天然氣管道河流穿越段腐蝕缺陷評價(jià)

劉建軍，李強(qiáng)林，周道川，周　丹山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南　250101

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天然氣管道河流穿越段腐蝕缺陷評價(jià)

劉建軍，李強(qiáng)林，周道川，周丹
山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101

摘要：結(jié)合內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，對某天然氣管道河流穿越段一處深度為34%壁厚的缺陷進(jìn)行定位并開挖驗(yàn)證，分別使用ASME B31G方法和線性外推法，對穿越段進(jìn)行了剩余強(qiáng)度評價(jià)和剩余壽命預(yù)測。從剩余強(qiáng)度評價(jià)結(jié)果可以看出，在首站天然氣最高允許出站壓力為4.90 MPa（2014年12月以前）的運(yùn)行工況條件下，含缺陷管道是具備足夠安全裕量的；從剩余壽命預(yù)測結(jié)果可以看出，按照測算得到的腐蝕速率考慮，以理論允許存在的最小壁厚（20%壁厚）為極限值，含缺陷管道具有足夠長的使用壽命。在評價(jià)基礎(chǔ)上，對可能造成穿越段損傷的原因進(jìn)行了推測，提出了含缺陷定向鉆或大開挖方式穿越管段的處理建議。

關(guān)鍵詞：穿越段；剩余強(qiáng)度；腐蝕速率；剩余壽命

1　概況

某天然氣管道始建于2001年，投產(chǎn)于2002年6月，全長134 km，管材為L390螺旋縫埋弧焊管，規(guī)格為D 508 mm×7.9（8.7、10.3）mm，外防腐層為環(huán)氧粉末涂層（無內(nèi)涂層），沿線共建有4座輸氣場站及4座截?cái)嚅y室，承擔(dān)著濟(jì)南、淄博沿線各地市的供氣任務(wù)，設(shè)計(jì)輸氣能力28.4億m3/a，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa，彎頭彎管曲率半徑為5D（D為管徑）。

2　某天然氣管道河流穿越段腐蝕缺陷現(xiàn)狀

2.1內(nèi)檢測數(shù)據(jù)

內(nèi)檢測資料顯示，在該天然氣管道109.06 km處存在管道本體缺陷。該處的管道本體缺陷類型為管道外腐蝕缺陷，最大深度為33%壁厚（此處管道設(shè)計(jì)壁厚10.3 mm），腐蝕面積為38 mm×139 mm，腐蝕缺陷大體位于沿氣流方向管道截面的9點(diǎn)鐘位置，距離上游環(huán)焊縫約1 m。

結(jié)合設(shè)計(jì)資料，通過坐標(biāo)分析可知，該處管道本體缺陷位于河流穿越東側(cè)的彈性彎管與斜向上直管段的交接處，管底距地面設(shè)計(jì)埋深4.3 m，如圖1所示。

圖1　管體缺陷位置示意

2.2開挖驗(yàn)證

管道公司于2014年11月對該天然氣管道河流穿越缺陷處進(jìn)行了開挖檢測，開挖后發(fā)現(xiàn)該缺陷點(diǎn)位于豬籠河暗涵下（見圖2），管頂距路面4.5 m；缺陷位于沿氣流方向管道截面的9點(diǎn)至10點(diǎn)鐘位置，與內(nèi)檢測結(jié)果基本一致。

圖2　缺陷位置開挖現(xiàn)場

通過現(xiàn)場測量，該缺陷環(huán)向長度為240 mm，軸向長度為45 mm，面積約為10 800 mm2，最大深度為3.5 mm（壁厚約34%），如圖3所示。該處的管道設(shè)計(jì)壁厚為10.3 mm，管道剩余壁厚為6.8 mm。

圖3　缺陷尺寸示意

檢測單位出具的射線檢測報(bào)告顯示：“本處未見裂紋等危害性缺陷，母材表面凹陷，有劃傷”。

3　基于剩余強(qiáng)度的缺陷評價(jià)

