點蝕管道剩余強(qiáng)度評價的協(xié)同評估綜合影響因子

HOANGVanThanh2田大慶

(1. 四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,成都 610065; 2. 越南海事大學(xué),海防 180000)

金屬油氣管道被稱作“國家重要生命線”，在國民經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略地位中占位極重[1]。隨著管道服役時間的延長，在附加載荷與腐蝕性介質(zhì)的復(fù)合作用下，管道的內(nèi)外壁均有發(fā)生腐蝕失效的可能[2]。在各種腐蝕缺陷中影響最大的是點狀腐蝕缺陷，它是多種腐蝕缺陷發(fā)展的最原始形態(tài)。為保障油氣能源的安全輸送，有必要對含有點蝕缺陷的油氣輸送管道進(jìn)行安全評價。

基于“剩余強(qiáng)度評價”的相關(guān)準(zhǔn)則是目前最具實際效應(yīng)和工程實用價值的管道安全評估方法，其中最具參考性的是美國頒布的API 579-1/ASME-FFS-1-2007評價準(zhǔn)則和ASME B31G系列評價準(zhǔn)則，其次是1999年由英國燃?xì)夤竞团餐壣缏?lián)合頒布的DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則[3]。由于這些評價準(zhǔn)則的適用性區(qū)分不大，在應(yīng)用對象上具有重疊性，即針對一種工程設(shè)備或部件同一點蝕缺陷現(xiàn)場，允許采用不同評價準(zhǔn)則進(jìn)行評價，并得出保守性的結(jié)論。且由于在評價過程中缺乏明確的取舍依據(jù)，工程人員在實際操作中往往結(jié)合其他非技術(shù)性因素憑主觀經(jīng)驗確定評價結(jié)果。本工作針對三種評價準(zhǔn)則中鼓脹因子與流變應(yīng)力對剩余強(qiáng)度評價的影響，分析三種準(zhǔn)則保守性的大小，提出一個基于管道實際工況的協(xié)同評估綜合影響因子，為管道安全評估提供可靠的數(shù)據(jù)支持，對評估人員選擇正確的評估方法提供輔助。

1 影響剩余強(qiáng)度評價的參數(shù)

分析發(fā)現(xiàn)，無論是ASME B31G-1991及其后期改進(jìn)的ASME B31G-2009評價準(zhǔn)則(即Rstreng評價方法)，還是由英國燃?xì)夤竞团餐壣绻餐C布的DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則，這幾種評價準(zhǔn)則中用于剩余強(qiáng)度計算的基礎(chǔ)公式都如式(1)和式(2)所示，即美國煤氣協(xié)會(AGA)于20世紀(jì)70年代針對含有體積型腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度評估提出的基于斷裂力學(xué)的NG-18評價準(zhǔn)則表面缺陷公式[4]。這些評價準(zhǔn)則只是在流變應(yīng)力，F(xiàn)olias鼓脹系數(shù)和腐蝕投影面積上進(jìn)行了改進(jìn)[5]。

(1)

(2)

式中：SF為失效應(yīng)力，MPa；Sflow為流變應(yīng)力，是和材料最小屈服強(qiáng)度有關(guān)的特性，MPa；A為缺陷投影面積，mm2；A0為缺陷的管道壁面積，mm2；t為公稱壁厚，mm；D為管道外徑，mm；M為Folias鼓脹系數(shù)；L為腐蝕缺陷長度。

ASME B31G-1991(ASME B31G-2009)和DNV-RP-F101中，評價準(zhǔn)則的影響參數(shù)如表1所示。此外，API 579-1/ASME-FFS-1-2007與ASME B31G系列評價準(zhǔn)則為同一評價體系，其評價準(zhǔn)則的影響參數(shù)也列于表1中。表中，d為最大腐蝕缺陷深度,σSMYS為外界條件下規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度，σSMYS為外界條件下規(guī)定的極限拉伸強(qiáng)度。

1.1 流變應(yīng)力

材料受單向應(yīng)力作用過程中，由于存在加工硬化，材料的塑性流變應(yīng)力隨形變量增大相應(yīng)增大，在形變過程中某一時刻塑性流變所需的應(yīng)力就是流變應(yīng)力[6]。

表1 不同評價準(zhǔn)則中影響參數(shù)的計算公式Tab. 1 Formula of affecting parameters in different evaluation criteria

