天然氣管道剩余強度評價準(zhǔn)則與適用性

涂亞明， 趙玉落， 張曉菁， 柴 進

(1.武漢市燃氣熱力規(guī)劃設(shè)計院有限公司， 湖北 武漢 430019；2.中國石油管道局工程有限公司， 河北 廊坊 065000)

1 概述

天然氣管道不僅需要承擔(dān)由于腐蝕、老化等常見管道危害因素所帶來的管道失效風(fēng)險，還會受到土壤凍脹、融沉、滑坡時對管道施加外力的影響，對天然氣管道進行相關(guān)的力學(xué)分析從而對缺陷腐蝕管道進行剩余強度評價十分重要。國外發(fā)達國家的多年實踐證明，管道完整性管理的應(yīng)用能夠有效提高管道運輸效率、延長管道壽命以及降低企業(yè)成本。管道完整性管理這一概念引入國內(nèi)后，受到了相關(guān)行業(yè)的普遍認可。

天然氣管道剩余強度評價是管道完整性管理中的重要一步，同時也是天然氣管道管理中后期，對投入使用多年管道進行剩余壽命預(yù)測以及風(fēng)險評價的基礎(chǔ)。為了在保證管道安全性以及經(jīng)濟性的前提下對其進行后期的科學(xué)管理維護，實施管道剩余強度評價環(huán)節(jié)具有重大現(xiàn)實意義。通過力學(xué)分析對腐蝕缺陷管道進行剩余強度評價，能確定天然氣管道在指定工況下能否正常運行，同時可以確定當(dāng)前腐蝕缺陷下的剩余強度和最大允許工作壓力等[1]。因此，在特定條件下，選用合適的天然氣管道力學(xué)分析準(zhǔn)則具有重要意義。

2 剩余強度評價準(zhǔn)則的發(fā)展

NG-18評價準(zhǔn)則是眾多天然氣管道評價準(zhǔn)則的研究基礎(chǔ)，NG-18評價準(zhǔn)則通過大量實驗及理論研究得到，并由美國天然氣協(xié)會(AGA)首先提出。在NG-18基礎(chǔ)上，1984年美國機械工程師協(xié)會(ASME)進而提出了ASME B31G(腐蝕管道剩余強度簡明評價準(zhǔn)則)，用以評價天然氣管道剩余強度。1991年，ASME B31G修訂，將管道缺陷面積進行改進以提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，是使用最為廣泛的評價準(zhǔn)則之一。目前ASME B31G對不同等級缺陷評價的計算準(zhǔn)則進行了區(qū)分并給出了多種流變應(yīng)力的取值，進一步完善了天然氣管道剩余強度評價準(zhǔn)則[2]。國際上其他國家的學(xué)者專家也進行了大量管道失效行為和失效評估的相關(guān)研究，在這些理論研究和實驗驗證的基礎(chǔ)上，開發(fā)出許多評價管道可靠性能的準(zhǔn)則，國內(nèi)外管道剩余強度評價準(zhǔn)則和方法見表1。

3 國際上主要的管道剩余強度評價準(zhǔn)則

① NG-18評價準(zhǔn)則

美國天然氣協(xié)會(AGA)對含缺陷腐蝕管道的剩余強度進行了大量試驗和理論研究后，提出了NG-18評價準(zhǔn)則。

NG-18評價準(zhǔn)則腐蝕缺陷見圖1。

圖中δ——壁厚，mm

A——腐蝕缺陷的軸向投影面積，mm2

表1 國內(nèi)外管道剩余強度評價準(zhǔn)則和方法

圖1 NG-18評價準(zhǔn)則腐蝕缺陷

r——腐蝕深度(測量含腐蝕缺陷部位深度得到)，mm

L——腐蝕缺陷長度(測量含腐蝕缺陷部位長度得到)，mm

NG-18評價準(zhǔn)則是包括ASME B31G、Modified ASME B31G、RSTRENG、DNV RP-F101在內(nèi)的許多評價準(zhǔn)則的基礎(chǔ)，其計算準(zhǔn)則如下[3]：

(1)

(2)

A0=δL

式中σ——剩余強度，MPa

σflow——流變應(yīng)力，MPa

D——管內(nèi)直徑，mm

A0——腐蝕缺陷面積，mm2

M——Folias膨脹系數(shù)

短缺陷滿足的條件為：

長缺陷滿足的條件為：

② ASME B31G評價準(zhǔn)則

ASME B31G評價準(zhǔn)則有兩種(ASME B31G-1991和ASME B31G-2009)。美國機械工程師協(xié)會(ASME)以NG-18的成果為基礎(chǔ)，提出了ASME B31G-1991。其與NG-18的主要差別有兩點：

a.將管道缺陷面積進行改進，以提高計算結(jié)果準(zhǔn)確性；b.給出了膨脹系數(shù)新的計算準(zhǔn)則。

流變應(yīng)力的計算準(zhǔn)則保持不變。根據(jù)缺陷尺寸計算判定值，按下式計算：

(3)

