長輸管道腐蝕缺陷安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則選擇探討

畢臺(tái)飛，楊立，田永達(dá)， 高耘，孫大為，蔣玉卓

(1. 中國石油長慶油田分公司 第一采油廠，陜西 延安 716000；2. 中國石油長慶油田分公司 第一輸油處，陜西 西安 710000；3. 中國人民解放軍32723部隊(duì)，河北 承德 067400；4. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000)

腐蝕、機(jī)械損傷和第三方破壞是威脅管道安全的重要因素，造成管體金屬損失、管壁局部減薄和降低承壓能力，甚至導(dǎo)致管道穿孔或破裂事故[1]。中國管道行業(yè)頒布了GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》[2]，應(yīng)按照法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)實(shí)踐做法及管道運(yùn)行原則，結(jié)合管道以往失效事故進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)與剩余壽命預(yù)測(cè)，確定管道缺陷風(fēng)險(xiǎn)的可接受準(zhǔn)則[3]。管道缺陷包括： 內(nèi)/外腐蝕、管體缺陷(裂紋、劃痕)、焊接缺陷(咬邊、焊瘤、未熔合、未焊透、氣孔和夾渣)和機(jī)械損傷缺陷(凹陷、褶皺、屈曲)[4]。本文僅針對(duì)含體積型腐蝕缺陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，闡述了國際通用管道缺陷安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的適用范圍和應(yīng)用條件；收集管道失效/爆破案例的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究了不同缺陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的準(zhǔn)確性和差異性。研究成果有助于管道管理者根據(jù)管道實(shí)際情況選擇合適的評(píng)價(jià)方法，對(duì)于實(shí)施完整性管理和管道安全運(yùn)行維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

1 管道缺陷安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

1.1 ASME B31G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

ASME B31G： 2012《確定已腐蝕管線剩余強(qiáng)度的手冊(cè)》[5]是基于斷裂力學(xué)理論的NG-18表面缺陷計(jì)算半經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合大量試驗(yàn)和管道失效積累數(shù)據(jù)，利用管道缺陷深度和長度形成的拋物線投影面積計(jì)算管道剩余強(qiáng)度。該準(zhǔn)則適用于低強(qiáng)度鋼級(jí)管道和老齡化管道，針對(duì)孤立型缺陷或者軸向缺陷更為有效，由于未考慮腐蝕缺陷間相互作用，評(píng)價(jià)結(jié)果太過保守。該準(zhǔn)則管道失效壓力計(jì)算如下式所示：

(1)

(2)

以ASME B31G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，針對(duì)流變應(yīng)力和 Folias 系數(shù)進(jìn)行了修正，以0.85dL替代拋物線投影面積，形成RSTRENG 0.85dL方法和RSTRENG有效面積法，一定程度上改進(jìn)了ASME B31G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的不足。修正后的ASME B31G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則管道失效壓力計(jì)算式為

(3)

式中：σf——流變應(yīng)力，σf=σs+69.85；Ad——復(fù)雜腐蝕有效區(qū)域面積，mm2；A0——缺陷區(qū)域原始壁厚橫截面積，mm2。M1的計(jì)算如式(4)和式(5)所示：

(4)

(5)

1.2 BS 7910評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

英國標(biāo)準(zhǔn)BS 7910： 2019《金屬結(jié)構(gòu)中缺陷驗(yàn)收評(píng)定方法導(dǎo)則》[6]已成為國際權(quán)威的海底管道安全評(píng)定依據(jù)，即適用孤立型單一缺陷，也適用復(fù)雜缺陷。該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則管道失效壓力計(jì)算式為

(6)

式中：D1——管道內(nèi)徑，mm；σf=(σs+σb)/2或σf=1.2σs(取二者較大值)；σb——管材抗拉強(qiáng)度，MPa。

1.3 DNV-RP-F101評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

挪威船級(jí)社DNV-RP-F101： 2004《腐蝕管道評(píng)價(jià)推薦做法》[7]可用于X65～X80鋼級(jí)管道，同時(shí)考慮了管道內(nèi)壓和軸向應(yīng)力因素，適用內(nèi)/外表面缺陷、孤立型缺陷，也適用交互缺陷、復(fù)雜缺陷，但不適用含裂紋缺陷管道，以及缺陷深度大于管道壁厚85%的情形。該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則管道失效壓力計(jì)算式為

(7)

1.4 PCORRC評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

PCORRC評(píng)價(jià)準(zhǔn)則采用殼體單元有限元模擬管道腐蝕缺陷受力情形，適用于X65～X80中高強(qiáng)度等級(jí)管道安全性評(píng)價(jià)。該準(zhǔn)則只針對(duì)孤立型缺陷，不適用含裂紋缺陷管道，并指出管材抗拉強(qiáng)度決定缺陷失效，而不是屈服強(qiáng)度。該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則下管道失效壓力計(jì)算式為

(8)

式中：σf=σb；R——管道外徑和內(nèi)徑的平均值，mm。

1.5 其他評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

上述評(píng)價(jià)準(zhǔn)則目前在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用，此外還建立了管道失效壓力計(jì)算模型，例如： C-FER 模型針對(duì)體積型腐蝕缺陷管道失效壓力為

