含腐蝕缺陷海底管道安全評(píng)價(jià)方法比較

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(1.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司， 天津 300452；2.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司， 天津 300452)

海底管道是海洋石油生產(chǎn)系統(tǒng)中輸送原油、天然氣和生產(chǎn)水等的重要設(shè)施。由于輸送的介質(zhì)中含有腐蝕性物質(zhì)，海底管道不可避免地會(huì)發(fā)生管內(nèi)腐蝕。此外，盡管海底管道都帶有外防腐層，但也曾出現(xiàn)過節(jié)點(diǎn)處密封不良導(dǎo)致海水滲透進(jìn)入防腐層下而引發(fā)的管外腐蝕。腐蝕會(huì)導(dǎo)致海底管道的壁厚減薄，甚至?xí)纬筛g坑、孔等局部缺陷。在管內(nèi)腐蝕不可避免和管外腐蝕較難查找及修復(fù)的實(shí)際情況下，海底管道難免會(huì)在含腐蝕缺陷的情況下運(yùn)行，這就需要對(duì)海底管道在腐蝕缺陷存在條件下是否可以繼續(xù)服役進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

安全評(píng)價(jià)又稱適用性評(píng)價(jià)(Fitness for Service)，是對(duì)含缺陷設(shè)備/結(jié)構(gòu)是否適合于繼續(xù)服役使用而進(jìn)行的定量工程評(píng)價(jià)[1]。安全評(píng)價(jià)是在對(duì)設(shè)備或結(jié)構(gòu)的缺陷定量檢測(cè)的基礎(chǔ)上，通過嚴(yán)格的理論分析與計(jì)算，確定缺陷是否危害設(shè)備或結(jié)構(gòu)的安全可靠性，并根據(jù)缺陷的動(dòng)力學(xué)發(fā)展規(guī)律，預(yù)測(cè)設(shè)備或結(jié)構(gòu)的安全服役壽命[1]。安全評(píng)價(jià)通常包括剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)2方面的內(nèi)容。剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的目標(biāo)是確定設(shè)備或結(jié)構(gòu)的最大允許工作壓力以及是否需要降壓運(yùn)行、維修或更換，剩余壽命預(yù)測(cè)的目標(biāo)是確定設(shè)備或結(jié)構(gòu)的剩余服役時(shí)間、檢測(cè)或維修間隔[2-4]。因此，對(duì)含腐蝕缺陷的海底管道進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，確定海底管道的剩余強(qiáng)度和剩余壽命，可以確保海底管道在安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，減少不必要的檢測(cè)、維修或更換費(fèi)用，顯著提高海底管道的運(yùn)行效益。

文中列出了含腐蝕缺陷海底管道安全評(píng)價(jià)常用的方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，研究比較了這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的異同點(diǎn)，給出了這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的適用條件，以期為含腐蝕缺陷海底管道安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的選取和使用提供指導(dǎo)和借鑒。

1 海底管道腐蝕缺陷安全評(píng)價(jià)常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行管道腐蝕缺陷安全評(píng)價(jià)時(shí)常用的方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范基本信息見表1[5-10]。在內(nèi)容上，表1中3個(gè)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)基本上是對(duì)3個(gè)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的等同采用或修改采用。

表1 管道腐蝕缺陷安全評(píng)價(jià)常用方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

2 海底管道腐蝕缺陷安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)

2.1 ASME B31G

ASME B31G—2012僅根據(jù)缺陷的深度和長(zhǎng)度評(píng)價(jià)含腐蝕缺陷管道在多大的運(yùn)行壓力下不會(huì)發(fā)生斷裂，無法對(duì)復(fù)雜形狀的腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到的只是偏保守的半經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，因此適用于管材等級(jí)較低、服役年限較長(zhǎng)的老舊管道的評(píng)價(jià)[11-12]。后續(xù)研究人員針對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的局限性進(jìn)行了一些修正，一定程度上彌補(bǔ)了其不足[5,13]。