根據(jù)美國石油協(xié)會發(fā)布的API-5L管線鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以查詢到不同牌號管線鋼的屈服強(qiáng)度與極限抗拉強(qiáng)度，將這些參數(shù)分別帶入三種評價準(zhǔn)則可計算出對應(yīng)的流變應(yīng)力，將這些管線鋼的流變應(yīng)力與屈服強(qiáng)度作圖，如圖1所示。

圖1 不同評價準(zhǔn)則計算的流變應(yīng)力對比Fig. 1 Comparison of flow stress calculated by different evaluation criteria

由圖1可以看出，對于上述管線鋼，利用ASME B31G-1991評價準(zhǔn)則計算的流變應(yīng)力最小，利用DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則計算的流變應(yīng)力最大，并且隨著管線鋼鋼級的提升(鋼級越高，管線鋼的屈服強(qiáng)度越高)，用三種評價準(zhǔn)則計算的流變應(yīng)力的差距逐漸減小。結(jié)果表明，在管線鋼鋼級較低即屈服強(qiáng)度較低時，流變應(yīng)力對點蝕缺陷剩余強(qiáng)度評價影響較大；在管線鋼鋼級較高即屈服強(qiáng)度較高時，流變應(yīng)力對點蝕剩余強(qiáng)度評價影響較小。

1.2 鼓脹系數(shù)

表2 不同評價準(zhǔn)則中各當(dāng)量長度對應(yīng)的鼓脹系數(shù)Tab. 2 Expansion coefficient versus equivalent length in different evaluation criteria

由表2可以得出，根據(jù)API 579-1/ASME-FFS-1-2007評價準(zhǔn)則與ASME B31G-1991評價準(zhǔn)則計算的鼓脹系數(shù)最大，且其值幾乎重合，根據(jù)ASME B31G-2009評價準(zhǔn)則計算的鼓脹系數(shù)次之，而根據(jù)DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則計算的鼓脹系數(shù)最小。另外，隨著當(dāng)量長度的增大，各評價準(zhǔn)則計算的鼓脹系數(shù)的差距也在增大。由此可見：當(dāng)量長度較小時，即缺陷表現(xiàn)為短缺陷時，鼓脹系數(shù)對點蝕剩余強(qiáng)度評價的影響不大；當(dāng)量長度較大時，即缺陷表現(xiàn)為長缺陷時，鼓脹系數(shù)對點蝕剩余強(qiáng)度評價的影響增大。

由于點蝕缺陷多表現(xiàn)為短缺陷，鼓脹系數(shù)對其影響不大，但從流變應(yīng)力對剩余強(qiáng)度評價影響的角度考慮，認(rèn)為：ASME B31G系列評價準(zhǔn)則最為保守，DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則最為冒險，API 579-1/ASME-FFS-1-2007評價準(zhǔn)則介于兩者之間。

2 協(xié)同評估綜合影響因子

由上文的研究分析可以看出，三種評價準(zhǔn)則在評價方式、適用范圍及保守性上都有所區(qū)別。在適用范圍上，ASME B31G系列評價準(zhǔn)則不適用于高強(qiáng)度等級鋼與大口徑鋼，也無法評估在含有附加載荷或軸向應(yīng)力下的點蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度；DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則不適用于缺陷深度大于管道壁厚85%的缺陷和鋼級超過 X80的管道。在保守性上，ASME B31G系列評價準(zhǔn)則最高，API 579-1/ASME-FFS-1-2007評價準(zhǔn)則次之，DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則最低。同時，對三種評價準(zhǔn)則進(jìn)行選取時，由于技術(shù)指標(biāo)重疊性和區(qū)分度低，對于很大一部分缺陷，無法給出合理依據(jù)來確定選取哪一種評價準(zhǔn)則作為管道剩余強(qiáng)度評價的方法。

基于以上問題，在實際環(huán)境中選取點蝕管道剩余強(qiáng)度評價準(zhǔn)則時，往往難以用一個指標(biāo)來判斷，而需要用多個目標(biāo)來進(jìn)行比較判斷。解決這類問題可使用多目標(biāo)規(guī)劃方法。多目標(biāo)規(guī)劃是數(shù)學(xué)規(guī)劃的一個分支，研究多個目標(biāo)函數(shù)在給定區(qū)域上的最優(yōu)化。這是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策與分析方法，對于目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要的數(shù)據(jù)的情況最為實用。點蝕管道所處環(huán)境可以抽象為一個多目標(biāo)規(guī)劃模型，針對該種模型選取線性加權(quán)和法進(jìn)行分析較為合理。按照各目標(biāo)對評估影響的重要性賦予相應(yīng)的權(quán)系數(shù)，然后對其線性組合進(jìn)行尋優(yōu)求解，其基本模型為：

