煤氣管道剩余強度評價模型特性對比分析*

王戰(zhàn)輝，張智芳，陳錦中，閆君芝，武衛(wèi)軍

(1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2．陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000；3．陜西有色天宏瑞科硅材料有限責任公司，陜西 榆林 719000)

中國在世界上是最早使用管道運輸?shù)膰?，原本利用公路、水路、鐵路及航空為主要運輸工具，如今管道作為第五大運輸模式出現(xiàn)在人們的眼前，承擔起越來越重的責任，具有愈加保險、環(huán)保、節(jié)能和無污染等優(yōu)良特點，越來越受到世界各國的青睞[1]。煤氣管道運輸是石油化工行業(yè)中十分重要的一部分，隨著中國綜合國力不斷進步，已經(jīng)逐步成為世界第二大經(jīng)濟體以及世界第二大能源消耗國，因此開始大力進行管道建設，全面加快中國能源戰(zhàn)略通道和骨干管網(wǎng)的鋪設[2]。由于運輸管道的工作環(huán)境是在土壤中或是直接暴露在大氣中，土壤及大氣中含有大量的水分，當這些水分浸入管道時，因水分中含有電子，水中的電子會造成管道中的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，進而使管道的金屬元素發(fā)生氧化還原反應，且土壤中的酸堿度不同，土壤中的氧化菌類與還原菌類在不同的酸堿度中與管道發(fā)生氧化還原反應，這些因素都會引起管道的腐蝕，因此，腐蝕被認為是管道失效的主要原因。正是由于腐蝕的存在，隨著管道使用年份的增加，其力學性能尤其是承壓性能會逐年下降。當管道發(fā)生腐蝕時，其焊縫本身存在的裂紋以及由于腐蝕而產(chǎn)生的裂紋就會擴大從而引起管道的泄漏，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并修補這些裂紋，就會引起嚴重的事故，對國家財產(chǎn)以及人民生命安全造成重大損失[3]。因此，對煤氣管道腐蝕現(xiàn)象的研究具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益。

腐蝕對煤氣管道的正常運行造成了極大的安全隱患，如果能在管道失效前通過計算提前預知管道的剩余強度，那么就可以有效避免一些因管道腐蝕而發(fā)生的安全事故，國內(nèi)外學者對于如何評價腐蝕管道的剩余強度做了大量的研究[4-6]。但是主要應用于油氣管道，而對煤氣管道研究的很少，而且，常用的剩余強度評價模型的適用性、準確性、保守性均不相同，因此對不同的煤氣管道剩余強度評價模型特性進行對比分析是十分必要的[7]。作者首先對常用的剩余強度評價模型如ASME B31G(1984)、ASME B31G(1991)、DNV-RP-F101、PCORRC、BS7910、API 579-1、SHELL92、LPC-1進行了簡單的介紹，其次，將以上8種剩余強度評價模型應用于不同的低、中、高鋼級管道，通過引入壓力比和誤差分析不同評價模型的保守性和準確性，從而選擇出相應的最佳評價模型。所得結(jié)論對于煤氣管道的正常運行具有一定的指導意義。

1 不同腐蝕管道剩余強度評價模型介紹

1.1 ASME B31G評價模型

ASME B31G評估模型一般用于評價管材等級較低、服役年限長的管道，屬于半經(jīng)驗公式，偏保守，其剩余強度計算公式如下。

ASME B31G(1984)：

式中：L為腐蝕缺陷軸向長度，mm；R為管道外徑，mm；c為管道壁厚，mm；F為管道剩余強度，MPa；σs為材料屈服強度，MPa；h為腐蝕缺陷深度，mm；M為膨脹系數(shù)。

ASME B31G(1991)：

式中：σf為流變應力，MPa。

1.2 DNV-RP-F101評價模型

DNV-RP-F101評價模型由英國燃氣公司(BG)和挪威船級社(DNV)于1999年合作開發(fā)，其計算公式如下。

式中：Q為長度校正系數(shù)；σf是材料的流變應力，其值取材料的屈服強度,MPa。

1.3 PCORRC評價模型

PCORRC評價模型由美國Battle實驗室開發(fā)完成，主要用于含腐蝕缺陷中高強度等級管道由于塑形失穩(wěn)導致失效的評估，PCORRC評價模型剩余強度計算公式如下。

式中：σf取材料的屈服強度，MPa；Rt為內(nèi)外徑的平均值。

1.4 BS7910評價模型

BS7910模型由英國標準委員會于1999年發(fā)布，并在計算公式中采用抗拉強度代替流變應力。其計算公式如下。

1.5 API 579-1評價模型

在API 579-1 評價模型中沒有使用流變應力，而是使用了材料本身的屈服強度。API 579-1的剩余強度計算公式如下。

Mt=1.001-0.014 195λ+0.290 90λ2-0.096 420λ3+0.020 89λ4-0.003 054λ5+2.957×10-4λ6-1.846 2×10-5λ7+7.155 3×10-7λ8-1.563 1×10-8λ9+1.465 6×10-10λ10

其中當β的計算值大于20時，取20。

1.6 SHELL 92及LPC-1評價模型

SHELL92評價模型是由 RITCHIE D和LAST S在1995年第10屆干線管道研究聯(lián)合技術會議上提出。LPC-1評價模型與SHELL92類似，都是在ASME B31G方法上改進而來的，SHELL92評價模型流變應力選用材料最小拉伸強度的0.9倍，LPC-1評價模型則直接選用材料最小拉伸強度。剩余強度計算公式如下。