ASME B31G—2012對(duì)腐蝕缺陷無均勻腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)蝕之分。ASME B31G—2012安全評(píng)價(jià)共分四級(jí)[5]，其中零級(jí)評(píng)價(jià)通過管道的外徑、名義壁厚和檢測(cè)的最大腐蝕缺陷深度查表確定允許的最大缺陷軸向長(zhǎng)度，并與實(shí)際檢測(cè)的缺陷軸向長(zhǎng)度進(jìn)行比較，特點(diǎn)是快速判定缺陷是否可以接受以及是否需要進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià)，屬于一種快速篩選評(píng)價(jià)。一級(jí)評(píng)價(jià)需使用較多的管道基礎(chǔ)資料，需通過計(jì)算評(píng)估管道在缺陷存在下的安全操作壓力，評(píng)估結(jié)果更準(zhǔn)確，屬于常規(guī)評(píng)價(jià)。二級(jí)評(píng)價(jià)又稱有效面積法或Rstreng法，是在一級(jí)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，采用更多的缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)管道失效應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，盡管計(jì)算過程復(fù)雜很多，但評(píng)估結(jié)果也更加準(zhǔn)確。三級(jí)評(píng)價(jià)是采用數(shù)值方法(如有限元方法)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)建模評(píng)價(jià)，建模和計(jì)算過程復(fù)雜。ASME B31G—2012方法最常采用的是一級(jí)評(píng)價(jià)方法。

SY/T 6151—2009是對(duì)ASME B31G—1991的修改采用(考慮了環(huán)向損傷的影響，并采用Rstreng屈服強(qiáng)度計(jì)算公式代替原版中的計(jì)算公式)，修正了ASME B31G—1991評(píng)價(jià)結(jié)果過于保守的缺點(diǎn)，結(jié)果也比較準(zhǔn)確[8，12]。

2.2 DNV RP F101

DNV RP F101—2015基于大量爆破試驗(yàn)獲得的管道爆破和管材性質(zhì)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫并利用三維非線性彈塑性有限元分析等方法，可進(jìn)行單個(gè)缺陷、相互作用缺陷和復(fù)雜形狀缺陷的評(píng)價(jià)，考慮了管道所受的軸向荷載和彎曲荷載，其評(píng)價(jià)結(jié)果保守程度低，適用于中高鋼級(jí)別管道(可達(dá)X80)的評(píng)價(jià)，特別適合高強(qiáng)度、大口徑海底管道的評(píng)價(jià)，但對(duì)于老管道應(yīng)慎重采用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[12,14]。

DNV RP F101—2015安全評(píng)價(jià)方法無均勻腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)蝕等類型之分，也無級(jí)別之分，它提供的是分項(xiàng)安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法2種評(píng)價(jià)方法[7，10]。分項(xiàng)安全系數(shù)法與DNV OS F101—2013《Submarine Pipeline Systems》[15]采用的安全原理一致，符合DNV OS F101—2013且是其補(bǔ)充，特別考慮了材料性質(zhì)和腐蝕缺陷尺寸測(cè)量的不確定性。許用應(yīng)力法是一種基于許用應(yīng)力設(shè)計(jì)(ASD)的方法，通過計(jì)算含腐蝕缺陷管道的失效壓力，再將其乘以一個(gè)基于初始設(shè)計(jì)系數(shù)的單一使用因數(shù)而得到管道的安全操作壓力，但將腐蝕缺陷尺寸測(cè)量的不確定性交由用戶判斷是否需要考慮[10]。DNV RP F101—2015的適用性評(píng)價(jià)方法比較復(fù)雜，通常采用的是分項(xiàng)安全系數(shù)法(因管道通常采用內(nèi)檢測(cè)器進(jìn)行剩余壁厚測(cè)量，考慮到儀器測(cè)量的不確定性，該方法更適用)。SY/T 10048—2003是對(duì)DNV RP F101—1999的等同采用[10-11]。

2.3 API 579

API 579-1/ASME FFS-1—2016是API RP 579—2000《Fitness for Service》[16]及其升級(jí)版API 579-1/ASME FFS-1—2007《Fitness-for-Service》[17]的最新修訂改進(jìn)版，通過與煉化和石化行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)API 510—2014《Pressure Vessel Inspection Code: In-service Inspection, Rating, Repair, and Alteration》[18]、API 570—2016《Piping Inspection Code: In-service Inspection, Rating, Repair, and Alteration of Piping System》[19]和API 653—2014《Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction》[20]的聯(lián)合應(yīng)用，拓寬了安全評(píng)價(jià)技術(shù)的研究范圍，是目前工程上比較先進(jìn)和準(zhǔn)確的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅考慮了由于內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力和溫度、泊松效應(yīng)引起的軸向應(yīng)力(徑向應(yīng)力可忽略不計(jì))，還考慮了重量荷載、溫差荷載等附加荷載對(duì)結(jié)構(gòu)安全可靠性的影響，可針對(duì)獨(dú)立缺陷、相互作用缺陷和復(fù)雜形狀缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]。

