海洋石油平臺(tái)在役壓力管道壁厚安全評(píng)估

鄒繼成

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海 200335）

0 引言

目前，中國(guó)海域海洋石油平臺(tái)壓力管道統(tǒng)一采用美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。在平臺(tái)生產(chǎn)服役期間，由于壓力管道內(nèi)流體的沖刷、內(nèi)腐蝕及外部環(huán)境等因素形成的外部腐蝕，造成了管道壁厚的減薄。為保證壓力管道安全使用，有效評(píng)估壓力管道剩余壁厚的安全性是非常有必要的。

1 海洋石油平臺(tái)壓力管道設(shè)計(jì)

1.1 壓力管道的壁厚計(jì)算

海洋石油平臺(tái)壓力管道壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算是根據(jù)美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)ANSI B31.3，按照公式計(jì)算得出：Tmin=PD/2（SE+PY）+CA，Tmin＜D/6。

其中：Tmin是最小需求壁厚（設(shè)計(jì)壁厚）；CA 是機(jī)械裕量的總和，包括機(jī)械、腐蝕和侵蝕裕量等；P 是管道內(nèi)部介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力，單位kg/sq.cm；D 是管道外徑，單位mm；S 是材料基本許用應(yīng)力；E 是質(zhì)量因素，其值參考ANSI B31.3；Y 是有效因子，按照ANSI B31.3。

為了和后面的壁厚表示一致，定義不帶腐蝕余量壁厚PD/2（SE+PY）為計(jì)算壁厚，帶腐蝕余量壁PD/2（SE+PY）+CA 為設(shè)計(jì)壁厚。

1.2 壓力管道的最小壁厚要求

計(jì)算出的壁厚Tmin和引用ANSI B36.10 的最厚或最薄壁厚值比較。允許計(jì)算值的公差為±1/16 英寸。如果計(jì)算出的壁厚，小于最小選型厚度，為保持管道的機(jī)械強(qiáng)度要求，最小選型厚度其值按照表1 選擇（碳鋼）。

表1 碳鋼管道不同尺寸最小壁厚要求

1.3 美標(biāo)管道壁厚的選擇

海洋石油平臺(tái)美標(biāo)鋼管壁厚系列是以管子表號(hào)表示（管子表號(hào)不是壁厚），該表示方式是按照美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ASMEB36.10 標(biāo)準(zhǔn)制定的，分以下級(jí)別：SCH10、SCH20、SCH30、SCH40、SCH60、SCH80、SCH100、SCH120、SCH140、SCH160。

對(duì)于奧氏體不銹鋼ASME B36.19 管子表號(hào)為：SCH-5S、SCH-10S、SCH-20S、SCH-30S、SCH-40S、SCH-80S。

表2 0.5～2 英寸美標(biāo)管道壁厚表示

1.4 壓力管道的設(shè)計(jì)選型

以2 英寸碳鋼管道、內(nèi)部介質(zhì)為石油、管道內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力為1480 kPaG 為例。

（1）查詢。P=1480 kPa，D=60.3 mm，S=137 900 kPa，E=1，Y=0.4，CA=3 mm，最小壁厚級(jí)別STD，最小壁厚值3.91 mm，公差12.5%。

（2）計(jì)算。根據(jù)公式Tmin=PD/2（SE+PY）+CA，得出Tmin=1 480×60.3/2（137 900×1+1 480×0.4）+3=3.32 mm。

（3）選擇。由于2 英寸碳鋼管道最小壁厚級(jí)別為STD，對(duì)應(yīng)壁厚為3.91 mm，若考慮公差12.5%，則對(duì)應(yīng)壁厚為3.42 mm 仍然大于3.32 mm。故，本管道選擇的是SCH40 的碳鋼管道，實(shí)際選型壁厚為3.91 mm。

（4）從上例可知，該2 英寸管道計(jì)算壁厚為0.32 mm，設(shè)計(jì)壁厚為3.32 mm，選擇壁厚為3.91 mm。

2 海洋石油平臺(tái)在役壓力管道安全評(píng)估

2.1 評(píng)估方法選擇

對(duì)于含腐蝕缺陷的管道，通常用剩余前度對(duì)管道的安全性進(jìn)行評(píng)估，目前國(guó)外圍繞腐蝕管道的破壞機(jī)理和極限承載力進(jìn)行了大量研究并頒布了一些標(biāo)準(zhǔn)和研究方法，包括API RP 14E、DNV—PR—F101 準(zhǔn) 則、API579 準(zhǔn) 則、SHELL92 及PCORRC 等方法，國(guó)內(nèi)也針對(duì)管道腐蝕安全性評(píng)估制定了一些評(píng)價(jià)規(guī)范，如《鋼制管道腐蝕損傷評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6151—2009）及《含缺陷油氣輸送管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6477—2000）等，但是這些規(guī)范主要還是依據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定。

