管線腐蝕的切向投影等效面積因子描述方法

(濱州學院 化工與安全學院，濱州 256600)

油氣管道是油氣生產(chǎn)、加工與輸運的命脈。根據(jù)2016年北美管線失效原因統(tǒng)計可知[1]，截致2016年,北美管道事故原因前三位分別為：腐蝕和應力腐蝕(占42%)，第三方損害(占23%)以及自然荷載(占19%)。2015年中國陸上油氣管道總里程超過12萬km，每年因腐蝕導致的管線維修、更換、報廢造成的經(jīng)濟浪費和損失巨大。

國內(nèi)腐蝕管線剩余強度評價方法多以美國機械工程師協(xié)會(ASEM)推出的ASME B31G系列標準[2-3]為依據(jù)。中國科學院金屬研究所國家金屬腐蝕控制工程技術研究中心韓恩厚提出了腐蝕裂紋當量法，首次把斷裂力學引入到腐蝕管線剩余強度的計算中，編寫了我國第一部管道腐蝕損傷評價石油行業(yè)推薦標準即《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評價方法》SY/T 6151-2009[4]。表1列出了國內(nèi)外應用較廣泛的腐蝕管道剩余強度評價規(guī)范。其中ASME B31G-1984、ASME B31G-1991和我國的SY/T 6151-2009標準涉及到了腐蝕切向投影等效面積因子(以下簡稱等效面積因子)的計算，1991年美國機械工程師協(xié)會專門修改了ASME B31G-1984標準中等效面積因子，形成了ASME B31G-1991標準，可見其對管線剩余強度計算方法的影響之大。SY/T 6151-2009標準中還涉及到材料裂紋張開位移(COD)臨界值的試驗測試，由于試驗難度較大，故不適合現(xiàn)場工程應用，其他兩種標準均默認為腐蝕切向投影為矩形，且形狀對失效壓力計算方法的影響不大，因此本工作重點分析了ASME B31G-1991、ASME B31G-2009、ASME B31G-2012中涉及的等效面積因子對管道剩余強度的影響。

表1 五種常用評價規(guī)范中失效壓力計算方法Tab. 1 Calculating methods for failure pressure in five common standards

表1中：σs為管材的屈服強度，MPa；σb為管材的抗拉強度，MPa；a為腐蝕深度，mm；pf為管道的失效壓力，MPa；t為管壁厚度，mm；L為腐蝕長度，mm；D為管道外直徑，mm；M為Folias系數(shù)；σflow為管材的流變應力，MPa；R1為管道內(nèi)半徑，mm；R2為管道外半徑，mm；Q為長度校正系數(shù)；E為彈性模量。在實際工況條件下,管線腐蝕缺陷的軸向投影往往是不規(guī)則的，如圖1所示。目前,廣泛采用的管線內(nèi)腐蝕檢測方法是漏磁技術，該方法在常規(guī)情況下只能檢測出腐蝕的長度、深度以及寬度，無法給出腐蝕的具體形貌，因此，需要采用合適的方法描述腐蝕形貌。本工作針對延長油氣田已有的上百處腐蝕缺陷，應用統(tǒng)計分析方法盡可能準確地描述這些腐蝕形貌。

圖1 管線腐蝕缺陷形貌Fig. 1 Morphology of corrosion defects on pipeline

1 實際面積因子的影響

研究采用ANSYS軟件分析具有不同實際腐蝕切向投影面積因子(簡稱實際面積因子)腐蝕管道的失效壓力，關于數(shù)值模擬過程中網(wǎng)格無關性驗證以及ANSYS非線性有限元分析方法的準確性和適應性已在文獻[7-8]中做了充分證明，在此不再贅述。研究以X65管線鋼為對象，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 X65管線鋼性能參數(shù)Tab. 2 X65 pipeline steel performance parameters

假設X65管線鋼的應力-應變關系符合文獻[9-12]所描述的冪硬化應力-應變法則，具有不同實際面積因子的腐蝕管道模型如圖2所示，在采用的ANSYS非線性有限元分析模型中實際面積因子互不相同。

計算分析了46組具有不同腐蝕深度、腐蝕長度、實際面積因子的管道失效壓力。將已知的實際面積因子代替等效面積因子帶入ASME B31G-1991和ASME B31G-2009標準的計算方法中，得到新的計算方法ASME B31G-1991-2和ASME B31G-2009-2，具體計算結(jié)果如表3所示。