(4)

(5)

該標(biāo)準(zhǔn)是以下列假設(shè)為條件[4]：

a.假設(shè)管材最大圓周應(yīng)力等于管材的屈服強度；

b.管道內(nèi)流變應(yīng)力σflow數(shù)值上為1.1σy，其中σy為材料規(guī)定的最低屈服強度。

圖2 ASME B31G評價準(zhǔn)則中的腐蝕缺陷

然而多年的實踐經(jīng)驗表明，在NG-18準(zhǔn)則基礎(chǔ)上改進的ASME B31G-1991準(zhǔn)則仍然比較保守，企業(yè)在管道維護維修的投入仍然存在一定的浪費情況。因此，ASME在ASME B31G-1991的基礎(chǔ)上重新修訂，于2009年頒布了ASME B31G-2009。改進之處有以下4點：

a.對不同等級缺陷評價的計算準(zhǔn)則進行了區(qū)分；b.腐蝕缺陷面積予以修改；c.給出了多種流變應(yīng)力的取值；d.將判別值由20修正為50。

計算式如下：

(6)

(7)

(8)

3種流變應(yīng)力分別為：

σflow=1.1σy

σflow=σy+69

式中σy——材料規(guī)定的最低屈服強度，MPa

σu——材料規(guī)定的最小抗拉強度，MPa

計算時，使用3種流變應(yīng)力中的最大值作為流變應(yīng)力。

兩種ASME B31G評價準(zhǔn)則主要用于低鋼級油氣管道的評價，包括帶有軸向裂紋缺陷及含有腐蝕體積缺陷管道，但評價結(jié)果均比較保守。使用這兩種準(zhǔn)則評價高鋼級油氣管道時，計算結(jié)果并不可靠。

另外ASME B31G-2009評價準(zhǔn)則對于多處不同的腐蝕缺陷都有著相對應(yīng)的評價準(zhǔn)則，解決了ASME B31G-1991評價準(zhǔn)則在面對相同條件和情況時，只會獨立處理單一管道損傷相隔很遠的腐蝕缺陷這一問題。

③ PCORRC準(zhǔn)則

斯蒂芬斯等人對腐蝕缺陷進行數(shù)值模擬，得到了PCORRC準(zhǔn)則(管道腐蝕評價準(zhǔn)則)。該準(zhǔn)則與其他準(zhǔn)則的區(qū)別在于，抗拉強度決定了管道是否失效。該準(zhǔn)則可用于由塑性失穩(wěn)導(dǎo)致失效的含鈍口腐蝕缺陷油氣管道的剩余強度評價，其中流變應(yīng)力等于材料最小抗拉強度，計算式如下[5]：

(9)

(10)

PCORRC是2000年開發(fā)的一種腐蝕管道剩余強度評價準(zhǔn)則，主要用于高鋼級管線鋼含鈍口腐蝕缺陷的管道剩余強度評價，在提高評價保守性方面表現(xiàn)出一定的適用性和優(yōu)越性。

④ DNV RP-F101準(zhǔn)則

DNV RP-F101準(zhǔn)則于1999年出版，是挪威船級社(DET NORSKE VERITAS)和英國燃氣公司(BG)合作推出的天然氣管道剩余強度評價標(biāo)準(zhǔn)[6]，在2015年頒布了最新版本，主要采用許用應(yīng)力法評估管道的剩余強度，流變應(yīng)力計算準(zhǔn)則與PCORRC準(zhǔn)則相同。計算準(zhǔn)則如下：

(11)

(12)

DNV RP-F101管道剩余強度評價準(zhǔn)則是基于X65-X80鋼的實驗和模擬數(shù)據(jù)研究開發(fā)的，因此評價中高強度的鋼管時該準(zhǔn)則的準(zhǔn)確度比較高。

以上提到的部分油氣管道剩余強度評價準(zhǔn)則認為管道的失效與流變應(yīng)力密切相關(guān)，因此失效壓力由管線鋼的力學(xué)參數(shù)表達。以上的標(biāo)準(zhǔn)或準(zhǔn)則除PCORRC準(zhǔn)則是基于有限元計算結(jié)果外[7]，其余都是在NG-18缺陷公式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，因此在失效壓力表達形式上十分相近，其區(qū)別主要反映在流變應(yīng)力、膨脹系數(shù)和腐蝕缺陷的軸向投影面積的不同表達方式上。

4 結(jié)語

NG-18準(zhǔn)則與ASME B31G準(zhǔn)則適用于評價低鋼級管道，PCORRC準(zhǔn)則與DNV RP-F101準(zhǔn)則更適用于高鋼級管道，而對于超高鋼級管道建議采用有限元模擬結(jié)合試驗進行管道力學(xué)性能評價。