高含硫天然氣集輸管道點(diǎn)蝕缺陷安全評(píng)價(jià)方法研究

周玉輝 郭西水 唐 潔 周華峰 文麗晨

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100；2.國(guó)家煤化工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(安徽)， 安徽 淮南 834000；3.中國(guó)石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院， 河南 濮陽(yáng) 232001；4.中國(guó)石油新疆油田公司采油一廠， 新疆 克拉瑪依 834000)

對(duì)于管道腐蝕問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作。關(guān)于體積型腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，20世紀(jì)70年代初，Kiefner等人研究建立了半經(jīng)驗(yàn)斷裂力學(xué)關(guān)系式[1]。1997年，美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)API579-1997，首次考慮了含硫化氫的輸氣管道。1995年，我國(guó)發(fā)布的《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評(píng)價(jià)方法》(SYT6151-1995)，考慮了環(huán)向損傷的影響，并修訂了工作壓力的計(jì)算公式，但計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜。段慶全等人[2-4]基于有限元法，研究了內(nèi)腐蝕管道極限壓力的計(jì)算方法。賀紅彥等人[5-9]對(duì)油氣輸送管道腐蝕缺陷的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。目前，對(duì)高含硫天然氣集輸管道的安全評(píng)價(jià)還面臨一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)[10-11]，比如：高含硫天然氣集輸管道安全裕量評(píng)價(jià)計(jì)算方法有待研究；有關(guān)集輸管道安全評(píng)估的計(jì)算方法多來(lái)源于管道設(shè)計(jì)規(guī)范，而對(duì)現(xiàn)役管道狀況考慮較少。過(guò)去，對(duì)集輸管道的安全評(píng)估往往缺乏支撐數(shù)據(jù)；而今，因?yàn)楣艿肋\(yùn)行多年，壓力、溫度、流量、氣體成分、含水率等基本運(yùn)行參數(shù)都有一定積累，并且相關(guān)的腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也非常豐富，如FSM監(jiān)測(cè)、智能檢測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證數(shù)據(jù)等。因此，有必要對(duì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和方法做系統(tǒng)研究，通過(guò)對(duì)比分析，優(yōu)選計(jì)算模型，計(jì)算給出基于腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)役集輸管道的安全裕量，確定管道安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警值。

針對(duì)管道安全的評(píng)價(jià)方法，主要有實(shí)物評(píng)價(jià)的半經(jīng)驗(yàn)公式、強(qiáng)度失效準(zhǔn)則、有限元分析和基于斷裂力學(xué)理論的解析分析及基于可靠性理論的概率計(jì)算[12]。從評(píng)價(jià)對(duì)象上來(lái)說(shuō)，主要有體積型腐蝕缺陷、平面型缺陷、彌散損傷型缺陷、幾何不完整型缺陷和機(jī)械損傷型缺陷[13-14]。

高含硫天然氣集輸管道采用的是抗硫不銹鋼材質(zhì)，其腐蝕缺陷主要表現(xiàn)為均勻減薄和點(diǎn)蝕。對(duì)含有點(diǎn)蝕缺陷的管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，目的是分析確定缺陷管道所容許的最大操作壓力，以及在某一操作壓力下允許管道存在的最大缺陷尺寸，以便做出正確的決策：或者讓管道繼續(xù)服役，或者降低管道運(yùn)行壓力，或者進(jìn)行缺陷修復(fù)作業(yè)，或者更換損傷嚴(yán)重的管段。決策正確，才可以節(jié)省維修費(fèi)用，才可能避免發(fā)生管道事故。

下面主要采用強(qiáng)度失效準(zhǔn)則，針對(duì)高含硫天然氣集輸管道的體積型腐蝕缺陷，建立含點(diǎn)蝕缺陷管道的安全評(píng)價(jià)模型；并基于彈性極限理論，對(duì)某高含硫氣田集輸管道不同工況下允許的最大點(diǎn)蝕缺陷進(jìn)行評(píng)估；同時(shí)基于管道缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算管道的剩余強(qiáng)度，從而確定需更換管道的最大點(diǎn)蝕深度。