API 579-1/ASME FFS-1—2016將安全評(píng)價(jià)分為三級(jí)。一級(jí)評(píng)價(jià)也稱為篩選評(píng)價(jià)，使用的檢測(cè)數(shù)據(jù)較少，計(jì)算過程簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果偏保守。二級(jí)評(píng)價(jià)也稱為常規(guī)評(píng)價(jià)，使用的檢測(cè)數(shù)據(jù)較多，計(jì)算過程復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。三級(jí)評(píng)價(jià)與ASME B31G—2012的四級(jí)評(píng)價(jià)相同，也是采用數(shù)值方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)和缺陷建模來進(jìn)行評(píng)價(jià)，建模和計(jì)算過程復(fù)雜，一般需要借助專業(yè)的軟件(如有限元計(jì)算軟件)進(jìn)行[11,14]。因此，可根據(jù)缺陷的具體情況和獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量，有針對(duì)性地選擇相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)。特別是該方法中的危險(xiǎn)厚度截面(CTP)可以精確表征缺陷處剩余厚度的情況，能更精確地對(duì)管道缺陷進(jìn)行安全評(píng)價(jià)[12]。

API 579-1/ASME FFS-1—2016將腐蝕缺陷劃分為均勻腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)蝕3個(gè)類型，并給出了各類腐蝕缺陷的具體評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)結(jié)果針對(duì)性更強(qiáng)、更加準(zhǔn)確[6，21]。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6477—2014是對(duì)API 579-1/ASME FFS-1—2007《Fitness-for-Service》[17]的均勻腐蝕、局部腐蝕和裂紋型缺陷評(píng)價(jià)方法的修改采用。

2.4 腐蝕缺陷適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)比

為了方便對(duì)比，對(duì)常用腐蝕缺陷安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了匯總，見表2。

表2 腐蝕缺陷適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)比

3 案例海底管道及缺陷檢測(cè)概況

某在役海底管道內(nèi)徑為2 438.4 mm，忽略附加載荷，其設(shè)計(jì)條件和制造要求見表3[22]。

表3 待評(píng)價(jià)管道基礎(chǔ)信息資料

該管道內(nèi)表面存在一個(gè)局部減薄型腐蝕缺陷，要求評(píng)價(jià)該管道是否可以繼續(xù)服役運(yùn)行。對(duì)海管進(jìn)行腐蝕測(cè)量，其內(nèi)表面局部腐蝕缺陷的輪廓及剩余壁厚檢測(cè)網(wǎng)格設(shè)置見圖1。

圖1 海底管道內(nèi)腐蝕局部缺陷輪廓及剩余壁厚檢測(cè)網(wǎng)格設(shè)置示圖

缺陷處的剩余壁厚檢測(cè)結(jié)果見表4，其中軸向的厚度讀數(shù)間距為12.70 mm，環(huán)向的厚度讀數(shù)間距為25.40 mm，局部腐蝕缺陷區(qū)遠(yuǎn)離所有的焊縫，距離最近的主結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的長(zhǎng)度Lmad=1 524 mm。

表4 海底管道內(nèi)腐蝕局部缺陷處剩余壁厚檢測(cè)結(jié)果 mm

4 案例海底管道腐蝕缺陷安全評(píng)價(jià)

海底管道許用應(yīng)力僅為120.575 MPa，不適合按照DNV RP F101—2015進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。筆者按照ASME B31G—2012或API 579/ASME FFS-1—2016進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過程中所用變量符號(hào)的名稱與單位與標(biāo)準(zhǔn)中的符號(hào)說明相同。

4.1 依據(jù)ASME B31G—2012評(píng)價(jià)

4.1.1零級(jí)評(píng)價(jià)

