輸油管道腐蝕剩余壽命的預(yù)測

摘 要：針對(duì)Φ273mm×6（7）mm輸油管道建成時(shí)間不長，管道腐蝕卻很嚴(yán)重，腐蝕發(fā)展速率非常高的情況，利用此管道歷年來的近千個(gè)腐蝕大修缺陷尺寸數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出管線的腐蝕速率分布，建立了腐蝕速率概率分布的模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)腐蝕速率服從正態(tài)分布N（0.3968，0.1412）。利用腐蝕剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)確定的極限缺陷尺寸數(shù)據(jù)，在可靠性理論的基礎(chǔ)上對(duì)Φ273mm×6（7）mm輸油管道的腐蝕剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測，發(fā)現(xiàn)在低、中風(fēng)險(xiǎn)地段，管道使用5～6年后，需要檢測和維修；在高風(fēng)險(xiǎn)地段，管道使用4～5年就需要檢測和維修。建議應(yīng)對(duì)此輸油管道加強(qiáng)防腐，嚴(yán)把防腐質(zhì)量關(guān)。

關(guān)鍵詞：輸油管道；腐蝕；預(yù)測；

中圖分類號(hào)：TE832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2014）-09-00-02

前言

輸油管道（Φ273mm×6（7）mm）于1988年8月開始建設(shè)，1989年9月一期工程建成投產(chǎn)，二期工程于1990年11月全部投入使用。管線采用鋼級(jí)為X52的直縫鋼管，設(shè)計(jì)最大輸油量105×104t/a，最小輸油量55×104t/a，設(shè)計(jì)工作壓力6.28MPa，輸送介質(zhì)溫度低于80℃，設(shè)計(jì)壽命20a。管線實(shí)際運(yùn)行溫度為56℃，壓力為5.0～5.8MPa，輸油量為125～137m3/h。

此輸油管道雖然建成時(shí)間不長，但由于管線周圍環(huán)境惡劣，地形起伏多變，腐蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重。對(duì)管線大修挖開的部分管線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，腐蝕的平均深度和最大深度分別為：1994年平均腐蝕深度為1.9mm，最深為3mm；1995年平均腐蝕深度為2.43mm，最深達(dá)5.0mm；1996年平均腐蝕深度為2.64mm，最深達(dá)4.0mm。1997年漏磁檢測結(jié)果表明，深度在3 0mm以上的腐蝕點(diǎn)就有213處，可見管線腐蝕情況非常嚴(yán)重，對(duì)此管線進(jìn)行腐蝕剩余壽命預(yù)測已迫在眉睫。

一、腐蝕剩余壽命預(yù)測思路

油氣輸送管道腐蝕剩余壽命預(yù)測是管道安全評(píng)價(jià)的重要組成部分，它直接關(guān)系到管道檢測、維修和更換周期的確定。然而由于腐蝕剩余壽命預(yù)測工作中存在著許多不確定因素，包括環(huán)境、力學(xué)和材質(zhì)狀況等因素，都難以取得準(zhǔn)確結(jié)果，尤其是實(shí)際工況條件下的缺陷發(fā)展規(guī)律很難確定，造成腐蝕剩余壽命預(yù)測工作相對(duì)于剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)難度增大，從目前研究狀況來看也相對(duì)不成熟。例如在現(xiàn)行適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)CEGBR6[1]、PD6493[2]以及最新發(fā)布的AP1579草案[3]中，對(duì)壽命預(yù)測方法僅提供了簡單的指導(dǎo)性作法，實(shí)際使用中可操作性差。因此，腐蝕剩余壽命預(yù)測一直是困擾管道評(píng)價(jià)人員的一大難題，發(fā)展較慢。

筆者利用此管道歷年來近千個(gè)腐蝕大修缺陷尺寸數(shù)據(jù)（主要是腐蝕深度數(shù)據(jù)），統(tǒng)計(jì)出管線的腐蝕速率分布，并基于可靠性理論對(duì)Φ273mm×6（7）mm輸油管道的腐蝕剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測。預(yù)測思路如圖1所示。

二、腐蝕速率概率分布模型的建立

（一）腐蝕速率分布的統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)1994～1996年Φ273mm×6（7）mm輸油管道大修時(shí)的近千個(gè)腐蝕缺陷深度數(shù)據(jù)，并除以相應(yīng)的管道服役時(shí)間，得到腐蝕速率數(shù)據(jù)，畫成圖2所示的直方圖。從圖2可看出Φ273mm×6（7）mm輸油管道缺陷的腐蝕速率位于0.3～0.5mm/a之間的最多，高于0.5mm/a和低于0.3mm/a的都逐漸減少。

（二）腐蝕速率概率分布模型的建立與驗(yàn)證。從圖2可看出，Φ273mm×6（7）mm輸油管道的腐蝕速率分布大致為一種正態(tài)分布，因此要對(duì)分布類型先提出假設(shè)，然后利用概率論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）均值μ和方差σ2的計(jì)算 由極大似然估計(jì)法，可求出腐蝕速率為正態(tài)分布的均值μ和方差σ2，即

（2）腐蝕速率為正態(tài)分布的驗(yàn)證腐蝕速率分布的驗(yàn)證利用常用的χ2-檢驗(yàn)法（非參數(shù)檢驗(yàn)法的一種）。假設(shè)總體分布X～N（0.3968，0.0199），將頻數(shù)太小的區(qū)間并入相鄰的區(qū)間，共分成6個(gè)區(qū)間計(jì)算概率，所得結(jié)果見表1。