1 點(diǎn)蝕管道的安全評(píng)價(jià)模型

彈性極限實(shí)際上是指彈性屈服極限，它是材料產(chǎn)生彈性變形所承受的最大應(yīng)力值。根據(jù)管線材料的屈服極限及安全系數(shù)，可確定管線的許用應(yīng)力?？紤]到管道腐蝕缺陷的存在，給出應(yīng)力集中系數(shù)，計(jì)算出腐蝕缺陷區(qū)的環(huán)向應(yīng)力。根據(jù)強(qiáng)度失效準(zhǔn)則，比較計(jì)算出的等效應(yīng)力與許用應(yīng)力，得出管線的最大允許操作內(nèi)壓或在該運(yùn)行壓力條件下的最大允許點(diǎn)蝕深度[15]。

按式(1)計(jì)算管道的許用應(yīng)力。

[σ]=Fφσs

(1)

式中：[σ] —— 管道許用應(yīng)力，MPa；

F—— 強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)，依據(jù)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，F(xiàn)=0.5；

σs—— 鋼管的最低屈服強(qiáng)度，MPa(所研究的管線σs=360 MPa)；

φ—— 焊縫系數(shù)，取值1.0。

按式(2)計(jì)算管道腐蝕缺陷區(qū)的環(huán)向應(yīng)力。

(2)

式中：σp—— 環(huán)向應(yīng)力，MPa；

p—— 管內(nèi)設(shè)計(jì)壓力，MPa；

d—— 鋼管的中面直徑，m；

t—— 鋼管的有效壁厚，m。

按式(3)計(jì)算內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力的集中系數(shù)(Kp)。

(3)

式中：A—— 實(shí)測(cè)的體積型缺陷最大深度與壁厚的比值，即相對(duì)深度，%；

L—— 實(shí)測(cè)的最大軸向投影長(zhǎng)度，m；

C—— 實(shí)測(cè)的缺陷在垂直于管道軸向圓周方向上的投影弧線長(zhǎng)度(環(huán)向尺度)，m；

r—— 鋼管的中面半徑，m；

θ—— 圓弧角度。

根據(jù)強(qiáng)度失效準(zhǔn)則(Kpσp≤[σ])，最大安全工作壓力對(duì)應(yīng)的管道應(yīng)力應(yīng)當(dāng)?shù)陀谠S用應(yīng)力。

最大安全工作壓力(pf)的計(jì)算公式：

(4)

失效壓力(pp)的計(jì)算公式：

(5)

式中：D—— 管道外徑，m。

2 模型修正

2.1 點(diǎn)蝕缺陷數(shù)據(jù)修正

基于某高含硫氣田集輸管道的智能檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其高風(fēng)險(xiǎn)管段進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試分析，修正實(shí)際缺陷值。

由表1和圖1可知，高風(fēng)險(xiǎn)管段的情況，智能檢測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果基本相符。由于人工測(cè)試中存在誤差，腐蝕管段各點(diǎn)蝕部位的具體數(shù)據(jù)存在一定差異，進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)需修正實(shí)際缺陷值。綜合批量智能檢測(cè)數(shù)據(jù)和開(kāi)挖數(shù)據(jù)，確定點(diǎn)蝕深度修正系數(shù)為1.15。

修正后，按式(6)計(jì)算最大安全工作壓力(其中，ξ為修正系數(shù)，即點(diǎn)蝕深度修正系數(shù))。

(6)

修正后，按式(7)計(jì)算內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力的集中系數(shù)。

(7)

2.2 安全預(yù)警值判定

根據(jù)對(duì)各管段最大安全工作壓力的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》(GB32167-2015)中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，確定現(xiàn)役含缺陷管段安全預(yù)警值的評(píng)定依據(jù)[16]。

