn)行了評(píng)估。圖4為采用兩種方法對(duì)不同深度腐蝕缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果。

從圖4可以看出:

圖4 分項(xiàng)安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法評(píng)估結(jié)果

(1)對(duì)于分項(xiàng)安全系數(shù)評(píng)估方法，檢測(cè)精度對(duì)評(píng)估結(jié)果影響較大，而且腐蝕深度越深，這種影響越明顯，檢測(cè)精度越差，其評(píng)估結(jié)果也越保守?？梢娞岣邫z測(cè)設(shè)備的精度，有利于更客觀地評(píng)估腐蝕海底管的道剩余強(qiáng)度。

(2)通過(guò)對(duì)兩種方法評(píng)估所得曲線的比較可以看出:許用應(yīng)力法評(píng)估的曲線與各檢測(cè)精度下 (檢測(cè)精度為0除外)評(píng)估的曲線均出現(xiàn)了交叉，記此交叉點(diǎn)處的相對(duì)腐蝕深度為d/t，檢測(cè)精度越差，該交叉點(diǎn)的值越小。檢測(cè)精度為0時(shí)，不存在此交叉點(diǎn)，許用應(yīng)力法評(píng)估結(jié)果更保守。檢測(cè)精度不為0，即設(shè)備存在測(cè)量誤差:當(dāng)d/t＜(d/t)0時(shí)，許用應(yīng)力法評(píng)估結(jié)果更保守;當(dāng)d/t＞(d/t)0時(shí)，分項(xiàng)安全系數(shù)法評(píng)估結(jié)果更保守。

在(d/t)0處，兩種方法對(duì)海底管道的剩余強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果一致，即pcorr=psw，從而可求出 (d/t)0。其求解過(guò)程如下:

由pcorr=psw，結(jié)合公式 (4)和公式 (5)整理可得:

將公式 (7)代入上式:

令f(d/t)=0，即可求得(d/t)0。由公式 (27)可以看出:(d/t)0僅是標(biāo)準(zhǔn)偏差 StD［d/t］的函數(shù)，即(d/t)0與檢測(cè)設(shè)備的精度與置信水平有關(guān)。

5 結(jié)論

(1)闡述了分項(xiàng)安全系數(shù)和許用應(yīng)力兩種腐蝕海底管道剩余強(qiáng)度的評(píng)估方法。

(2)當(dāng)檢測(cè)設(shè)備存在誤差時(shí)，在某一條件下對(duì)同一腐蝕海底管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，存在一個(gè)相對(duì)腐蝕深度(d/t)0，分項(xiàng)安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法的評(píng)估結(jié)果相同。當(dāng)相對(duì)腐蝕深度d/t＜(d/t)0時(shí)，許用應(yīng)力法評(píng)估結(jié)果更保守;當(dāng)d/t＞(d/t)0時(shí)，分項(xiàng)安全系數(shù)法評(píng)估結(jié)果更保守。

(3)對(duì)于分項(xiàng)安全系數(shù)評(píng)估方法，用于檢測(cè)腐蝕尺寸的設(shè)備精度和設(shè)備置信水平對(duì)評(píng)估結(jié)果有較大影響。提高檢測(cè)設(shè)備的性能，如精度、置信水平，可更客觀對(duì)海底管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

【1】ASME B31G-2009:Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines［S］．

【2】API 579:Fitness-for-service［S］，2007．

【3】STEPHENS D R，LEIS B N，KURRE M D，et al．Development of Alternative Criterion for Residual Strength of Corrosion Defects in Moderater to higt toughness Pipe［R］．Catalog No．L51794e，1999．

【4】DNV-PR-F101:Corroded Pipelines［S］，2010．

【5】DNV Offshore Standard OS-F101:Submarine Pipelines Systems［S］，2005．

【6】Rules for Submarine Pipelines Systems，DNV 1981．