含復(fù)合凹陷油氣管道的安全評估現(xiàn)狀

田野 朱麗霞 丁融 高濤 羅金恒 宋成立

1中石油管道有限責任公司西部分公司

2中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院

3石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室

石油和天然氣是國家能源命脈，作為儲運主體的油氣管道，其安全可靠性一直是各國關(guān)注的焦點。據(jù)美國運輸部門報道，機械損傷是造成油氣管道失效的主要原因[1]。其中，凹陷作為機械損傷的外部表現(xiàn)，是管道表面發(fā)生典型塑性變形產(chǎn)生的[2]，嚴重影響管道的服役安全。DAWSON等人[3-4]針對歐洲管道的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行分析，在長7 022 km的管道上發(fā)現(xiàn)凹陷9 851處；國內(nèi)某機構(gòu)在長120 km的管段上檢測出凹陷193處，最大凹陷深度為15%[5-6]。2018年，項目研究者對西部管道下屬所有管道的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，共計發(fā)現(xiàn)凹陷3 196處，最大凹陷深度為12.4%，其中81.48%為管體凹陷，其余18.52%為與焊縫和金屬損失相關(guān)（包括腐蝕、劃傷）的復(fù)合凹陷。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)和學(xué)者通過試驗、理論分析及有限元模擬計算等對管道凹陷的形成機理和力學(xué)特性進行了分析，但研究還主要局限在管體單純凹陷方面，對復(fù)合型凹陷研究還較少。復(fù)合凹陷一方面會造成管道承載面積減小，使管道承載能力下降；另一方面還會加大凹陷處的應(yīng)力集中，降低管道抗疲勞載荷的能力，比單純凹陷對管道服役安全的危害更大。因此，研究含復(fù)合凹陷管道的安全性，對焊縫、劃傷、腐蝕與凹陷疊加的復(fù)合凹陷進行合理的預(yù)測及評價，提出完善的完整性評價方法已成為石油和天然氣管道相關(guān)部門的重要任務(wù)。

1 凹陷的評估方法

當前，加拿大、澳大利亞、美國等國家已初步形成管道凹陷評價的多項標準及行業(yè)規(guī)范。如CSA Z662—2007[7]及其輔助手冊 CSA Z662.1—2007[8]、AS 2885.3—2001[9]、 ASME B31.8—2007[10]和 ASME B31.4—2001[11]、 API 1160—2001[12]、 API 579-1—2007[13]、 API PUBL 1156—1999[14]及 49 CFR 192—2007[15]、49 CFR 195—2007[16]等。另外，歐洲多家國際石油天然氣公司聯(lián)合制定了管道缺陷評價手冊PDAM （Pipeline Defect Assessment Manual），歸納總結(jié)了油氣管道凹陷缺陷的現(xiàn)階段研究成果，并通過大量的已知全尺寸試驗驗證了一些評價方法。我國在這方面起步較晚，較早關(guān)注凹陷缺陷的是中石油管材研究所，該研究所采用有限元法和FAD失效評估圖對管道凹陷進行了安全評價，并起草發(fā)布了SY/T 6477—2000《含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》，但由于試驗數(shù)據(jù)不足而未給出凹陷評價方法；此后，我國國家能源局于2014年發(fā)布了SY/T 6996—2014《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評價方法》，該方法為我國首個針對在役鋼質(zhì)油氣管道凹陷檢測與評價的標準。

目前，國內(nèi)外形成的管道凹陷評價的相關(guān)規(guī)范和標準，一般采用基于凹陷深度的準則評估含單純凹陷的管道，而對于含有劃傷、裂紋、焊縫及腐蝕等缺陷的凹陷管道基本采取直接修復(fù)或更換的措施。這種保守的判據(jù)勢必會導(dǎo)致不必要的管線停輸和維護費用開支，造成資源浪費和成本增加，甚至對管道產(chǎn)生二次傷害。

2 復(fù)合凹陷研究現(xiàn)狀分析

2.1 焊縫凹陷

焊縫處存在凹陷會使應(yīng)力集中的影響更加顯著，而且焊縫處往往存在氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，因此，焊縫凹陷對管道的服役安全影響很大。

國外對于液體管道的焊縫凹陷，AS 2885.3—2001及API 579—2007都要求立即更換；ASMEB31.8—2007建議脆性焊縫與凹陷疊加時需要立即更換，而延性焊縫與凹陷疊加時，取管道直徑的2%或取應(yīng)變的4%作為邊界條件；CSA Z662—2001要求管道直徑＞323.90 mm時，以外徑的2%作為評價的邊界條件，而直徑＜323.90 mm時，取凹陷深度6.00 mm作為邊界條件；49 CFR 192—2007要求管道直徑＞304.80 mm時，以外徑的2%作為評價的邊界條件，管道直徑＜304.80 mm時，以凹陷深度6.35 mm作邊界條件。

