高鋼級油氣管道剩余強(qiáng)度評價方法研究

王戰(zhàn)輝 馬向榮 李瑞瑞

摘 ?????要：以X70、X80、X100高鋼級油氣管道為研究對象，利用ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)、RSTRENG標(biāo)準(zhǔn)、DNV RP-F101標(biāo)準(zhǔn)、PCORRC標(biāo)準(zhǔn)、LPC-1標(biāo)準(zhǔn)、SHELL92標(biāo)準(zhǔn)六種剩余強(qiáng)度評價方法對其進(jìn)行剩余強(qiáng)度預(yù)測，并與爆破壓力比較，分析不同評價方法在高鋼級油氣管道中的保守性和準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：對于X70和X80高鋼級油氣管道，隨著缺陷深度的增大，剩余強(qiáng)度呈減小的趨勢;對于X100高鋼級油氣管道，隨著缺陷長度的增加，剩余強(qiáng)度呈減小的趨勢;DNV RP-F101標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測結(jié)果變化幅度小，集中性好，準(zhǔn)確性優(yōu)，最適合含腐蝕缺陷的X70、X80、X100高鋼級油氣管道的剩余強(qiáng)度評價。所得結(jié)論對于高鋼級油氣管道的腐蝕與防護(hù)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：高鋼級;油氣管道;剩余強(qiáng)度

中圖分類號：TQ 050.9 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1853-05

Abstract： Taking X70， X80 and X100 high grade oil and gas pipelines as research objects， residual strength was predicted by six residual strength evaluation methods， including ASME B31G standard， RSTRENG standard， DNV RP-F101 standard， PCORRC standard， LPC-1 standard and SHELL92 standard， and then predicted results were compared with blasting pressures， predicted residual strength of high grade oil and gas pipelines with different evaluation methods was analyzed. The results show that for X70 and X80 high grade oil and gas pipelines， predicted residual strength decreased with the increase of defect depth; for X100 high grade oil and gas pipelines， predicted residual strength decreased with the increase of defect length; DNV RP-F101 standard prediction results had small variation range， good centrality， excellent accuracy， so DNV RP-F101 standard is the most appropriate for residual strength evaluation of X70， X80 and X100 high grade oil and gas pipelines containing corrosion defects. The conclusions are of guiding significance for corrosion protection of high grade oil and gas pipelines.

Key words： High grade; Oil and gas pipelines; Residual strength

21世紀(jì)，石油天然氣已經(jīng)成為影響我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的重要資源。在中國，石油天然氣資源主要儲存于西北地區(qū)，東南沿海和中部區(qū)域作為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域，油氣資源卻相對匱乏，需要利用油氣管道進(jìn)行油氣資源運(yùn)輸[1]。油氣管道作為輸送原油和天然氣的主要方式，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其安全性和經(jīng)濟(jì)性也越來越受到重視[2]。出于安全和運(yùn)輸方面的考慮，油氣管道一般深埋在地下，工作環(huán)境惡劣，容易受到土壤腐蝕和電化學(xué)腐蝕等;而且，石油天然氣內(nèi)部含有少量的二氧化硫與氮類氧化物，遇水易形成酸類，所有這些因素都會使管道內(nèi)壁或外壁產(chǎn)生許多腐蝕缺陷，腐蝕缺陷會使管道壁厚減薄，局部應(yīng)力提高，力學(xué)性能下降，影響油氣管道的運(yùn)輸性能和承壓性能，更嚴(yán)重者，可能會造成管道泄漏，引起爆炸事故等，對人們的生命財(cái)產(chǎn)、環(huán)境安全造成重大損失，國家需要每年利用大量的資金進(jìn)行管道的維護(hù)和改換[3]。因此，對油氣管道腐蝕與防護(hù)的研究具有很重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

