WHPB至SPM海管腐蝕現(xiàn)狀研究

陳海林 魏晨亮 朱洪東

（中海石油技術檢測有限公司，天津 300452）

0 引言

BZ25-1WHPB至SPM混輸管線全長2.5km，投產(chǎn)時間2004年8月，設計壽命20年，至今已投產(chǎn)14年[1]。根據(jù)檢測結果得知，部分管段腐蝕減薄嚴重，管道內(nèi)外壁共有732處減薄，其中有1處減薄40%～50%，有8處減薄30%～40%。評價該管線當前是否處于安全運行狀態(tài)，是亟待解決的問題。通過本文研究，可以分析該管線腐蝕最嚴重的區(qū)域的應力情況，并預測管線剩余壽命，同時研究結果可以為其他海底管線的腐蝕評估提供參考。

1 WHPB至SPM海管腐蝕概況

根據(jù)《BZ25-1BD海管內(nèi)檢測完工匯報》可以得到：BZ25-1 WHPB至SPM混輸管線全長2.5km，投產(chǎn)時間2004年8月，設計壽命20年，至今已投產(chǎn)14年，采用部分埋設，埋深1.5m，設計壓力2MPa。

管道為雙層保溫管，內(nèi)管直徑508mm，壁厚15.9mm，材質(zhì)為X65，SMYS為448MPa，腐蝕裕量3mm；外管直徑609.6mm，壁厚15.9mm，材質(zhì)為X56，SMYS為386MPa；保溫層為30mm聚氨酯泡沫，密度40～60kg/m3，總傳熱系數(shù)1.61W/（m2*℃）；輸送介質(zhì)為油氣水，海管工況如下：入口壓力0.6～0.7 MPa，出口壓力0.4～0.5MPa；入口溫度24℃，出口溫度23℃，海管日輸液量9000m3/d。

根據(jù)檢測結果得知，管道內(nèi)外壁共有732處減薄，其中有1處減薄40%～50%，有8處減薄30%～40%[2]。壁厚減薄大于30%的腐蝕缺陷如表1所示。

將表中各處缺陷繪制在圖1中。

由表1和圖1可知，內(nèi)管外部腐蝕分布于管道800～1500m處，壁厚減薄大于30%的腐蝕缺陷分布于腐蝕最深處（42%）兩邊，即腐蝕缺陷由腐蝕最深點向兩邊擴散，故推測腐蝕最深點（圖1中紅色區(qū)域）為海水泄漏點，即該處外管發(fā)生破損。

2 WHPB至SPM 海管腐蝕速率

由資料得知海管埋設形式為部分埋設，埋深1.5m，外管破損后內(nèi)管壁外側(cè)發(fā)生腐蝕。

圖1 壁厚減薄大于30%的腐蝕缺陷分布圖

表1 內(nèi)管外部壁厚減薄大于30%的腐蝕缺陷

（1）若認為管道施工時外管及保溫層即發(fā)生破損，由表1知最大腐蝕減薄量為6.7mm，管道運行至今10年，管道腐蝕速率為6.7/10=0.67mm/a；

（2）若管道在運行過程中發(fā)生破損，即腐蝕時間＞10年，則腐蝕速率＜0.67mm/a。

由于無管道后期此處發(fā)生破損和遭受第三方破壞數(shù)據(jù)記錄，故認為管道此處在施工時即發(fā)生破壞，所以此次評估腐蝕速率取0.67mm/a。要想獲得更準確的評估結果，需對此海水環(huán)境下該條管道的腐蝕速率進行相關方面的實驗研究，并進行再次內(nèi)檢測。

3 WHPB至SPM海管管道應力情況分析

對腐蝕最深點的研究是管線應力分析與安全評估的重要內(nèi)容，即在1358.415m處，腐蝕減薄42%（6.7mm）的腐蝕缺陷，分別采用API579中推薦的方法、ASME B31G中推薦的方法和ANSYS有限元模擬分析方法進行應力分析。

3.1 API 579的方法

均勻腐蝕缺陷的一級評價方法來自美國標準API 579，評價步驟如下：

（1）計算最小要求壁厚：

式中：p為管道設計壓力，MPa；

D為管道直徑，mm；

β為2倍泊松比，取0.6。

將管道資料數(shù)據(jù)代入式至式中，得到最小要求壁厚tmin=1.575mm；

（2）最小測量壁厚tmm=15.9×(1-0.42)=9.2mm；

（3）剩余厚度比

式中：FCA為未來腐蝕裕量，mm。

計算得到Rt=0.754。

最大軸向允許腐蝕缺陷長度由式[3]計算求得：

式中：RSFa為許用剩余強度因子，一般取0.9[4]。

（4）由檢測得到，壁厚軸向損失長度為57mm，＞L，這說明當前的壁厚損失在可接受的范圍內(nèi)，即該管線均勻腐蝕缺陷通過一級評價。根據(jù)一級評價理論可計算求得管道允許最大安全運行壓力MAWPr：