鑒于管道重要的戰(zhàn)略地位和管道事故危害的嚴(yán)重性以及維修管道費(fèi)用的高昂，對含有腐蝕缺陷的管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價(jià)是非常必要的，其目的就是研究管道上的腐蝕缺陷所容許的最大操作壓力以及在某一操作壓力下允許存在的最大缺陷尺寸，從而做出正確的決策：降低運(yùn)行壓力、繼續(xù)服役或修復(fù)或更換等，這樣既可避免事故的發(fā)生又可節(jié)省維修費(fèi)用。

國內(nèi)外關(guān)于腐蝕管道安全評價(jià)的準(zhǔn)則很多。例如：美國的ASME B31G準(zhǔn)則［1］，英國的R6方法［2］，挪威船級社DNV方法，加拿大的CSA- Z184- M86標(biāo)準(zhǔn)［3］等。其中ASME B31G準(zhǔn)則適用于評價(jià)老的、低強(qiáng)度腐蝕管道，且預(yù)測壓力值保守的問題在修正的公式中有了很大改善，因此本文中將使用該準(zhǔn)則進(jìn)行該天然氣管道河流穿越段腐蝕缺陷的評價(jià)。

3.1ASEM B31G準(zhǔn)則基礎(chǔ)理論［1］

ASME B31G準(zhǔn)則是美國最早建立的腐蝕管道剩余強(qiáng)度的簡明評價(jià)方法，是目前西方國家流行的評價(jià)方法，在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。ASME B31G準(zhǔn)則的計(jì)算公式是由美國Battele研究所，基于中低強(qiáng)度材料的彈塑性斷裂力學(xué)理論，用方程式來表示當(dāng)材料不連續(xù)時(shí)管道的應(yīng)力，將理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，給出的是建立在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式。該評價(jià)方法便于計(jì)算，可以很快求得腐蝕缺陷管道的極限承載能力和最大允許安全運(yùn)行壓力，適合評價(jià)含有單一軸向缺陷腐蝕管道的剩余強(qiáng)度。

ASME B31G準(zhǔn)則評價(jià)腐蝕管道剩余強(qiáng)度的主要步驟如下：

（1）確定缺陷深度d與壁厚t的比值d/t。

（2）計(jì)算相關(guān)參數(shù)z的值。

式中：z為相關(guān)參數(shù)，無量綱；D為管道外徑，mm；t為管道壁厚，mm；Lm為缺陷的軸向長度，mm。

（3）確定Folias膨脹系數(shù)M的值。

當(dāng)z≤50時(shí)，

（4）計(jì)算含缺陷管道允許的最大安全運(yùn)行壓力Pf（單位：MPa）。

式中：σs為管道材料的最小屈服強(qiáng)度，MPa；F為參考等級的安全系數(shù)；d為缺陷最大深度，mm。

（5）將Pf的值與目前管道的運(yùn)行壓力Po進(jìn)行對比，評價(jià)缺陷是否能夠接受并根據(jù)實(shí)際情況采取降壓運(yùn)行、補(bǔ)強(qiáng)或者換管等措施。

ASME B31G準(zhǔn)則在計(jì)算含腐蝕缺陷管道的允許最大安全運(yùn)行壓力Pf時(shí)，分別做了三點(diǎn)假設(shè)：一是管材的流動應(yīng)力近似等于管道最小屈服應(yīng)力σs的1.1倍；二是膨脹系數(shù)M的數(shù)值僅與缺陷軸向長度Lm、管道外徑D及壁厚t有關(guān)；三是將含有腐蝕缺陷的面積簡單地近似為拋物線包絡(luò)的形狀，從而使缺陷區(qū)域面積和缺陷面積的數(shù)值可用缺陷軸向長度Lm和缺陷最大深度d兩個(gè)簡單的參數(shù)來計(jì)算。

3.2腐蝕缺陷評價(jià)

以河流穿越段管道本體外腐蝕缺陷為研究對象，列出基本參數(shù)見表1。

表1　腐蝕缺陷管道基本參數(shù)