管線鋼由于其自身強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性優(yōu)等優(yōu)勢，在油氣管道運(yùn)輸當(dāng)中利用得越來越多[4]。因此，國內(nèi)外學(xué)者對管線鋼的腐蝕防護(hù)進(jìn)行了大量的研究工作，根據(jù)許用應(yīng)力法對油氣管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度預(yù)測，并頒布了一系列剩余強(qiáng)度評價方法，例如ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)、RSTRENG標(biāo)準(zhǔn)、DNV RP-F101標(biāo)準(zhǔn)、PCORRC標(biāo)準(zhǔn)、LPC-1標(biāo)準(zhǔn)、SHELL92標(biāo)準(zhǔn)等;而且，大多數(shù)研究是針對低鋼級和中鋼級進(jìn)行研究，對高鋼級油氣管道研究的還比較少[5-7]。因此，筆者以X70、X80、X100高鋼級油氣管道為研究對象，首先介紹了常用的剩余強(qiáng)度評價方法如ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)、RSTRENG標(biāo)準(zhǔn)、DNV RP-F101標(biāo)準(zhǔn)、PCORRC標(biāo)準(zhǔn)、LPC-1標(biāo)準(zhǔn)、SHELL92標(biāo)準(zhǔn)，其次，利用這六種剩余強(qiáng)度評價方法對X70、X80、X100高鋼級油氣管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度預(yù)測，并與爆破壓力比較，分析不同評價方法在高鋼級油氣管道中的保守性和準(zhǔn)確性，所得結(jié)論對于高鋼級油氣管道的腐蝕與防護(hù)有一定的指導(dǎo)意義。

ASME B31G評估方法一般針對腐蝕缺陷深度和腐蝕缺陷長度這兩個參數(shù)進(jìn)行評估，判斷管道是否發(fā)生強(qiáng)度失效或者斷裂，常用于服役時間比較長的低鋼級管道[8]。

1.2 ?RSTRENG標(biāo)準(zhǔn)

RSTRENG標(biāo)準(zhǔn)作為一種優(yōu)選技術(shù)，主要用來預(yù)測管道剩余強(qiáng)度，是在傳統(tǒng)的ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)上改進(jìn)的，將流變應(yīng)力定義為SMYS+68.9，腐蝕面積表示為0.85 dL。對剩余強(qiáng)度中腐蝕面積的計(jì)算更加精確，因此，相對ASME B31G，其更具經(jīng)濟(jì)性和安全性。RSTRENG標(biāo)準(zhǔn)不僅可以對單個腐蝕缺陷進(jìn)行剩余強(qiáng)度預(yù)測，也可對相互影響相互作用腐蝕群進(jìn)行剩余強(qiáng)度預(yù)測，通用性強(qiáng)，進(jìn)行剩余強(qiáng)度預(yù)測時，除了腐蝕缺陷深度和腐蝕缺陷長度這兩個參數(shù)外，還需要缺陷環(huán)向和缺陷軸向的相關(guān)數(shù)據(jù)，評價結(jié)果比ASME B31G保守性強(qiáng)。

1.3 ?LPC-1和SHELL92標(biāo)準(zhǔn)

同RSTRENG標(biāo)準(zhǔn)相似，LPC-1、SHELL92標(biāo)準(zhǔn)也是通過改善原來的ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)得到的腐蝕管道剩余強(qiáng)度評估方法LPC-1標(biāo)準(zhǔn)是直接采用最小抗拉強(qiáng)度SMTS得到的流變應(yīng)力，而SHELL92標(biāo)準(zhǔn)是采用0.9SMTS得到的流變應(yīng)力。LPC-1和SHELL92標(biāo)準(zhǔn)針對腐蝕缺陷深度和腐蝕缺陷長度這兩個參數(shù)進(jìn)行評估，可以完成不同縱向腐蝕長度的安全評價，因此，提高了材料的利用率。

1.5 ?PCORRC標(biāo)準(zhǔn)

PCORRC標(biāo)準(zhǔn)是基于對有限元方法所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合而得到的，該評價方法將缺陷深度和缺陷長度作為影響剩余強(qiáng)度計(jì)算的主要因素，而忽略缺陷寬度的影響。其剩余強(qiáng)度表達(dá)式為：

通過翻閱文獻(xiàn)，整理了X70、X80、X100三種高鋼級油氣管道的爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每種高鋼級管道選取4種不同的幾何尺寸，一共12例外腐蝕缺陷油氣管道（用序號1，2，3，…，12來表示），其管道幾何尺寸和爆破壓力資料如表2所示[9，10]。

將表2中高鋼級油氣管道幾何尺寸和爆破壓力數(shù)據(jù)代入ASME B31G、LPC-1、SHELL92、DNV RP-F101、PCORRC、RSTRENG這六種剩余強(qiáng)度評價方法，求解其預(yù)測剩余強(qiáng)度，并與爆破壓力對比，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