(9)

管道缺陷評(píng)估手冊(cè)提出的PDAM(pipeline defect assessment manual)模型針對(duì)體積型腐蝕缺陷管道失效壓力為

(10)

2 管道缺陷安全評(píng)價(jià)程序

管道適用性評(píng)價(jià)應(yīng)給出缺陷可接受性以及維修和風(fēng)險(xiǎn)減緩措施，具體評(píng)價(jià)內(nèi)容如下：

1)評(píng)價(jià)管道腐蝕缺陷嚴(yán)重程度。例如： 缺陷失效模式、高后果區(qū)失效后果嚴(yán)重程度，判斷缺陷是否需要立即維修。

2)計(jì)算已腐蝕管道承壓能力，預(yù)測(cè)管道剩余壽命。針對(duì)與時(shí)間相關(guān)的缺陷，應(yīng)基于管道投用時(shí)間、缺陷致因等信息，建立管道缺陷增長預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)缺陷增長趨勢(shì)。

3)維修及風(fēng)險(xiǎn)減緩措施。例如： 管道位置信息、缺陷修復(fù)實(shí)施時(shí)間要求和修復(fù)方法。

4)管道含有不可接受或需要監(jiān)控缺陷，應(yīng)根據(jù)損傷機(jī)理和失效模式，結(jié)合管道歷史失效事故、運(yùn)行工況等，提出缺陷修復(fù)前的安全運(yùn)行壓力和風(fēng)險(xiǎn)管控建議(加密巡護(hù)、降壓運(yùn)行)。

3 管道缺陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則比選

文獻(xiàn)[8]以X80管線鋼管為例，制備不同類型、不同尺寸缺陷，通過水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證管道極限承載能力，研究上述評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的適用性。針對(duì)矩形缺陷，DNV-RP-F101評(píng)價(jià)準(zhǔn)則預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值偏差最??；修正的ASME B31G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和C-FER模型偏于保守。

借鑒上述研究方法，收集近100例不同鋼級(jí)(X42～X100)含腐蝕缺陷的管道參數(shù)、缺陷特征和爆破/失效壓力數(shù)據(jù)見表1所列。選擇修正的ASME B31G，BS7910，DNV-RP-F101和PCORRC四種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)比剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)值和爆破/失效壓力的相對(duì)誤差，確定評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的準(zhǔn)確性，四種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則相對(duì)誤差見表2所列。

表1 含腐蝕缺陷的管道參數(shù)、缺陷特征和爆破/失效壓力(部分?jǐn)?shù)據(jù))

表2 四種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則相對(duì)誤差 %

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析，結(jié)論如下：

1)修正ASME B31G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的計(jì)算誤差對(duì)于其他強(qiáng)度鋼級(jí)管道均較大，相對(duì)其他三種準(zhǔn)則，準(zhǔn)確性較差。

2)相對(duì)誤差最小的是DNV-RP-F101評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，其次是PCORRC評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。應(yīng)用這兩項(xiàng)準(zhǔn)則預(yù)測(cè)管道剩余強(qiáng)度和爆破/失效壓力最接近，準(zhǔn)確性最高，最具有工程應(yīng)用價(jià)值。

3)BS 7910評(píng)價(jià)準(zhǔn)則準(zhǔn)確性整體略優(yōu)于修正的ASME B31G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，針對(duì)X52以下低強(qiáng)度鋼級(jí)管道，準(zhǔn)確性較差；針對(duì)X56以上中高強(qiáng)度鋼級(jí)管道，準(zhǔn)確性較高。

4)針對(duì)低強(qiáng)度鋼級(jí)管道，采用修正ASME B31G準(zhǔn)則的剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)值均低于爆破/失效壓力，而采用DNV-RP-F101評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和PCORRC準(zhǔn)則存在剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)值均超過爆破/失效壓力的情形，修正ASME B31G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)于低鋼級(jí)管道是可行的；DNV-RP-F101評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和PCORRC評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不適用低鋼級(jí)管道安全評(píng)價(jià)。

5) 針對(duì)X70和X80等高鋼級(jí)管道，DNV-RP-F101評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和PCORRC評(píng)價(jià)準(zhǔn)則仍存在7%的相對(duì)誤差，原因分析是上述評(píng)價(jià)準(zhǔn)則制定時(shí)間在2000年之前，近年來隨著鋼管制管水平提高，管材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度不斷增加，管道實(shí)際韌性指標(biāo)高于標(biāo)準(zhǔn)值，針對(duì)高鋼級(jí)管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法仍需改進(jìn)。

4 結(jié)束語

管道管理者應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開挖確認(rèn)缺陷尺寸特征，結(jié)合管道缺陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的適用范圍和應(yīng)用條件，選擇科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。針對(duì)X90和X100超高鋼級(jí)管道，目前還缺乏權(quán)威、有效的爆破/失效數(shù)據(jù)，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和有限元、邊界元工具的發(fā)展，針對(duì)含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)缺陷、多種載荷耦合情形，以及超高鋼級(jí)含腐蝕缺陷管道，可進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算和可靠性評(píng)定。