對該缺陷進(jìn)行研究，按照ASME B31G準(zhǔn)則提供的步驟進(jìn)行計(jì)算：

（1）確定缺陷深度壁厚比d/t的值為0.339 8。

（2）按式（1）計(jì)算參數(shù)z的值為0.387。

（3）確定M值的大小。

由于z = 0.387＜50，因此按式（2）計(jì)算得到Folias系數(shù)M值為1.11。

（4）計(jì)算管道最大允許安全運(yùn)行壓力Pf。

管材的最小屈服應(yīng)力σs為390 MPa，d/t為0.339 8，管道壁厚t為10.3 mm，管道直徑D為508 mm，參考等級安全系數(shù)按照四類地區(qū)取為0.4，分別將以上數(shù)據(jù)代入式（4）中，計(jì)算得到管道最大允許安全運(yùn)行壓力Pf的值為6.68 MPa。

3.3管道運(yùn)行情況分析

結(jié)合該天然氣管道的運(yùn)行情況，對2012年1月至2014年10月期間的管道實(shí)際運(yùn)行壓力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見圖4。

圖4　運(yùn)行壓力對比

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，近三年該穿越管段實(shí)際最高運(yùn)行壓力為4.11 MPa（2012年9月3日），遠(yuǎn)小于計(jì)算得到的該管段最大允許安全運(yùn)行壓力（6.68 MPa），因此管道始終能夠安全運(yùn)行。

4　基于剩余壽命的缺陷評價(jià)［4］

4.1預(yù)測方法理論基礎(chǔ)

一般來講，腐蝕剩余壽命預(yù)測依賴于歷史檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)能獲得的檢測數(shù)據(jù)的次數(shù)，預(yù)測方法分為線性外推近似預(yù)測和非線性外推預(yù)測。

所謂線性外推就是在均勻腐蝕的大面積管段，利用兩次腐蝕檢測數(shù)據(jù)作線性外推，即假設(shè)管道的腐蝕速率是按線性規(guī)律變化的，來預(yù)測剩余壁厚達(dá)到該管段所允許的最小壁厚的時(shí)間，進(jìn)而得出管道的腐蝕剩余壽命。

如圖5所示，T1、T2為兩次檢測的具體時(shí)間，兩次檢測的腐蝕深度分別為d1、d2，則剩余壁厚分別為t1= t -d1、t2= t-d2，tmin為所要預(yù)測的管段允許的最小壁厚。

圖5　基于二次檢測數(shù)據(jù)的外推法理論

通過線性外推，即將t1和t2的連線延長，與最小允許壁厚線的交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間T即為管壁減薄到tmin時(shí)所對應(yīng)的時(shí)間：

故該管段距第二次檢測時(shí)間T2的剩余壽命為：

4.2腐蝕速率預(yù)測

結(jié)合內(nèi)檢測以及2014年開挖驗(yàn)證得到的缺陷數(shù)據(jù)，將2002年（管道投產(chǎn)）、2012年（管道內(nèi)檢測）以及2014年（開挖驗(yàn)證）作為線性外推腐蝕速率預(yù)測方法的三個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，考慮了三種不同的假設(shè)情況下缺陷腐蝕情況，可求出三種情況下管道的腐蝕速率，見表2。

表2　三種不同的假設(shè)情況

在計(jì)算腐蝕速率時(shí)，分別進(jìn)行了兩次近似取值：一是忽略內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的誤差，認(rèn)為內(nèi)檢測數(shù)據(jù)是完全準(zhǔn)確的；二是忽略開挖驗(yàn)證后無損檢測的測量誤差，認(rèn)為檢測數(shù)據(jù)是完全準(zhǔn)確的。

4.3剩余壽命預(yù)測

對于均勻腐蝕缺陷和局部腐蝕缺陷，要求缺陷深度不能超過壁厚的80%，也就是說要求的最小壁厚為tmin= 20%t，所以最小允許壁厚即為tmin= 2.06 mm。

在管道運(yùn)行壓力維持不變的情況下，分別計(jì)算出三種情況下管壁減薄到tmin時(shí)所對應(yīng)的時(shí)間，具體見表3。

表3　不同假設(shè)情況下的剩余壽命

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，不同假設(shè)情況下，使用線性外推法計(jì)算得到的腐蝕速率及管道剩余壽命相差較大。