將表3中采用ASME B31G-1991、ASME B31G-2009、ASME B31G-1991-2和ASME B31G-2009-2方法計算的管道失效壓力值與采用ANSYS非線性有限元法的預測值進行對比，得到殘差平方和，如表3所示?？梢钥闯觯瑧脤嶋H面積因子(ASME B31G-1991-2和ASME B31G-2009-2)計算的殘差平方和小于應用等效面積因子(ASME B31G-1991和ASME B31G-2009)計算的殘差平方和，尤其是采用ASME B31G-2009-2方法計算的殘差平方和明顯小于采用ASME B31G-2009方法計算的，表明實際面積因子對ASME B31G-1991和ASME B31G-2009計算結(jié)果的適應性有重大影響。

(a) 單層腐蝕 (b) 環(huán)向雙層腐蝕

(c) 軸向雙層腐蝕 (d) 軸向三層腐蝕 (e) 軸向四層腐蝕 圖2 具有不同實際面積因子腐蝕的有限元模型Fig. 2 Different equivalent realistic area factor finite element models for corrosion: (a)single layer corrosion; (b)ring double layer corrosion; (c) axial double layer corrosion; (d)three layers of axial corrosion; (e) four layers of axial corrosion

表3 管道失效壓力的非線性有限元預測值與不同標準方法計算值Tab. 3 Pipeline failure pressure values predicted by nonlinear finite element method and calculated according to different standard methods

表3(續(xù))

4種標準方法計算得到的誤差分析如圖3所示?？梢钥闯?，相比ASME B31G-1991和ASME B31G-2009，應用了實際面積因子的ASME B31G-1991-2和ASME B31G-2009-2方法的計算結(jié)果具有如下改觀：(1) 誤差分布平穩(wěn)，采用ASME B31G-1991-2的46例計算結(jié)果中，計算誤差分布在-1.5%～20%的范圍內(nèi)，大部分誤差分布在10%左右，而采用ASME B31G方法的計算誤差分布在-12%～20%范圍內(nèi)，且分布范圍具有較大的跳躍性，結(jié)果不穩(wěn)定；ASME B31G-2009-2與ASME B31G-2009標準方法具有同樣的特點，而且ASME B31G-2009標準方法的計算結(jié)果跳躍性更大，穩(wěn)定性較ASME B31G-1991方法的差；(2) 采用ASME B31G-1991方法計算的結(jié)果中,有超過12例出現(xiàn)了危險預測，即預測值大于實際失效壓力，而采用ASME B31G-1991-2方法計算的僅有2例出現(xiàn)了危險預測，采用ASME B31G-2009-2方法計算的出現(xiàn)7例危險預測，但危險預測維持在5%的范圍內(nèi)。

2 新等效面積因子的影響

綜合上文所述，依據(jù)有限的腐蝕缺陷信息，如腐蝕長度、腐蝕寬度、腐蝕深度等，準確描述實際面積因子，對提高ASME B31G系列評價方法的準確性、穩(wěn)定性、安全性具有重要意義。因此以延長油田吳起采油廠油井采出液管線、注水管線以及外輸油管線為研究對象，應用3D測試方法描述腐蝕形貌，計算腐蝕切向最大投影面積，得到實際面積因子，分析了近百處腐蝕，分析結(jié)果如表4所示，并提出新等效面積因子確定方法，用以描述實際面積因子。表4中腐蝕案例的管材信息如表5所示。

對表4中的74例腐蝕進行分析，發(fā)現(xiàn)管線腐蝕形貌與管線直徑、壁厚關系不大，但與管線運行工況、輸送介質(zhì)、管材等條件有關，這涉及到管線的腐蝕機理，在此不作具體分析。管線腐蝕切向投影特點主要分成如圖4所示的四類。

圖3 應用實際面積因子的不同ASME B31G公式的誤差分析Fig. 3 Error analysis of different ASME B31G formulas with real area factor

表4 腐蝕切向投影面積因子分析Tab. 4 Analysis of tangential projection area factors of corrosion

表4(續(xù))

表5 表4中腐蝕案例的管線參數(shù)Tab. 5 Parameters of pipeline in corrosion cases inTable 4

第一類腐蝕切向投影形貌：局部腐蝕，腐蝕深度較淺，一般小于1.5 mm，腐蝕外圍輪廓呈圓形或者橢圓形，直徑一般小于15 mm，此類占大部分，表中并未全部統(tǒng)計，本文案例約有7例，如圖4(a)所示，這類實際面積因子取值在0.60～0.75。

