含體積型缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法研究

王增國(guó) 剛 蓓 鄭 莉 劉思嬌

（1、中海石油（中國(guó)）有限公司，天津300000 2、北京華航無(wú)線電測(cè)量研究所，北京100010）

長(zhǎng)輸管道在石油與天然氣等介質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行當(dāng)中，會(huì)產(chǎn)生腐蝕、凹槽、裂紋、點(diǎn)蝕等多種缺陷，由此也引發(fā)各種管道泄漏等安全性問(wèn)題，在管道多種缺陷中，體積型缺陷在大面積上減薄了管道的壁厚，降低了管道的承壓能力，是導(dǎo)致管道漏油、漏氣、穿孔、爆破等嚴(yán)重事故的主要原因之一。

為避免此種問(wèn)題產(chǎn)生，目前現(xiàn)行的多種標(biāo)準(zhǔn)均針對(duì)體積型缺陷推出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，主要包括：（1）由美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)頒布的ASME B31G 方法、RSTRENG 評(píng)價(jià)方法；（2）由英國(guó)燃?xì)夤荆˙G）和挪威船級(jí)社（DNV）合作開發(fā)的DNV 標(biāo)準(zhǔn)；（3）美國(guó)石油協(xié)會(huì)提出的API RP 579-2000 標(biāo)準(zhǔn)。以上多種評(píng)價(jià)方法均被廣泛應(yīng)用，本文針對(duì)以上方法的評(píng)價(jià)原則、適應(yīng)性、評(píng)價(jià)參數(shù)選擇進(jìn)行對(duì)比性分析研究，判斷不同工況下的適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)。

1 ASME B31G 評(píng)價(jià)方法研究

ASME B31G 評(píng)估方法最初用于預(yù)測(cè)受腐蝕管道的爆裂壓力，通過(guò)較舊的管線鋼的全尺寸試驗(yàn)進(jìn)行發(fā)展和驗(yàn)證。主要應(yīng)用兩個(gè)缺陷參數(shù)（缺陷的長(zhǎng)度和深度）、針對(duì)孤立缺陷進(jìn)行，適用于評(píng)估管材等級(jí)較低、管道服役年限長(zhǎng)的老管道，評(píng)估結(jié)果偏保守。

1.1 Oringinal B31G 評(píng)價(jià)方法

含腐蝕型缺陷管道的失效壓力計(jì)算公式如下：

預(yù)測(cè)失效應(yīng)力：

式中，Sflow：材料流變應(yīng)力；A：缺陷剖面投影面積（針對(duì)較短缺陷將缺陷投影面積近似為拋物線形進(jìn)行計(jì)算；針對(duì)較長(zhǎng)缺陷將缺陷投影面積近似為矩形進(jìn)行計(jì)算）；A0=L·t：缺陷處管道壁面積；臌脹系數(shù)M=（1+0.8z）1/2；等效長(zhǎng)度z=L2/Dt；D：管道外徑；t：管道壁厚；L：缺陷軸向長(zhǎng)度。

1.2 Modified B31G 評(píng)價(jià)方法

基于Oringinal 評(píng)價(jià)方法，Modified B31G 方法有以下更改：將缺陷剖面投影面積設(shè)定為拋物線面積和矩形面積平均值A(chǔ)=0.85L·d；根據(jù)等效長(zhǎng)度大小更改臌脹系數(shù)值。

1.3 RSTRENG 評(píng)價(jià)方法

RSTRENG 評(píng)價(jià)方法在B31G 方法基礎(chǔ)上，采用了修正流動(dòng)應(yīng)力值，即SfLow=SMYS+68.95，膨脹系數(shù)M值同Modified B31G方法。

1.4 評(píng)價(jià)方法對(duì)比

圖1 所示不同評(píng)價(jià)方式下失效壓力受等效長(zhǎng)度、深度百分比變化影響圖，可以看出：

（1）失效壓力隨等效長(zhǎng)度增長(zhǎng)而減小，隨著深度百分比增加而減?。唬?）Oringinal B31G 評(píng)價(jià)方法存在跳點(diǎn)，后兩種方式通過(guò)優(yōu)化分段函數(shù)避免了此問(wèn)題；（3）在z＜20 條件下，保守性由高 到 低 為：Modified B31G＞Oringinal B31G＞RSTRENG；針 對(duì)z＞=20 條件下，保守性由高到低為：Oringinal B31G＞Modified B31G＞RSTRENG。

圖1 不同評(píng)價(jià)方式下失效壓力受等效長(zhǎng)度、深度百分比變化影響圖

2 DNV RP F101 評(píng)價(jià)方法研究

DNV RP F101 通過(guò)現(xiàn)代高韌性管線鋼試驗(yàn)進(jìn)行發(fā)展和驗(yàn)證，主要用于評(píng)估高韌性管線鋼，它提供了兩種評(píng)價(jià)方法：分項(xiàng)安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法。