假設(shè)一與假設(shè)二的時(shí)間間隔相差兩年，但計(jì)算得到的腐蝕速率卻相差了17%左右，與腐蝕速率變化趨勢應(yīng)符合“浴盆曲線”規(guī)律的理論相悖。另外，結(jié)合缺陷開挖處的現(xiàn)場實(shí)際情況以及缺陷在管道上的分布位置和形態(tài)（如圖6～7所示），可以推測出，缺陷處管道外防腐層以及管道本體曾遭受來自管道豎直方向上相對于管道9點(diǎn)鐘位置的外力損傷的可能性極大，防腐層的破損則進(jìn)一步加劇了損傷部位管道本體腐蝕的發(fā)生。

因此，假設(shè)三的情況以及在該假設(shè)情況下計(jì)算得到的腐蝕速率更加符合實(shí)際情況。

圖6　　缺陷分布位置及形態(tài)（打磨前）

圖7　缺陷分布位置及形態(tài)（打磨后）

5　維修建議

5.1損傷原因分析

對有可能導(dǎo)致缺陷處管道外防腐層及本體外力損傷的若干原因進(jìn)行推測并歸納如下：一是管道周邊修建暗涵和下水井時(shí)發(fā)生外力損傷；二是管道回拖前，由于野蠻施工導(dǎo)致下溝過程中出現(xiàn)砸傷或機(jī)械劃傷；三是管道回拖過程中，防腐層及管道本體被地底巖石等硬物劃傷或擦傷。結(jié)合缺陷附近三條暗渠交錯(cuò)分布以及缺陷點(diǎn)周圍防腐層形態(tài)，筆者認(rèn)為周邊施工導(dǎo)致管道損傷的可能性最大。

5.2維修依據(jù)

該缺陷的實(shí)測相對深度為34%，損傷達(dá)到壁厚20%～25%以上，應(yīng)立即進(jìn)行修復(fù)。

5.3維修方案選擇

目前常用的管道本體缺陷維修補(bǔ)強(qiáng)方法主要有:補(bǔ)板修復(fù)、A型套筒修復(fù)、B套筒修復(fù)、碳纖維復(fù)合材料包覆修復(fù)四種方法［5］。

鑒于補(bǔ)板修復(fù)方法不適合修復(fù)直徑大于8 mm的腐蝕缺陷、A型套筒不適合修復(fù)環(huán)向缺陷的情況，適用于管道本體缺陷的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)方法有B型套筒修復(fù)和碳纖維復(fù)合材料修復(fù)，其對比見表4。

表4　 B型套筒修復(fù)法與碳纖維復(fù)合材料修復(fù)法對比

綜合考慮，由于實(shí)施碳纖維復(fù)合材料包覆修復(fù)施工對金屬表面的除銹等級和錨紋深度要求較高，維修后的管道性能受施工質(zhì)量影響較大。而實(shí)施B型套筒施工，施工無需對管道降壓（首站濟(jì)南站最高出站壓力為4.90 MPa，該腐蝕缺陷處帶壓施焊的最高允許壓力為6.06 MPa），且套筒焊接完成后只需對焊縫進(jìn)行磁粉檢測和滲透檢測即可，便于現(xiàn)場實(shí)施，因此該缺陷采用B型套筒進(jìn)行修復(fù)。

6　結(jié)論與建議

6.1結(jié)論

本文以某天然氣管道的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對穿越河流管段的本體缺陷處進(jìn)行了開挖驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，完成了含缺陷管段的剩余強(qiáng)度評價(jià)和剩余壽命預(yù)測，并對缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

（1）從剩余強(qiáng)度評價(jià)結(jié)果可以看出，在目前該天然氣管道首站最高允許出站壓力為4.90 MPa的運(yùn)行工況條件下，含缺陷管道具備足夠安全裕量。