先采用零級(jí)評(píng)價(jià)方法對(duì)該腐蝕缺陷進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。零級(jí)評(píng)價(jià)分3個(gè)步驟進(jìn)行：①確定該管道的名義外徑D和名義壁厚tnom。②確定腐蝕缺陷的最大腐蝕深度d和軸向尺寸L。③根據(jù)管道外徑D、名義壁厚tnom和缺陷最大深度d，查表確定允許的腐蝕缺陷最大軸向尺寸Lmax。若缺陷的軸向尺寸L≤Lmax，則該腐蝕缺陷可以接受，管道可以繼續(xù)服役運(yùn)行，否則應(yīng)進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià)。

已知tnom=31.75 mm，Di=2 438.4 mm，則D=Di+2tnom=2 438.4+2×31.75=2 501.9(mm)。根據(jù)表4，缺陷處最小剩余壁厚tmm=11.94 mm，則最大腐蝕深度d=tnom-tmm=31.75-11.94=19.81(mm)，缺陷的軸向尺寸L=12.70×8=101.6(mm)。根據(jù)該管道腐蝕缺陷數(shù)據(jù)，查文獻(xiàn)[5]中表Table 3-12M發(fā)現(xiàn)該管道外徑D超出表格范圍，無法查得Lmax。因此，應(yīng)進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià)。

4.1.2一級(jí)評(píng)價(jià)

一級(jí)評(píng)價(jià)分7個(gè)步驟進(jìn)行：①與零級(jí)評(píng)價(jià)第①步相同。②與零級(jí)評(píng)價(jià)第②步相同。③計(jì)算腐蝕缺陷尺寸參數(shù)z。④采用原始ASME B31G方法(也可采用改進(jìn)的ASME B31G方法)計(jì)算評(píng)估管道的失效應(yīng)力SF。⑤計(jì)算評(píng)估管道的失效壓力PF。⑥計(jì)算評(píng)估管道的安全操作壓力PS。⑦判斷管道是否可以繼續(xù)服役運(yùn)行。當(dāng)評(píng)估的結(jié)構(gòu)安全操作壓力PS大于等于設(shè)計(jì)壓力P時(shí)，該含缺陷結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)以設(shè)計(jì)壓力服役運(yùn)行。否則，該含缺陷結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)以設(shè)計(jì)壓力P服役運(yùn)行，應(yīng)降壓至評(píng)估的結(jié)構(gòu)安全操作壓力PS運(yùn)行。

評(píng)價(jià)計(jì)算過程如下：

經(jīng)計(jì)算得PS=3.25 MPa，由于PS>P，因此該海底管道可以繼續(xù)運(yùn)行，最大允許工作壓力為設(shè)計(jì)壓力。該缺陷滿足一級(jí)評(píng)價(jià)接受標(biāo)準(zhǔn)，因此不需要進(jìn)行二級(jí)評(píng)價(jià)。

4.2 依據(jù)API 579/ASME FFS-1—2016評(píng)價(jià)

4.2.1方法概述

4.2.2評(píng)價(jià)計(jì)算過程

(1)根據(jù)表4，C1～C9環(huán)向檢測(cè)面上的軸向CTP依次為29.21 mm、20.57 mm、19.05 mm、17.78 mm、15.75 mm、11.94 mm、16.51 mm、22.86 mm、29.21 mm，M1～M5軸向檢測(cè)面上的環(huán)向CTP依次為29.21 mm、17.78 mm、11.94 mm、20.57 mm、29.21 mm。

(2)已知tnom=31.75 mm，LOSS=2.54 mm，F(xiàn)CA=3.175 mm，則trd=tnom-LOSS=31.75-2.54=29.2(mm)，tc=trd-FCA=29.21-3.175=26.035(mm)。

(3)根據(jù)表4，缺陷處的最小測(cè)量壁厚值tmm=11.94 mm。缺陷的尺寸是軸向和環(huán)向CTP讀數(shù)大于等于trd的2個(gè)端點(diǎn)間的距離，因此缺陷的軸向長(zhǎng)度s=8×12.7=101.6(mm)，環(huán)向長(zhǎng)度c=4×25.4=101.6(mm)。

檢查是否存在相互影響缺陷。以研究的海底管道缺陷中心為中心，在2倍的軸向長(zhǎng)度和環(huán)向長(zhǎng)度形成的矩形范圍內(nèi)檢查是否有其他缺陷或者是否與其他缺陷交叉(圖2)。如在該范圍內(nèi)無其他缺陷且不與其他缺陷交叉，則不存在相互影響缺陷；如在該范圍內(nèi)有其他缺陷或與其他缺陷交叉，則存在相互影響缺陷，缺陷的軸向長(zhǎng)度和環(huán)向長(zhǎng)度要擴(kuò)展至將相互影響缺陷包括在內(nèi)。經(jīng)檢查，該管道的此處缺陷不存在相互影響缺陷，缺陷的軸向長(zhǎng)度和環(huán)向長(zhǎng)度無需擴(kuò)展。