對于輸氣管道的要求更加嚴格，PDAM、ASME B31.4—2001及EPRG都要求一旦發(fā)現(xiàn)焊縫凹陷則立即更換；APIPUBL 1156—1999要求脆性焊縫需要立即更換，延性焊縫取直徑的2%作為邊界條件；49 CFR 195—2007規(guī)定直徑的6%作為立即修復(fù)的邊界條件，直徑的3%作為半年內(nèi)修復(fù)的邊界條件，直徑的2%作為繼續(xù)觀察的邊界條件。

我國標準SY/T 6996—2014對于陸地及海底油氣管道，均規(guī)定深度大于直徑2%或應(yīng)變大于4%的焊縫凹陷應(yīng)修復(fù)?？梢姡瑢τ诤缚p凹陷，國內(nèi)外普遍采取謹慎保守的處理方式。

目前還沒有可靠的方法預(yù)測位于焊縫的平滑凹陷管道的殘余應(yīng)力和疲勞壽命，對焊縫凹陷的評價是基于全爆破試驗的測試結(jié)果。DAWSON等人[3]統(tǒng)計了含有焊縫凹陷壓力容器的全尺寸爆破試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)含焊縫凹陷的管道爆破壓力非常低，較單純凹陷相比結(jié)果相差很大，分析認為是焊縫和凹陷產(chǎn)生了較大的殘余應(yīng)力，應(yīng)力集中使焊縫凹陷區(qū)的強度進一步下降，導(dǎo)致失效加快。COSHAM等人[2]將焊縫引入了微觀缺陷，大幅降低了凹陷區(qū)管道的疲勞壽命，并且對環(huán)焊縫的影響更加明顯。

2.2 劃傷凹陷

凹陷使管道的曲率發(fā)生變化，劃傷和凹陷的疊加使管道同時具備管壁的曲率變形和壁厚減薄。含劃傷凹陷的失效包含高塑性應(yīng)變、壁厚減薄、裂紋形成及擴展、塑性流動等復(fù)雜力學(xué)行為[17]。在國內(nèi)外標準及規(guī)范方面，API 579-1—2007規(guī)定輸油管道根據(jù)情況分析進行進一步詳細評估，但并沒有給出評價方法，其余標準及規(guī)范均規(guī)定油氣管道一旦發(fā)現(xiàn)劃傷凹陷，均需立即更換。

對于劃傷凹陷，通常利用經(jīng)驗公式預(yù)測其失效壓力[2]。然而，試驗中管道上的劃傷大多為機械制造的劃傷，和實際劃傷有一定的差別，因而，基于這些實驗所得的評估方法存在明顯的局限。ALLOUTI M[18]發(fā)現(xiàn)無論凹陷是否含有劃傷缺陷，管道的爆破強度相對于單純凹陷并無顯著影響。然而，他們的試驗并非基于長輸管道中的常用管線鋼，其結(jié)論對管線鋼的適用性還有待驗證。GHAEDNIA和DAS等人[19-21]對含裂紋及凹陷的X65和X70鋼管進行了爆破試驗以及有限元分析，研究表明，除非裂紋深度達到一定值，否則凹坑深度和工作壓力對管道爆破強度影響不大，而劃傷深度對爆破強度有顯著影響。在有限元分析中，他們提出了一種有限元分析的失效準則，但由于缺乏足夠的有限元計算，結(jié)論僅限適用于其研究的管道試樣。

英國燃氣公司建立了一個巧測含劃傷凹陷管道失效壓力的半經(jīng)驗斷裂模型[22]，此模型相比其他經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷念A(yù)測值更加準確，然而，它不適用于高鋼級管道，且無法預(yù)測爆破強度的下界。英國Battelle實驗室基于30個全尺寸爆破試驗的結(jié)果，提出經(jīng)驗Q因子法[23]，該方法采用經(jīng)驗系數(shù)Q作為含劃傷凹陷管道失效應(yīng)力的參數(shù)，綜合考慮了管材的力學(xué)性能、劃傷長度、管道直徑和壁厚、凹陷深度等因素，建議基于凹陷區(qū)深度和應(yīng)變的雙標準，對含劃傷凹陷的管道進行綜合評價。TIAN Xiao和ZHANG Hong[24]對含有劃傷復(fù)合凹陷的CT80鋼板進行拉伸試驗和有限元數(shù)值模擬，分析了劃傷深度、凹陷深度和壓頭直徑對拉伸強度的影響規(guī)律，提出劃傷復(fù)合凹陷材料的強度失效準則，即當缺陷中心沿剩余厚度方向的中間節(jié)點的等效應(yīng)力達到材料的真實抗拉強度時發(fā)生失效。基于此強度準則，TIAN Xiao和ZHANG Hong[25]以中高強度鋼為研究對象，進一步研究凹坑深度、劃傷長度、劃傷深度等參數(shù)對含劃傷凹陷管道的失效壓力的影響，并利用非線性回歸方法得到了含劃傷凹陷管道失效壓力的預(yù)測公式，但研究是基于一定管徑的管材、一定尺寸和形狀的壓頭進行失效壓力與劃傷尺寸的回歸公式的推導(dǎo)，研究結(jié)果仍存在一定的局限性，仍需要進一步的研究。