（2）從剩余壽命預(yù)測結(jié)果可以看出，按照測算得到的腐蝕速率考慮，以理論允許存在的最小壁厚（20%t）為極限值，含缺陷管道具有足夠長的使用壽命。

（3）周邊施工導(dǎo)致管道防腐層及本體損傷的可能性極大，防腐層的破損加劇了管道本體損傷部位的腐蝕。

6.2建議

針對采用定向鉆或大開挖方式穿越河流、鐵路、高速公路的含缺陷管段，建議如下：

（1）有計(jì)劃性地開展管道內(nèi)檢測。作為查找管道本體缺陷的最有效手段，內(nèi)檢測對缺陷的準(zhǔn)確定位和描述，對管道完整性評價(jià)、修復(fù)具有十分重要的指導(dǎo)意義。一是內(nèi)檢測能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道本體新生缺陷，二是通過比對兩次或多次同一處缺陷的數(shù)據(jù)，能夠建立更加準(zhǔn)確的腐蝕速率模型，預(yù)測管道剩余壽命，為管道運(yùn)行提供參考。

（2）對含缺陷管道進(jìn)行有效的完整性評價(jià)，根據(jù)評價(jià)結(jié)果制訂維修方案和維修計(jì)劃。一方面，雖然《油氣管道管體修復(fù)技術(shù)規(guī)范》中明確規(guī)定，損傷達(dá)到壁厚20%～25%以上，應(yīng)立即進(jìn)行修復(fù)，但是對于穿越管段而言，基于設(shè)計(jì)的厚壁管卻可以明顯提高含缺陷管道的失效壓力，從而確保管道能夠在具備足夠安全裕量的情況下安全運(yùn)行。另一方面，由于大多數(shù)穿越管段根本不具備開挖修復(fù)的條件（例如穿越大型河流、鐵路等），即使路由允許的情況下，管道改線、換管的成本往往也是相當(dāng)高的。因此，管道運(yùn)營單位可以在完整性評價(jià)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮投入大量資金改線、換管的必要性，或是在風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下采用有效且具有針對性的缺陷管段監(jiān)測技術(shù)，維持管道運(yùn)行現(xiàn)狀。

參考文獻(xiàn)

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［2］陳印，劉寶玉，陳琳琳.基于R6失效曲線管道的完整性評定［J］.當(dāng)代化工，2013（5）：689- 691.

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［6］Q/SY1592- 2013，油氣管道管體修復(fù)技術(shù)規(guī)范［S］.

Evaluation on Corrosion Defects in River Crossing Section of Natural Gas Pipeline

LIU Jianjun，LIQianglin，ZHOU Daochuan，ZHOU Dan
Shandong Province Natual Gas Pipeline Co.，Ltd，Jinan 250201，China

Abstract：Based on the internal inspection result，the work of locating and excavating verification for the corrosion defect with the depth of 34%wall thickness in the river crossing section of a pipeline is carried out. Then the ASME B31G method and the linear extrapolation method are used to evaluate the residual strength and predict the residual life of the river crossing section. The result from the residual strength evaluation shows that the river crossing section has enough safety allowance in the condition of the maximum allowable gas pressure of 4.90 MPa at the initial station；The result from the residual life evaluation shows that the river crossing section has enough service life according to the estimated corrosion rates and theoretic allowance minimum wall thickness（20%wall thickness）. The reasons possibly causing damage of the river crossing section are considered，and treatment proposals of the river crossing section with defect in the construction ways of directionaldrilling or large excavation are brought forward.

Keywords：crossing section；residualstrength；corrosion rate；residuallife

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.019

作者簡介：

劉建軍（1970-），男，山東濰坊人，經(jīng)濟(jì)師，2001年畢業(yè)中原油田黨校經(jīng)濟(jì)管理專業(yè)，現(xiàn)從事長輸天然氣管道管理方面的工作。

Email：812766422@qq.com

收稿日期：2015- 07- 28；修回日期：2015- 10- 09