海洋石油平臺(tái)壓力管道主要承受的是內(nèi)壓；外部軸向力/附加荷載的作用較少，可不做考慮；缺陷為孤立缺陷。通過以上標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析，采用API RP 14E 標(biāo)準(zhǔn)中許用應(yīng)力法對(duì)對(duì)壓力管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

2.2 評(píng)估方法介紹

從海洋石油平臺(tái)壓力管道設(shè)計(jì)可知，壓力管道在設(shè)計(jì)過程中考慮了腐蝕余量、機(jī)械公差等因素，在選型時(shí)又增加了選擇的余量。在評(píng)估時(shí)要充分考慮這些因素，方能做到既安全又經(jīng)濟(jì)。

（1）管道實(shí)際壁厚測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況，有針對(duì)性地對(duì)管道進(jìn)行壁厚測(cè)量，取得管道腐蝕最嚴(yán)重的點(diǎn)的壁厚值。

（2）管道壁厚計(jì)算。根據(jù)《Offshore Production Platform Piping Systems》（API RP 14E—2007）的推薦算法：當(dāng)計(jì)算壁厚小于管子外徑D0的1/6 時(shí)，ts=PiD0/2（SE+PiY）。其中，ts是計(jì)算壁厚，單位mm；D0是管道的外徑，單位mm；S 是設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，單位MPa；E 是焊縫系數(shù)；Pi是設(shè)計(jì)壓力，單位MPa；Y 是溫度系數(shù)。

（3）剩余壽命的估算。y=（t0-ts）/CR。其中，y 是剩余壽命，單位yr；t0是取設(shè)計(jì)壁厚和實(shí)測(cè)壁厚較小值，單位mm；CR 是設(shè)計(jì)腐蝕速率和計(jì)算腐蝕速率較大值，單位mm/yr。

（4）以2 英寸碳鋼管道舉例分析。內(nèi)部介質(zhì)為石油、管道內(nèi)介質(zhì)設(shè)計(jì)壓力為1480 kPaG 為例，該管道在使用了10年后，測(cè)量壁厚為3 mm，來評(píng)估該管道的安全可靠性：①實(shí)際測(cè)量壁厚3 mm，計(jì)算壁厚（和壓力相關(guān)）1 480×60.3/2（137 900×1+1 480×0.4）=0.32 mm，設(shè)計(jì)壁厚（和余量相關(guān)）3.32 mm，選擇壁厚（和標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)）3.91 mm；②腐蝕余量，該管線使用了10年，壁厚從3.91 mm 減薄為3 mm，算出該管道的腐蝕速率為0.091 mm/yr；③評(píng)估該管道可以繼續(xù)使用年限，（3-0.32）/0.091=29.45年。

3 結(jié)束語

壓力管道在設(shè)計(jì)選型時(shí)，腐蝕等各余量選用的是經(jīng)驗(yàn)值，且比較保守。經(jīng)過一定的運(yùn)行年限，可以推算出實(shí)際的腐蝕余量，作為重新計(jì)算評(píng)估的依據(jù)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ASMEB36.10 標(biāo)準(zhǔn)中，鋼管的等級(jí)跨度大，同尺寸只對(duì)應(yīng)4 種壁厚的鋼管（SCH40、SCH80、SCH160、XXS），選型時(shí)都選擇壁厚大的，導(dǎo)致實(shí)際管道的壁厚增加。通過以上分析可知，實(shí)際的計(jì)算壁厚是很小的，考慮到壓力管道的使用年限、腐蝕余量、機(jī)械加工安裝、鋼管的標(biāo)準(zhǔn)等要求，最終將管道的實(shí)際壁厚放大了很多。

在油田生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)期間，發(fā)現(xiàn)了壁厚減薄情況，只要沒有小于計(jì)算壁厚（和壓力相關(guān)）的壁厚，都沒有必要立即停產(chǎn)整改。充分準(zhǔn)備好物資和方案后，有計(jì)劃地實(shí)施更換，可以在保證安全的情況下，將經(jīng)濟(jì)效益最大化。