(3)

(4)

式中：Wi為第i個因素的權(quán)重；Wij為第i個因素中第j個因子的權(quán)重；Pij為第i個因素中第j個因子的標(biāo)準(zhǔn)化值；K為綜合指數(shù)。

以對管道的重要性作為考慮依據(jù)，基于三種評價準(zhǔn)則各自保守性的不同，協(xié)調(diào)影響管道評估結(jié)論的多種因素，提出一個協(xié)同評估綜合影響因子K。K值越大，對管道評估重要性越高，則應(yīng)選擇保守性相對較高的評價準(zhǔn)則；反之，K值越小，對管道評估影響的重要性越低，則應(yīng)選擇保守性相對較低的評價準(zhǔn)則，以求生產(chǎn)效益的最大化。

根據(jù)管道在實際工況中會遇到的影響因素，將協(xié)同評估影響因子細(xì)分為生產(chǎn)流程重要系數(shù)K1、介質(zhì)危險系數(shù)K2、經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)K3和設(shè)備維護(hù)系數(shù)K4。生產(chǎn)流程重要系數(shù)K1表示管道在生產(chǎn)流程中所處的是關(guān)鍵位置或是輔助位置；介質(zhì)危險系數(shù)K2表示管道運(yùn)輸介質(zhì)為易燃易爆介質(zhì)、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)、高溫介質(zhì)或是一般介質(zhì)；經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)K3表示設(shè)備成本造價高昂或者設(shè)備成本造價低廉；設(shè)備維護(hù)系數(shù)K4表現(xiàn)設(shè)備維護(hù)檢修困難或是簡單。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，對每一個影響因素進(jìn)行權(quán)重賦值，最后將四種影響系數(shù)求和得到協(xié)同評估影響因子K，表示該管道重要性，對評價準(zhǔn)則的選擇提供參考。協(xié)同評估綜合影響因子權(quán)重如圖2所示，括號內(nèi)為該因素權(quán)重賦值。

圖2 協(xié)同評估綜合影響因子權(quán)重圖Fig. 2 Weight map of synthetical impact factors for synergy assessing

規(guī)定當(dāng)0≤K<0.5時，選用保守性較低的DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則；當(dāng)0.5≤K<0.8時，選用保守性適中的API 579-1/ASME-FFS-1-2007評價準(zhǔn)則；當(dāng)0.8≤K<1時，選用保守性較高的ASME B31G系列評價準(zhǔn)則。以一段無附加載荷的X60管線鋼為例進(jìn)行計算，該X60管線鋼位于石化加氫裝置輔助位置，易發(fā)生氫腐蝕爆炸，成本低廉,但維護(hù)檢修較為困難，查取各影響因子權(quán)重，按式(5)計算得協(xié)同評估綜合影響因子K為0.65。由于0.5≤K<0.8，所以選用保守性適中的API 579-1/ASME-FFS-1-2007評價準(zhǔn)則進(jìn)行評價。

K=K1+K2+K3+K4=0.3×0.3+

0.4×1+0.2×0.3+0.1×1

(5)

3 結(jié)論

(1) 通過研究流變應(yīng)力和鼓脹系數(shù)參數(shù)對點蝕管道剩余強(qiáng)度評價影響，比較了API 579-1/ASME-FFS-1-2007、ASME B31G系列以及DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則的保守性。ASME B31G系列評價準(zhǔn)則保守性最高，DNV-RP-F101評價準(zhǔn)則保守性最低，API-579評價準(zhǔn)則保守性介于兩者之間。

(2) 當(dāng)在技術(shù)指標(biāo)上無法合理選取評價準(zhǔn)則進(jìn)行評估時，建立多目標(biāo)規(guī)劃模型，利用線性加權(quán)和法提出一個協(xié)同評估綜合影響因子K以表示管道評估多種因素的重要性影響。該因子由生產(chǎn)流程重要系數(shù)、介質(zhì)危險系數(shù)、經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)及設(shè)備維護(hù)系數(shù)組成，對各影響因素進(jìn)行權(quán)重賦值以表示管道在實際工況中的重要性，基于評價準(zhǔn)則保守性對評價人員選取具體評估準(zhǔn)則提出參考。