不同剩余強(qiáng)度評價方法對X70鋼剩余強(qiáng)度的影響如圖1所示，可以清晰的看出，各剩余強(qiáng)度評價結(jié)果基本都小于實(shí)驗(yàn)爆破壓力，計(jì)算結(jié)果偏小，SHELL92在缺陷深度為7.44 mm之前為最小值;從整體性出發(fā)，DNV RP-F101計(jì)算結(jié)果均小于實(shí)驗(yàn)爆破壓力，安全性最好;在缺陷深度大于7.44 mm后ASME B31G、RSTRENG、LPC-1、SHELL92、PCORRC這5種剩余強(qiáng)度方法預(yù)測結(jié)果都超過了爆破壓力，即出現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果偏大的情況;而且，在管道鋼級和缺陷長度不變的條件下，隨著缺陷深度d的不斷增大，剩余強(qiáng)度呈減小的趨勢，管道的安全性變得越來越差，其中計(jì)算結(jié)果變化最小的是DNV RP-F101方法，與之相比較，其他5種評估方法中，PCORRC方法變化幅度在腐蝕深度不斷變化當(dāng)中相對比較小，但從整體而言，DNV RP-F101方法較之PCORRC方法更加適合含腐蝕缺陷的X70高鋼級油氣管道的剩余強(qiáng)度評價。

為了更準(zhǔn)確的評價6種剩余強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)，引入?yún)?shù)壓力比A來考察評價標(biāo)準(zhǔn)對X70高鋼級管道剩余強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性：

A=實(shí)驗(yàn)爆破壓力/預(yù)測剩余強(qiáng)度

當(dāng)預(yù)測剩余強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)爆破壓力一樣時，A=1;當(dāng)預(yù)測剩余強(qiáng)度小于爆破壓力，即預(yù)測結(jié)果偏于保守時，A>1;當(dāng)預(yù)測剩余強(qiáng)度大于爆破壓力，即預(yù)測結(jié)果偏于冒進(jìn)時，A<1。

不同剩余強(qiáng)度評價方法對X70鋼剩余強(qiáng)度壓力比的影響如圖2所示。

可以清晰的看出，DNV RP-F101方法壓力比計(jì)算結(jié)果均大于1，在1.3附近變化，而且變化幅度最小，集中性最好，準(zhǔn)確性最優(yōu);PCORRC方法集中性次之，而且在缺陷深度為7.44 mm時，壓力比小于1，預(yù)測結(jié)果偏于冒進(jìn);在極限拉伸強(qiáng)度σb相同的條件下，LPC-1是從ASME B31G中修正得出，預(yù)測結(jié)果集中性最差，并且在缺陷深度為7.44 mm時出現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果冒進(jìn)的情況;SHELL92方法、RSTRENG方法集中性比LPC-1方法、ASME B31G方法好，但是在缺陷深度為7.44 mm時出現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果冒進(jìn)的情況，而且DNV RP-F101方法集中性更好。因此得出在X70高鋼級管道中DNV RP-F101方法計(jì)算的剩余強(qiáng)度準(zhǔn)確性最高，最能預(yù)測X70高鋼級管道的剩余強(qiáng)度。

2.2 ?不同評價方法對X80鋼剩余強(qiáng)度和壓力比的影響

不同剩余強(qiáng)度評價方法對X80鋼剩余強(qiáng)度的影響如圖3所示，可以清晰的看出，與X70鋼基本一致，各剩余強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果基本都小于實(shí)驗(yàn)爆破壓力，計(jì)算結(jié)果偏安全。DNV RP-F101方法計(jì)算結(jié)果均小于爆破壓力，安全性最好;在缺陷深度大于7.4 mm后，ASME B31G方法、RSTRENG方法、LPC-1方法、SHELL92方法、PCORRC方法預(yù)測結(jié)果都超過了爆破壓力，即出現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果冒進(jìn)的情況;而且，隨著缺陷深度d的不斷增大，計(jì)算剩余強(qiáng)度逐漸降低，管道的安全性變得越來越差，其中計(jì)算結(jié)果變化最小的是DNV RP-F101標(biāo)準(zhǔn)。因此DNV RP-F101方法最適合含腐蝕缺陷的X80高鋼級油氣管道的剩余強(qiáng)度評價。