2.1 分項(xiàng)安全系數(shù)法

該方法基于有限元結(jié)果、材料特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果等信息的不確定性等級(jí)聯(lián)合考慮、使用了概率修正方程分項(xiàng)安全系數(shù)來(lái)確定腐蝕管道的許用操作壓力，主要適用于海底管道評(píng)估，分析流程如下：

中：αU為材料強(qiáng)度系數(shù)；fu為管線拉伸強(qiáng)度；SMTS 為最小拉伸強(qiáng)度；Q 為臌脹系數(shù)；（d/t）meas為深度百分比；fu，temp為由溫度導(dǎo)致的拉伸強(qiáng)度折減。

2.2 許用應(yīng)力法

該方法依據(jù)許用應(yīng)力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算腐蝕缺陷的失效壓力，同分項(xiàng)安全系數(shù)法相比，該方法更適用于陸地管道評(píng)估，其失效壓力：

式中：臌脹系數(shù)Q 和管線拉伸強(qiáng)度f(wàn)u的計(jì)算公式同分項(xiàng)安全系數(shù)法相同。

2.3 評(píng)價(jià)方法對(duì)比

分項(xiàng)安全系數(shù)法應(yīng)用了概率論評(píng)價(jià)思路，同時(shí)考慮了檢測(cè)的不確定性以及管材的不確定性，在評(píng)估結(jié)果上更為可靠；許用應(yīng)力法計(jì)算方面更為簡(jiǎn)便，在評(píng)估參數(shù)較少的情況下更適宜采用。同傳統(tǒng)的ASME 采用屈服強(qiáng)度作為評(píng)估參數(shù)相比，DNV評(píng)價(jià)方法采用了拉伸強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)的參數(shù)之一，由于其數(shù)據(jù)庫(kù)新，更適合于高強(qiáng)度管道評(píng)價(jià)。

3 API579 評(píng)價(jià)方法研究

本方法由美國(guó)石油協(xié)會(huì)發(fā)布，本文將重點(diǎn)描述局部金屬損失的一級(jí)評(píng)估方法。其主要流程如下：

4 含體積型缺陷管道評(píng)價(jià)方法對(duì)比

針對(duì)某次在陸地管道上的實(shí)際內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用本文涉及的6 種評(píng)價(jià)方法進(jìn)行失效壓力計(jì)算，結(jié)果參見圖2 所示。從圖中可看出：

（1）ASME B31G 評(píng)價(jià)中Original B31G、Modified B31G 以及RSTRENG 評(píng)價(jià)結(jié)果在所有的評(píng)價(jià)方法中，總體評(píng)估結(jié)果偏保守；（2）DNV 分項(xiàng)安全系數(shù)法、許用應(yīng)力法以及API579 方法避免以上方法的保守性，總體評(píng)估結(jié)果相對(duì)更符合實(shí)際情況；（3）API579 方法失效壓力計(jì)算結(jié)果在4# 以及10# 樣例中發(fā)生突變，是由于這兩個(gè)信號(hào)的深度值較大，API579 方法對(duì)于缺陷深度的敏感度高于其它評(píng)價(jià)方法，其中10#缺陷從位于套筒下，已經(jīng)在本次檢測(cè)前完成了維修，而10#缺陷經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證為一處高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，業(yè)主也根據(jù)建議完成了維修實(shí)施，從而驗(yàn)證了API579 評(píng)價(jià)方法更適用于本次的工況特征。

圖2 實(shí)際缺陷管道六種評(píng)價(jià)方法失效壓力對(duì)比

5 結(jié)論

本文分別針對(duì)Original B31G、Modified B31G、RSTRENG、DNV 分項(xiàng)安全系數(shù)法、DNV 許用應(yīng)力法、API579 等評(píng)價(jià)方法的具體內(nèi)容進(jìn)行了闡述和對(duì)比分析，采用一組在管道檢測(cè)的實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行了6 種方法的評(píng)價(jià)及結(jié)果對(duì)比。

結(jié)果表明Original B31G、Modified B31G、RSTRENG 方法具備一定的保守性；DNV 分項(xiàng)安全系數(shù)法、DNV 許用應(yīng)力法以及API579 評(píng)價(jià)方法避免了B31G 的保守性，在評(píng)估結(jié)果上也更為接近實(shí)際結(jié)果；API579 方法對(duì)缺陷深度的敏感度方面高于其它方法，在實(shí)際的評(píng)估中具有重要的意義，故針對(duì)本次實(shí)際管道也基于API579 評(píng)價(jià)結(jié)果向客戶提出了相應(yīng)的維修建議并通過(guò)開挖驗(yàn)證確認(rèn)了其評(píng)估的準(zhǔn)確性。

在實(shí)際的應(yīng)用中還需要針對(duì)實(shí)際的工況進(jìn)行參數(shù)的選取和確定方可最有效評(píng)估各個(gè)缺陷的剩余強(qiáng)度，為管道的整體性評(píng)價(jià)提供良好的數(shù)據(jù)支撐。