將數(shù)據(jù)代入式至式中，得到MAWPr=16.88MPa。該管線的最大運行壓力為0.7MPa，＞MAWPr。因此，管道處于安全狀態(tài)。

3.2 ASME B31G方法

X65管線鋼的屈服極限sσ =448MPa；

根據(jù)缺陷的幾何尺寸，得到：

管道失效壓力公式：

該管線的最大運行壓力為0.7MPa，＞pf。因此，管道處于安全狀態(tài)。

3.3 ANSYS有限元模擬分析

根據(jù)DNV OS F101相關規(guī)定，將管道已知資料，可通過計算得到管道的設計抗力為

利用ANSYS有限元分析軟件建立均勻腐蝕缺陷的模型，確定管線應力狀態(tài)。采用solid185單元模擬管道。網(wǎng)格劃分時，對高應力區(qū)域及腐蝕區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。采用規(guī)則的細網(wǎng)格，其他區(qū)域采用粗網(wǎng)格。管壁截面設置為對稱邊界條件。

計算條件如下：管道內(nèi)徑508mm，壁厚15.9mm，泊松比0.3，彈性模量2.07×1011，均勻腐蝕缺陷長57mm，寬368mm，腐蝕深度6.7mm。通過ANSYS模擬計算的結果如圖2所示。

圖2 壁厚減薄42%時管道應力分析

由圖2可以得到，0.7MPa時管道壁厚減薄42%時，腐蝕缺陷受力最大為Ld=20MPa，計算得到的設計抗力Rd=341.72MPa，Ld＜Rd。根據(jù)DNV OS F101，當管道的設計荷載效應（Ld）≥設計抗力（Rd）時，則安全標準認為被滿足，說明管道符合安全標準。

4 WHPB至SPM海管剩余壽命計算

4.1 以失效概率計算管道剩余壽命

利用DNV模型分析管道的可靠度。腐蝕失效概率由下式計算得到：

Δt為壁厚損失，其值為CR（T-T0），CR為腐蝕速率，mm；

t0為管道原始壁厚，mm；

d為管道直徑，mm；

P為操作壓力，MPa；

β為可靠性指數(shù)；

為失效概率。

根據(jù)DNV OS F101[5]，管道可接受的概率與安全等級劃分結果如表2所示，安全等級的定義如表3所示。

將管道資料代入式至式中，計算得到：在0.7MPa的工作壓力下，壁厚減薄42%時的管道失效

當管道安全等級降為“一般”或“低”時，可靠性指數(shù)小于3.7190，此時將可靠性指數(shù)值代入式至式中，反算出此時的壁厚減薄量為9.67mm，當管道以0.67mm/a的速率發(fā)生腐蝕時，管道剩余壽命為T=4.43年≈4年。

4.2 以壁厚損失極限計算管道剩余壽命

根據(jù)SY/T 0087.1-2006，當管道腐蝕達到80%時，管道失效。通過該標準可計算該管道得剩余壽命：

5 結論

（1）由檢測得到的該管線壁厚軸向損失長度為57mm，小于最大軸向允許腐蝕缺陷長度（L=155.87mm），即該管線均勻腐蝕缺陷通過一級評價；

（2）利用 ASME B31G方法求得該段管道失效壓力pf=30.56MPa。該管線的最大運行壓力為0.7MPa，小于pf，管道處于安全狀態(tài)；

表2 管道可接受的概率與安全等級

表3 安全等級的定義

（3）通過 ANSYS 分析得出管道壁厚減薄42%時，海底管道的設計荷載效應（Ld=20MPa）小于設計抗力（Rd=341.72MPa），該海底管道符合安全標準；

（4）在0.7MPa的工作壓力下，壁厚減薄42%時，利用 DNV 模型計算得到其失效概率

（5）將“失效概率”和“壁厚損失極限”兩種方法計算出的管道剩余壽命取較小值，即4年，建議3年后進行第二次內(nèi)檢測確定管道的實際腐蝕速率與缺陷尺寸，并進行評價；

（6）兩種計算方法中均未考慮加速腐蝕的情況，且認為管道在施工時即發(fā)生破損，即最深腐蝕處的腐蝕時間為10年。若管道是在運行時才發(fā)生破損，此時管道的腐蝕時間小于10年，腐蝕速率將＜0.67mm/a，剩余壽命將更低；此外，若管道發(fā)生加速腐蝕，管道剩余壽命也會相應降低。