(1) 當(dāng)管道腐蝕區(qū)域的最大蝕孔深度小于或等于公稱(chēng)壁厚10%時(shí)，或者最大安全工作壓力與失效壓力的比值大于1時(shí)，評(píng)定為第3類(lèi)腐蝕。這類(lèi)含缺陷管段腐蝕程度不嚴(yán)重，能維持正常運(yùn)行，可監(jiān)測(cè)使用；但如果管體存在較大附加應(yīng)力，則應(yīng)另行考慮。

(2) 當(dāng)最大安全工作壓力與失效壓力的比值大于管道設(shè)計(jì)系數(shù)而小于1時(shí)，評(píng)定為第2類(lèi)腐蝕。這類(lèi)含缺陷管段腐蝕程度比較嚴(yán)重，應(yīng)制定修復(fù)計(jì)劃，限期修復(fù)，或者只許在安全工作壓力下運(yùn)行。

表1 1號(hào)觀察井外上坡直管段智能檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖1 1號(hào)觀察井外上坡直管段腐蝕情況現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記圖

(3) 當(dāng)最大安全工作壓力與失效壓力的比值小于管道設(shè)計(jì)系數(shù)時(shí)，評(píng)定為第1類(lèi)腐蝕。這類(lèi)管段腐蝕程度很?chē)?yán)重，應(yīng)采取措施立即修復(fù)。

以含缺陷管道強(qiáng)度校核模型為基礎(chǔ)，結(jié)合管道修復(fù)和更換的技術(shù)規(guī)范要求，建立高含硫氣田集輸管道安全裕量預(yù)警值計(jì)算公式如式(8)。當(dāng)ψ=1時(shí)，計(jì)算所得預(yù)警值為限期修復(fù)預(yù)警值；ψ=0.5時(shí)，計(jì)算所得預(yù)警值為立即修復(fù)預(yù)警值。其中，ψ指最大安全工作壓力與失效壓力的比值；預(yù)警值指最大蝕孔深度與公稱(chēng)壁厚的比值。

(8)

3 模型應(yīng)用及精度驗(yàn)證

某高含硫氣田所用集輸管道為L(zhǎng)360無(wú)縫鋼管，規(guī)格為Φ219.1 mm×10 mm，設(shè)計(jì)壓力為11 MPa，最大允許運(yùn)行壓力(pp)是10 MPa。腐蝕管道材料為X52管道鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為358 MPa，極限抗張強(qiáng)度為455 MPa。由此，管道計(jì)算模型的長(zhǎng)度取600 mm、壁厚10 mm、內(nèi)徑199.5 mm。參照某管道嚴(yán)重腐蝕部位的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：記錄距離為 1 173.068 m，最大腐蝕坑的面積為23 mm×24 mm，最大腐蝕深度為3.1 mm，腐蝕區(qū)域軸向長(zhǎng)度為23 mm，相對(duì)深度為30%。

根據(jù)建立的高含硫天然氣含點(diǎn)蝕缺陷集輸管道安全評(píng)價(jià)模型，可得此段管道腐蝕部位的失效壓力為16.54 MPa，最大安全工作壓力為8.27 MPa。對(duì)于集輸管道來(lái)說(shuō)，在操作壓力不超過(guò)10 MPa，溫差不超過(guò)40 ℃的條件下，只要腐蝕坑深度不超過(guò)管道壁厚的30%，管道的強(qiáng)度是有保證的。計(jì)算結(jié)果，最大點(diǎn)蝕深度已經(jīng)達(dá)到立即修復(fù)的預(yù)警值，應(yīng)當(dāng)立即更換該段管道(根據(jù)此評(píng)估結(jié)果，該氣田已經(jīng)對(duì)這段管道進(jìn)行了更換處理)。

基于算例中管道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及腐蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立腐蝕缺陷管道的有限元模型。鑒于荷載和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，只取14管道模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型只考慮內(nèi)壓載荷，忽略周?chē)h(huán)境對(duì)管道外壁的影響。對(duì)遠(yuǎn)離缺陷部位的管段，采用掃掠網(wǎng)格將其劃分為六面體單元。對(duì)缺陷處，利用有限元中的映射法將其網(wǎng)格生成若干規(guī)則的六面體單元。對(duì)缺陷附近的管段，采用智能網(wǎng)格劃分并智能加密。整體采用20節(jié)點(diǎn)六面體單元。