2.3 腐蝕凹陷

管道上體積缺陷與凹陷共同存在是管道損傷中非常嚴重的破壞形式。受服役環(huán)境的影響，油氣管道容易發(fā)生腐蝕，形成腐蝕與凹陷疊加的復(fù)合缺陷，導(dǎo)致管道的承載能力降低，使用壽命下降。目前對于腐蝕凹陷的評價主要是對剩余強度的評估，針對腐蝕和凹陷同時存在的情況，國內(nèi)外的評價方法并不多。

評價含腐蝕缺陷管道剩余強度主要依據(jù)ASME B31G—2012、DNV RP-F101—2010和PCORRC法（Pipeline Corrosion Criterion）。 AMSE B31G—2012是管道腐蝕評價的基礎(chǔ)，但在對含有腐蝕＋凹陷的復(fù)合缺陷的管道評價時，ASEM B31G—2012標準只是根據(jù)經(jīng)驗指出：管道凹陷處存在外腐蝕且殘余壁厚小于87.5%設(shè)計壁厚時需要修復(fù)，并沒有給出具體的評價公式，且對中高強度鋼管道的評價偏于保守。

對于輸油管道，49 CFR 192—2007規(guī)定不允許出現(xiàn)腐蝕凹陷；澳大利亞國家標準中指出，腐蝕凹陷須進行進一步詳細評估，但并沒有給出評價方法，其余國外標準一律建議參考AMSE B31G—2012標準的要求。對于輸氣管道，PDAM、EPRG、49 CFR 195—2007均要求一旦出現(xiàn)腐蝕凹陷，管道需要立即更換，ASME B31.4—2001建議參考AMSE B31G—2012標準的要求。

我國標準SY/T 6996—2014對于陸地及海底油氣管道，均規(guī)定深度或應(yīng)變大于6%，或者腐蝕坑深度大于40%管道壁厚時應(yīng)修復(fù)；而當腐蝕坑深度為10%～40%管道壁厚時，則按SY/T 6151—2009標準評價該復(fù)合凹陷是否需要修復(fù)。

為了分析腐蝕缺陷對凹陷的影響，馬欣[26]等人針對含內(nèi)腐蝕凹陷的管道，用Abaqus軟件研究了管道凹陷深度、管道內(nèi)壓、腐蝕長度以及深度對管道凹陷區(qū)域應(yīng)力分布和應(yīng)變的影響，并提出當管道內(nèi)壓超過6 MPa時，腐蝕深度越大其等效應(yīng)變增長的幅度越大，研究結(jié)果可為X60壓力管道的安全評估提供相應(yīng)的參考。劉維洋[27]等人采用有限元法模擬了不同尺寸的腐蝕缺陷和不同內(nèi)壓對凹陷管道極限載荷的關(guān)系，并基于PCORRC法提出了含腐蝕凹陷管道的失效評價公式，但是計算數(shù)據(jù)有限，還需進行大量不同參數(shù)的數(shù)值計算和爆破試驗的研究。薛濤[28]研究了腐蝕凹陷尺寸和壓力等對應(yīng)力狀態(tài)的影響，提出了基于內(nèi)腐蝕凹陷條件下管道服役安全評價流程，實現(xiàn)了對內(nèi)腐蝕凹陷過程的安全評價，但并未探討該方法對外腐蝕與凹陷疊加時的適用性。

3 結(jié)束語

油氣管道復(fù)合凹陷的現(xiàn)階段研究取得了一定的成果。研究表明，焊縫對管道凹陷區(qū)性能影響較大，爆破壓力和疲勞壽命低于同等條件下的單純凹陷和含焊縫管道；劃傷深度對爆破強度有顯著影響，相對劃傷深度，凹陷深度和工作壓力對管道爆破強度影響較小；腐蝕缺陷的長度和深度顯著影響含該類復(fù)合凹陷管道的極限內(nèi)壓，但該類復(fù)合凹陷的評價還應(yīng)該注意區(qū)分凹陷與內(nèi)腐蝕和外腐蝕疊加的不同情況?，F(xiàn)階段國內(nèi)外管道凹陷評價的相關(guān)規(guī)范和標準中，對于含焊縫、劃傷和腐蝕缺陷的復(fù)合凹陷的評價還相對保守，需要進一步加大研究力度，結(jié)合數(shù)值模擬及爆破試驗驗證，進一步改進行業(yè)標準及規(guī)范，避免資源浪費和成本增加。