圖2 相互影響缺陷判定示圖

(6)該缺陷為局部減薄型局部腐蝕缺陷，不需要檢查溝槽缺陷的接受標(biāo)準(zhǔn)。

(11)根據(jù)λc=0.517、Rt=0.336 6和TSF=1.110 6，查圓柱殼體結(jié)構(gòu)局部腐蝕缺陷的最大允許環(huán)向程度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)圖(圖3)，得Rt_min=0.2，Rt=0.336 6≥Rt_min=0.2，因此判定缺陷的環(huán)向程度可以接受。

圖3 圓柱殼體結(jié)構(gòu)局部腐蝕缺陷的最大允許環(huán)向程度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)圖

(12)根據(jù)λ=0.517和Rt=0.336 6，查圓柱殼體結(jié)構(gòu)的剩余厚度比驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)圖(圖4)。Rt位于圖4所示曲線的下方，所以需要判斷RSF與RSFa的大小關(guān)系。因?yàn)镽SF=0.900 4≥RSFa=0.9，所以缺陷的軸向程度可以接受，缺陷滿足一級(jí)評(píng)價(jià)接受標(biāo)準(zhǔn)，不需要進(jìn)行二級(jí)評(píng)價(jià)。

圖4 圓柱殼體結(jié)構(gòu)的剩余厚度比驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

(13)當(dāng)評(píng)估的最大允許工作壓力MAWP大于等于設(shè)計(jì)壓力P且缺陷的環(huán)向尺寸、環(huán)向程度和軸向程度均可以接受時(shí)，該含缺陷結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)以設(shè)計(jì)壓力服役運(yùn)行。否則，該含缺陷結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)以設(shè)計(jì)壓力P服役運(yùn)行，應(yīng)進(jìn)行二級(jí)評(píng)價(jià)或降壓至評(píng)估的結(jié)構(gòu)最大允許工作壓力MAWP運(yùn)行。

在本案例中，MAWP>P且缺陷的環(huán)向尺寸、環(huán)向程度和軸向程度均可以接受，該管道可以繼續(xù)服役運(yùn)行，最大允許工作壓力為設(shè)計(jì)壓力。事實(shí)上，本案例中評(píng)估得到的最大允許工作壓力MAWP大于設(shè)計(jì)壓力P，但仍需以設(shè)計(jì)壓力運(yùn)行。

5 結(jié)語

海底管道的腐蝕缺陷安全評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)各安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)、適用范圍，海底管道的基礎(chǔ)信息資料、材質(zhì)強(qiáng)度和缺陷數(shù)據(jù)，綜合選擇合適的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。ASME B31G—2012中的零級(jí)和一級(jí)評(píng)價(jià)方法需要的缺陷數(shù)據(jù)較少，評(píng)價(jià)過程和計(jì)算方法也較為簡(jiǎn)單。API 579—2016中評(píng)價(jià)方法需要的缺陷數(shù)據(jù)較多，評(píng)價(jià)過程和計(jì)算方法也較復(fù)雜，但評(píng)價(jià)過程中考慮到的因素多，評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)更為可靠。DNV RP F101—2015不適于材質(zhì)等級(jí)較低的老管道缺陷的安全評(píng)價(jià)。

在進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)熟悉安全評(píng)價(jià)所需的參數(shù)、數(shù)據(jù)及其相互聯(lián)系，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和步驟進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過軟件化可將評(píng)價(jià)方法固化，有利于提高工作效率和避免評(píng)價(jià)過程中的人為疏漏或計(jì)算錯(cuò)誤。對(duì)于基礎(chǔ)信息資料不完整的海底管道，進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)按照保守原則取值，以確保安全評(píng)價(jià)的進(jìn)行和評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，防止因參數(shù)取值不當(dāng)導(dǎo)致不保守或錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)結(jié)果，致使本來應(yīng)該維修、更換或降壓運(yùn)行的海底管道仍然按照正常設(shè)計(jì)運(yùn)行而發(fā)生事故。