不同剩余強(qiáng)度評價方法對X80鋼剩余強(qiáng)度壓力比的影響如圖4所示，可以清晰的看出，與X70鋼類似，DNV RP-F101方法數(shù)據(jù)集中性最好，而且壓力比均大于1，計(jì)算結(jié)果偏保守，安全性好，準(zhǔn)確度高;其他幾種方法在缺陷深度大于7.4 mm后，壓力比小于1，即預(yù)測剩余強(qiáng)度大于爆破壓力，預(yù)測結(jié)果偏于冒進(jìn)，安全性降低。因此得出在X80高鋼級管道中，DNV RP-F101方法計(jì)算的剩余強(qiáng)度準(zhǔn)確性最高，最能預(yù)測X80高鋼級管道的剩余強(qiáng)度。

2.3 ?不同評價方法對X100鋼剩余強(qiáng)度和壓力比的影響

不同剩余強(qiáng)度評價方法對X100鋼剩余強(qiáng)度的影響如圖5所示?？梢郧逦目闯觯魇Ｓ鄰?qiáng)度評價結(jié)果均大于實(shí)驗(yàn)爆破壓力，計(jì)算結(jié)果偏大，安全性降低;在缺陷深度不變的條件下，隨著缺陷長度的增加，剩余強(qiáng)度呈減小的趨勢，安全性越來越低;在這六種剩余強(qiáng)度評價方法中，DNV RP-F101方法的計(jì)算結(jié)果變化幅度最小，最穩(wěn)定，而且DNV RP-F101剩余強(qiáng)度冒進(jìn)量最小，更接近爆破壓力，安全性最好。因此，DNV RP-F101方法最適合含腐蝕缺陷的X100高鋼級油氣管道的剩余強(qiáng)度評價。

不同剩余強(qiáng)度評價方法對X100鋼剩余強(qiáng)度壓力比的影響如圖6所示，可以清晰的看出，六種剩余強(qiáng)度評價方法壓力比結(jié)果均小于1，即預(yù)測剩余強(qiáng)度大于爆破壓力，預(yù)測結(jié)果偏于冒進(jìn)，安全性降低。DNV RP-F101方法壓力比保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)集中性好，而且最接近1，剩余強(qiáng)度冒進(jìn)量最小，安全性最好，因此可以得出DNV RP-F101在滿足一定的條件下，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確性最高;PCORRC方法計(jì)算結(jié)果集中性好，但是冒進(jìn)量比較大，安全性降低;ASME B31G、RSTRENG、LPC-1、SHELL92這五種方法集中性差，而且冒進(jìn)量很大，均不適用于X100高鋼級油氣管道的失效評估研究。因此得出在X100高鋼級油氣管道中，DNV RP-F101方法計(jì)算的剩余強(qiáng)度準(zhǔn)確性最高，最能預(yù)測X100高鋼級油氣管道的剩余強(qiáng)度。

3 ?結(jié) 論

（1）對于X70和X80高鋼級油氣管道，六種剩余強(qiáng)度評價結(jié)果基本都小于實(shí)驗(yàn)爆破壓力，計(jì)算結(jié)果偏小;隨著缺陷深度d的不斷增大，剩余強(qiáng)度呈減小的趨勢，管道的安全性變得越來越差;DNV RP-F101方法壓力比計(jì)算結(jié)果均大于1，在1.3附近變化，而且變化幅度最小，集中性最好，準(zhǔn)確性最優(yōu)，最適合含腐蝕缺陷的X70和X80高鋼級油氣管道的剩余強(qiáng)度評價。

（2）對于X100高鋼級油氣管道，六種剩余強(qiáng)度評價結(jié)果均大于實(shí)驗(yàn)爆破壓力，即壓力比均小于1，計(jì)算結(jié)果偏大;隨著缺陷長度的增加，剩余強(qiáng)度呈減小的趨勢，安全性降低;DNV RP-F101方法的計(jì)算結(jié)果變化幅度最小，最穩(wěn)定，冒進(jìn)量最小，更接近爆破壓力，安全性最好，最適合含腐蝕缺陷的X100高鋼級油氣管道的剩余強(qiáng)度評價。

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