注：x為腐蝕速率；Ai為以腐蝕速率劃分的區(qū)間；ni為處于Ai中的腐蝕速率頻度（圖2所示）；pi為根據(jù)X～N（0.3968，0.0199）分布確定的處于Ai中的腐蝕速率概率；n=894（腐蝕速率統(tǒng)計(jì)的總個(gè)數(shù)）。

取顯著性水平α=0.05，查χ2-分布表，由費(fèi)歇定理，知其自由度為6-2-1=3，χ2（3）=7.815，拒絕域應(yīng)為[7.815，∞]，由于χ2的計(jì)算值為4.765，沒有落入拒絕域，因此在水平α=0.05下，腐蝕速率服從正態(tài)分布N（0.3968，0.1412）。

三、極限缺陷尺寸的確定

Φ273mm×6（7）mm輸油管道極限缺陷尺寸的計(jì)算利用API RP579[3]，取管道外徑D=273mm，管道壁厚t取較小值6mm，屈服強(qiáng)度（σs）取三個(gè)試樣的最小值394MPa，壓力取實(shí)際運(yùn)行壓力的較高值5.8MPa，焊縫系數(shù)E取1.0[4]。為了簡化分析，計(jì)算時(shí)將對(duì)管道剩余強(qiáng)度不敏感的缺陷軸向和周向尺寸固定，對(duì)應(yīng)于現(xiàn)場缺陷開挖的實(shí)際情況，將缺陷軸向和周向尺寸取為兩種情況，分別為400mm×300mm、1500mm×環(huán)向一周。由于不知道缺陷具體的厚度分布，為保守起見，假設(shè)為矩形分布。不考慮地區(qū)類別，按照100%屈服強(qiáng)度計(jì)算，所得極限缺陷尺寸（極限深度尺寸）的結(jié)果見表2。

四、腐蝕剩余壽命的預(yù)測

（一）可靠性壽命預(yù)測思路。隨著管線服役年限的增加，腐蝕缺陷逐漸長大。根據(jù)可靠性理論[5]，通過對(duì)腐蝕缺陷尺寸和腐蝕發(fā)展規(guī)律的統(tǒng)計(jì)，可以給出管道腐蝕失效的概率統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，其思路如圖3所示。其中圖3a對(duì)應(yīng)的是時(shí)間1的失效概率Pf，其值很小，隨著時(shí)間的推移，發(fā)展到時(shí)間2，失效概率Pf為圖3b中的相交區(qū)域，可以看出，隨著時(shí)間越往后發(fā)展，失效概率Pf越大。若通過確定合適的可接受失效概率，就可對(duì)管道的剩余壽命預(yù)測，據(jù)此確定正確的管道檢測和維修周期。

（二）管道隨服役年限變化的失效概率分布。根據(jù)273mm×6（7）mm輸油管道腐蝕速率的概率分布和腐蝕缺陷的極限尺寸，按照圖3的思路，就可將管道的失效概率隨服役時(shí)間變化的規(guī)律繪制成如圖4所示的曲線。比較圖4a與圖4b，可發(fā)現(xiàn)兩圖具有某些共同點(diǎn)，即隨著管道服役年限的增加，管道的失效概率逐漸增加，而且都有一個(gè)從小到大快速增長的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。因此，通過確定可接受的失效概率，根據(jù)圖4就可以估計(jì)管道的剩余壽命，從而確定合適的檢測周期和維修周期。另外，還可以看出即使缺陷的腐蝕區(qū)域變化較大，但是對(duì)使用年限相同的管道，失效概率卻幾乎沒有改變。

（三）腐蝕剩余壽命的預(yù)測。參照APIRP579的思路，將管道經(jīng)過的不同地段劃分為低風(fēng)險(xiǎn)地段、中風(fēng)險(xiǎn)地段和高風(fēng)險(xiǎn)地段三種類型。這樣不同地段管道可接受的失效概率可取為不同數(shù)值，見表3。

根據(jù)表3和圖4，就可預(yù)測Φ273mm×6（7）mm輸油管道的腐蝕剩余壽命，從而確定出管道維修和檢測周期，結(jié)果見表4。

五、結(jié)論

（一）利用Φ273mm×6（7）mm輸油管道歷年來的腐蝕大修缺陷尺寸數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出了管道腐蝕速率分布，發(fā)現(xiàn)腐蝕速率分布服從正態(tài)分布N（0.3968，0.1412）。

（二）通過確定不同風(fēng)險(xiǎn)地段管道可接受的失效概率，對(duì)Φ273mm×6（7）mm輸油管道進(jìn)行了可靠性腐蝕剩余壽命預(yù)測。發(fā)現(xiàn)在低、中風(fēng)險(xiǎn)地段，管道使用5～6年的時(shí)間，需要進(jìn)行檢測和維修；在高風(fēng)險(xiǎn)地段，管道經(jīng)過4～5年的時(shí)間，就需要進(jìn)行檢測和維修。

（三）基于Φ273mm×6（7）mm輸油管道高的腐蝕速率，應(yīng)對(duì)此輸油管道加強(qiáng)防腐，嚴(yán)格把好防腐質(zhì)量關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《腐蝕控制手冊》[美]A.G.奧斯特羅夫等著 石油工業(yè)出版社

[2]《管道防腐層檢漏試驗(yàn)方法》

[3]《油氣長輸管線的安全可靠性分析》，方華燦，北京：石油工業(yè)出版社，2002.5