第二類腐蝕切向投影形貌：局部腐蝕，腐蝕深度較深，一般大于1.5 mm，腐蝕外圍輪廓呈圓形或者橢圓形，直徑一般小于15 mm，甚至10 mm，這類較第一類少很多。這類是油氣集輸管線失效的主要原因，是本研究的重點，共列舉了約28例。這類是在第一類局部腐蝕的基礎上發(fā)展起來的，第一類局部腐蝕內(nèi)部環(huán)境與腐蝕介質(zhì)之間的物質(zhì)交換較管內(nèi)其他位置緩慢，長時間累積就會誘發(fā)閉塞電池自催化效應[13]，發(fā)生氧濃差電化學腐蝕，局部腐蝕內(nèi)部形成如圖4(b)所示的水滴形局部腐蝕，這類實際面積因子取值在0.75～0.85。

第三類腐蝕切向投影形貌：均勻腐蝕，腐蝕深度較淺，一般不會超過1.5 mm，具有一定的腐蝕寬度，腐蝕長度超過20 mm，腐蝕長度/寬度一般大于2，腐蝕外圍輪廓一般呈矩形。這類腐蝕較多，案例約有22例，ASME B31G-1984以及修正版的B31G的評價對象主要針對這類腐蝕，如圖4(c)所示，因這類均勻腐蝕底部平整，均勻腐蝕區(qū)域內(nèi)不存在局部腐蝕，實際面積因子取值接近最大腐蝕深度與腐蝕長度形成的矩形面積，在0.85～0.95。

第四類腐蝕切向投影形貌：均勻腐蝕與局部腐蝕的結(jié)合類型，如圖4(d)所示，其與第三類腐蝕的區(qū)別主要是在均勻腐蝕區(qū)域存在局部腐蝕，均勻腐蝕區(qū)域深度與第三類類似，一般不超過1.5 mm，而均勻腐蝕區(qū)域的局部腐蝕深度較深，整體一般超過2 mm(包括均勻腐蝕區(qū)域的深度)，針對這類腐蝕，漏磁檢測給出的腐蝕長度、寬度為均勻腐蝕的長度、寬度，而腐蝕深度為局部腐蝕深度，因此這類實際面積因子通常都小于0.5，取值范圍一般在0.2～0.5，因均勻腐蝕區(qū)域腐蝕深度一般小于1.5 mm，大部分小于1.2 mm，因此，第四種腐蝕切向投影面積因子的取值與區(qū)域內(nèi)局部腐蝕的深度直接相關，深度越大，實際面積因子則越小。

上述分析知道，可依據(jù)如下方法判斷腐蝕類型，并依據(jù)腐蝕類型確定等效面積因子的取值范圍。

第一類腐蝕的確認方法：先分析腐蝕深度，如果深度小于1.5 mm，則腐蝕屬于第一、三類的可能性較大；再分析腐蝕長度，如果長度小于20 mm，則腐蝕屬于第一類的可能性更大；最后再看腐蝕長度與腐蝕寬度比，如果比值小于2，則認為屬于第一類。

第二類腐蝕的確認方法：先分析腐蝕深度，如果深度大于1.5 mm，則腐蝕屬于第二、四類的可能性較大；再分析腐蝕長度，如果長度小于20 mm，則腐蝕屬于第二類的可能性更大；最后再看腐蝕長度與腐蝕寬度比，如果比值小于2，則認為屬于第二類腐蝕。

第三類腐蝕的確認方法：先分析腐蝕深度，如果深度小于1.5 mm，則腐蝕屬于第一、第三類的可能性較大；再分析腐蝕長度，如果長度大于20 mm，則腐蝕屬于第三類的可能性更大；最后再看腐蝕長度與腐蝕寬度比，如果比值大于2，則認為屬于第三類腐蝕。

第四類腐蝕的確認方法：先分析腐蝕深度，如果深度大于1.5 mm，則腐蝕屬于第二、第四類的可能性較大；再分析腐蝕長度，如果長度大于20 mm，則腐蝕屬于第四類的可能性更大；最后再看腐蝕長度與腐蝕寬度比，如果比值大于2，則認為屬于第四類腐蝕。