SHELL92：

式中：δb為材料拉伸強度，MPa。

LPC-1：

2 8種評價方法的計算結(jié)果及適用性分析

將以上8種剩余強度評價模型應用于不同的低、中、高鋼級管道，通過引入壓力比和誤差分析不同評價模型的保守性和準確性，從而選擇出相應的最佳評價模型。

2.1 8種評價方法的計算結(jié)果

收集整理了X42、X46、X52、X56、X60、X65、X70、X80、X100等囊括低、中、高鋼級管道的27組含腐蝕缺陷的實驗數(shù)據(jù)[8-10]。用序號1～27表示。不同鋼級含腐蝕缺陷管道的實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同鋼級含腐蝕缺陷管道的實驗數(shù)據(jù)

將以上27組數(shù)據(jù)代入ASME B31G(1984)、ASME B31G(1991)、DNV-RP-F101、PCORRC、BS7910、API 579-1、SHELL92、LPC-1 8種剩余強度評價模型進行計算，計算結(jié)果見表2。

表2 8種評價模型剩余強度計算結(jié)果

續(xù)表

2.2 8種評價模型的保守性分析

引入?yún)?shù)壓力比A，其中，A=爆破壓力/計算剩余強度。A<1，表明評價結(jié)果呈現(xiàn)激進性，即計算剩余強度大于爆破壓力；A=1，表明評價結(jié)果與實驗爆破壓力一致，最為理想；A>1，表明評價結(jié)果保守，即計算剩余強度小于爆破壓力。

低鋼級管道壓力比見圖1。

圖1 低鋼級管道壓力比圖

由圖1可知，對于X42、X46、X52 3種低鋼級管道而言，保守性最理想的是DNV-RP-F101評價模型，其壓力比主要分布在1.0～1.3；保守性最差的是API 579-1評價模型，其壓力比主要分布在3.1～3.7。因此DNV-RP-F101評價模型最適用于低鋼級管道。

中鋼級管道壓力比見圖2。

圖2 中鋼級管道壓力比圖

由圖2可知，對于X56、X60、X65 3種中鋼級管道而言，保守性最理想的是DNV-RP-F101評價模型，其壓力比主要分布在1.0～1.8；保守性最差的是API 579-1評價模型，其壓力比主要分布在2.5～5.0。因此DNV-RP-F101評價模型最適用于中鋼級管道。

高鋼級管道壓力比見圖3。

圖3 高鋼級管道壓力比圖

由圖3可知，對于X70、X80、X100 3種高鋼級管道而言，保守性最理想的是PCORRC評價模型，其壓力比主要分布在0.8～1.2；保守性最差的是API 579-1評價模型，其壓力比主要分布在2.0～3.3。因此PCORRC評價模型最適用于高鋼級管道。

2.3 8種評價模型的誤差分析

引入?yún)?shù)計算誤差，其中，計算誤差=(爆破壓力-計算剩余強度)/爆破壓力

計算誤差為正，說明爆破壓力大于計算剩余強度；計算誤差為負，說明計算剩余強度大于爆破壓力。

低鋼級管道誤差分析見圖4。

圖4 低鋼級管道的誤差分析圖

由圖4可知，對于X42、X46、X52 3種低鋼級管道而言，誤差最大的是API 579-1評價模型，主要分布在65%～75%；誤差最小的是PCORRC評價模型，主要分布在-8%～13%。因此，在低鋼級管道的剩余強度評價的誤差分析中，表現(xiàn)最好的是PCORRC評價模型。

中鋼級管道誤差分析見圖5。

圖5 中鋼級管道的誤差分析圖

由圖5可知，對于X56、X60、X65 3種中鋼級管道而言，誤差最大的是API 579-1評價模型，主要分布在58%～80%；誤差最小的是PCORRC評價模型，主要分布在-5%～20%。因此，在中鋼級管道剩余強度評價的誤差分析中，表現(xiàn)最好的是PCORRC評價模型。

高鋼級管道誤差分析見圖6。

圖6 高鋼級管道的誤差分析圖

由圖6可知，對于X70、X80、X100 3種高鋼級管道而言，誤差最大的是API 579-1評價模型，主要分布在50%～70%；誤差最小的是DNV-RP-F101評價模型，主要分布在-15%～0%。因此，在高鋼級管道剩余強度評價的誤差分析中，表現(xiàn)最好的是DNV-RP-F101評價模型。

3 結(jié) 論

(1)從壓力比出發(fā)，對于低中鋼級管道，DNV-RP-F101評價模型保守性最理想，對于高鋼級管道，PCORRC評價模型保守性最理想，經(jīng)濟性能優(yōu)良；對于所有鋼級管道，API 579-1評價模型最為保守，經(jīng)濟性能差，不適合進行剩余強度評價；

(2)從誤差分析出發(fā)，對于低中鋼級管道，PCORRC評價模型誤差最小，對于高鋼級管道，DNV-RP-F101評價模型誤差最小，最準確，穩(wěn)定性好；對于所有鋼級管道，API 579-1評價模型誤差最大，不適合進行剩余強度評價。