在最大設(shè)計(jì)內(nèi)壓10 MPa下，計(jì)算得到的腐蝕管道Von Mises應(yīng)力如圖2所示。圖2直觀地反映了管道缺陷附近的應(yīng)力分布狀態(tài)，最大等效應(yīng)力為213 MPa。該腐蝕缺陷管道在最大設(shè)計(jì)內(nèi)壓下運(yùn)行，其最大等效應(yīng)力小于其屈服強(qiáng)度，管道運(yùn)行是安全的。

在運(yùn)行壓力16.8 MPa下，計(jì)算得到的腐蝕管道Von Mises應(yīng)力如圖3所示。這時(shí)，最大等效應(yīng)力達(dá)358 MPa，即達(dá)到了管道的屈服強(qiáng)度。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，腐蝕缺陷區(qū)的等效應(yīng)力(Von Mises條件)達(dá)到屈服極限后，管線失效。缺陷處有限元計(jì)算結(jié)果，最大等效應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，該管道在此壓力下運(yùn)行發(fā)生失效，此時(shí)的內(nèi)壓載荷為極限載荷或失效壓力。因此，管道的失效壓力是16.8 MPa。

圖2 內(nèi)壓10 MPa下單個(gè)點(diǎn)腐蝕缺陷管道的Von Mises應(yīng)力圖

圖3 單個(gè)點(diǎn)腐蝕缺陷管道的Von Mises應(yīng)力圖

腐蝕深度是影響管道剩余強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)。隨著腐蝕深度的增加，缺陷處的等效應(yīng)力在不斷增加。如圖4所示，在10 MPa的運(yùn)行壓力下，當(dāng)腐蝕深度達(dá)到6.4 mm時(shí)，即相對(duì)深度達(dá)到63%時(shí)，最大等效應(yīng)力即達(dá)到管道材料屈服強(qiáng)度(360 MPa)。因此，在該運(yùn)行壓力及相同腐蝕面積下，允許的最大腐蝕深度為6.4 mm。

圖4 管道腐蝕段蝕孔深度與最大等效應(yīng)力的變化關(guān)系

利用有限元模型計(jì)算所得管道失效壓力是16.8 MPa，而按上述含點(diǎn)蝕缺陷集輸管道安全評(píng)價(jià)模型計(jì)算，獲得的管道失效壓力是16.54 MPa。由此可見(jiàn)，評(píng)價(jià)模型的計(jì)算精度達(dá)98%，能夠滿足工程要求。同時(shí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在10 MPa的運(yùn)行壓力下，需要更換的集輸管道其最大點(diǎn)蝕深度是等于或大于管道壁厚的30%。在該運(yùn)行壓力下，相對(duì)深度達(dá)到63%時(shí)，最大等效應(yīng)力達(dá)到其材料屈服強(qiáng)度，集輸管道失效。該數(shù)據(jù)與高含硫集輸管道的設(shè)計(jì)系數(shù)(0.5)相吻合，滿足安全要求。

4 結(jié) 論

(1) 蝕孔深度是影響管道剩余強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)。隨著腐蝕深度的增加，管道缺陷處的等效應(yīng)力在不斷增加。高含硫濕氣集輸管道的管輸流體腐蝕性強(qiáng)，需要定期覆緩蝕劑，降低點(diǎn)蝕的增長(zhǎng)速度，以保障管線安全運(yùn)行。

(2) 研究建立的高含硫天然氣含點(diǎn)蝕缺陷集輸管道安全評(píng)價(jià)模型，能確定需更換集輸管道的最大點(diǎn)蝕深度，計(jì)算精度能夠滿足工程要求。

(3) 針對(duì)某高含硫氣田集輸管道的腐蝕情況，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的有關(guān)參數(shù)，運(yùn)用建立的安全評(píng)價(jià)模型進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，其結(jié)果與實(shí)際情況相符。