通過明確腐蝕類別的方法可以大致確定新等效面積因子s′的取值范圍，但腐蝕形貌特征參數(shù)，如腐蝕深度1.5 mm、腐蝕長度20 mm等的選擇會導致四類腐蝕之間存在較大的交集，因此，為了更準確地描述新等效面積因子的取值，需要可靠性更高的腐蝕形貌特點。

(a) 第一種 (b) 第二種 (c) 第三種 (d) 第四種 圖4 四種典型的腐蝕缺陷切向投影形貌Fig. 4 Four types of typical corrosion tangential projection topography: (a) type one; (b) type two; (c) type three; (d) type four

圖5表示腐蝕深度對新等效面積因子的影響。從圖5可以看出，當腐蝕深度大于臨界值3.5 mm后，新等效面積因子的取值只有2個范圍區(qū)間，即第二、第四類腐蝕新等效面積因子的取值區(qū)間;當腐蝕深度范圍在1.5～3.5 mm時，新等效面積因子的取值區(qū)間為0.35～0.95，其范圍非常寬泛，不易確定。

圖5 腐蝕深度對新等效面積因子的影響Fig. 5 Effect of corrosion depth on the new equivalent area factor

圖6表示腐蝕長度對新等效面積因子的影響。從圖6可以看出，當腐蝕長度大于臨界值40 mm后，新等效面積因子的取值只有2個范圍區(qū)間，即第三、第四類腐蝕新等效面積因子的取值區(qū)間;當腐蝕長度范圍在20～40 mm時，新等效面積因子的取值區(qū)間為0.5～0.95，其范圍非常寬泛，不易確定。

圖6 腐蝕長度對新等效面積因子的影響Fig. 6 Effect of corrosion length on the new equivalent area factor

3 實例分析

用新等效面積因子代替等效面積因子帶入ASME B31G-1991、ASME B31G-2009方法中，得到新計算方法ASME B31G-1991-3、ASME B31G-2009-3。選取文獻[14-19]中X42、X46、X52三種不同鋼級12例含軸向腐蝕管道的爆破失效壓力，分析ASME B31G-1991-3、ASME B31G-2009-3計算結(jié)果的適應性，結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，ASME B31G-1991-3計算得到的失效壓力與爆破試驗值之間的殘差平方和是用ASME B31G-1991方法計算的1/2，ASME B31G-2009-3計算得到的失效壓力與爆破試驗值之間的殘差平方和是ASME B31G-2009計算的2/7。這表明新描述方法得到的新等效面積因子的取值優(yōu)于ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法的選值。

4種方法計算得到的誤差分析如圖7所示?？梢钥闯?，相比ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法，應用了新等效面積因子的ASME B31G-1991-3和ASME B31G-2009-3方法與圖3所示的誤差分析類似，都具有誤差分布平穩(wěn)的特點，ASME B31G-1991-3的計算誤差分布在20%以內(nèi)，平均約為10%，而ASME B31G-1991的計算誤差分布在50%以內(nèi)，且分布范圍具有較大的跳躍性，結(jié)果不穩(wěn)定；ASME B31G-2009-3方法得到的誤差分析具有同樣的特點。

4 結(jié)論

(1) 面積因子對ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法的計算結(jié)果具有重要影響，應用了實際面積因子的ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法計算結(jié)果與非線性有限元預測結(jié)果的殘差平方和小，誤差分布平穩(wěn)，大部分計算結(jié)果分布在10%左右；危險預測出現(xiàn)頻率低，且危險預測一般維持在5%的范圍內(nèi)。

表6 管道失效壓力的試驗值與不同標準方法的計算值Tab. 6 Test values and calculated values according to different standard methods for pipeline failure pressure

圖7 應用新等效面積因子的不同ASME B31G公式的誤差分析Fig. 7 Error analysis of different ASME B31G formulas with the new equivalent area factor

(2) 針對腐蝕深度、長度以及寬度特點，提出了四種腐蝕形貌類型及其劃分方法，描述了四種腐蝕類型的深度、長度、腐蝕形態(tài)特點，并依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果提出了各類面積因子的取值范圍及計算方法。

(3) 為了更精確地描述等效面積因子的取值，給出了結(jié)合腐蝕深度臨界值3.5 mm、腐蝕長度臨界值40 mm以及四種腐蝕形貌類型特點三個方面的信息優(yōu)化等效面積因子的取值方法。

(4) 應用新等效面積因子的ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法的計算結(jié)果與已有的爆破試驗數(shù)據(jù)對比，殘差平方和以及誤差分布的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于應用固定等效面積因子。