相鄰腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法適應(yīng)性研究

郭堅(jiān)

中國石油華北油田第五采油廠工程技術(shù)研究所

油氣管道具有輸送價(jià)格低、方便快捷等特點(diǎn)，是油氣田開發(fā)過程中的重要組成部分。但隨著管道服役年限的不斷延長，因制管工藝、施工手段、第三方破壞、環(huán)境影響、流體介質(zhì)等因素造成的腐蝕情況時(shí)有發(fā)生，其直接后果是壁厚減薄導(dǎo)致的管道局部應(yīng)力集中，在加壓輸送的過程中，管體會(huì)在腐蝕集中的部位發(fā)生穿孔導(dǎo)致油氣泄漏。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國每年因腐蝕（含氫脆和裂紋）造成的管道事故占總體數(shù)量的85.2%。因此，通過定量分析和計(jì)算，對(duì)腐蝕管道的剩余強(qiáng)度進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，可以為管道是否繼續(xù)服役、更換或降壓運(yùn)行提供理論依據(jù)，避免因腐蝕造成的泄漏事故發(fā)生[1-2]。

目前，主流的腐蝕評(píng)價(jià)方法有ASME B31G—1991、ASME B31G Modified、ASME B31G—2009、DNV-RP-F101、BS 7910、SY/T 6151—2009、RSTRENG 準(zhǔn)則等。這些評(píng)價(jià)方法均以單一腐蝕缺陷為基礎(chǔ)，通過真實(shí)的水壓爆破試驗(yàn)對(duì)管道的內(nèi)壓載荷進(jìn)行修正，但在實(shí)際的油田開發(fā)工況中多存在相鄰腐蝕（即相互作用腐蝕）情況，這些方法將相鄰腐蝕狀況進(jìn)行了假設(shè)和簡化，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果過于保守，造成了管道過早的更換或維修。因此，有必要對(duì)各種評(píng)價(jià)方法中相鄰腐蝕的評(píng)估方法進(jìn)行梳理和總結(jié)，并對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)方法的適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 相鄰腐蝕缺陷評(píng)價(jià)方法

1.1 ASME B31G Modified 準(zhǔn)則

ASME B31G 系列標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)斷裂力學(xué)表面缺陷公式（代號(hào)NG -18）提出的，其中ASME B31G—1984 和ASME B31G—1991 兩個(gè)版本未考慮腐蝕缺陷之間的相互作用[3-4]，將相鄰或相互重疊的腐蝕缺陷簡化為單一或連續(xù)的腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，沒有給出具體的界定準(zhǔn)則，因此在評(píng)價(jià)上具有較強(qiáng)的保守性和隨意性。針對(duì)ASME B31G 準(zhǔn)則保守性強(qiáng)的缺點(diǎn)，通過對(duì)流變應(yīng)力、膨脹系數(shù)和腐蝕面積的修正，提出了ASME B31G Modified 準(zhǔn)則，同時(shí)也考慮了點(diǎn)蝕軸向間隔對(duì)腐蝕的拮抗作用（圖1）。當(dāng)軸向間距Sd＜25.4 mm 且環(huán)向間距Sa＜6t（t為壁厚，mm）時(shí)，可將相鄰腐蝕缺陷作為同一類型的單一腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中當(dāng)Sd＞0 時(shí)，相鄰腐蝕缺陷的軸向長度等于腐蝕區(qū)域加上未腐蝕區(qū)域的軸向長度；當(dāng)Sd＜0 時(shí)，相鄰腐蝕缺陷的軸向長度等于腐蝕區(qū)域的軸向長度減去重疊腐蝕區(qū)域在軸向上的長度。反之，當(dāng)Sd≥25.4 mm 或Sa≥6t時(shí)，則認(rèn)為相鄰腐蝕缺陷之間不發(fā)生相互作用，每個(gè)缺陷作為獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 相鄰腐蝕缺陷（軸向和環(huán)向方向）示意圖Fig.1 Schematic diagram of adjacent corrosion defects（axial and circumferential）

1.2 ASME B31G—2009 準(zhǔn)則

美國工程師協(xié)會(huì)在2009 年更新了ASME B31G評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，采用了分級(jí)評(píng)價(jià)方法[5-6]，將評(píng)價(jià)手段分為四個(gè)級(jí)別（零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)），精度層級(jí)遞進(jìn)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇評(píng)價(jià)手段。在相鄰腐蝕缺陷評(píng)價(jià)上，采用了BENJAMIN A C 等[7]的研究成果。當(dāng)Sd＜3t或Sa＜3t時(shí)，相鄰腐蝕缺陷之間產(chǎn)生相互影響，軸向長度的計(jì)算同改進(jìn)的ASME B31G Modified 準(zhǔn) 則；反 之，當(dāng)Sd≥3t或Sa≥3t時(shí)，相鄰腐蝕缺陷可作為孤立的缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 RSTRENG 準(zhǔn)則

RSTRENG 準(zhǔn)則是基于ASME B31G 提出的，主要有0.85dL面積法和有效面積法兩種，其中0.85dL面積法（d為缺陷最大深度，L為缺陷的軸向長度，0.85dL表示近似腐蝕區(qū)域金餉損失面積）是只針對(duì)單一腐蝕缺陷、沒有相鄰腐蝕缺陷的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。有效面積法相鄰腐蝕缺陷的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則與ASME B31G Modified 相一致，但由于需要測(cè)量腐蝕區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的軸向腐蝕長度和深度，并進(jìn)行迭代計(jì)算，最終選取不同區(qū)域的最小值作為剩余強(qiáng)度，即相鄰腐蝕缺陷的剩余強(qiáng)度小于單一腐蝕缺陷的剩余強(qiáng)度，評(píng)價(jià)的保守性低于ASME B31G Modified 準(zhǔn)則，且計(jì)算量較大，往往需要編制程序進(jìn)行輔助迭代計(jì)算。

1.4 DNV-RP-F101 準(zhǔn)則

DNV-RP-F101 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是挪威船級(jí)社在1999年提出的[8]，較ASME B31G 系列標(biāo)準(zhǔn)相比，不僅考慮了內(nèi)壓，同時(shí)增加了內(nèi)壓與軸向壓力對(duì)管道共同作用的影響，主要分為分安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法。兩種方法只是在計(jì)算許用應(yīng)力時(shí)不一致（許用應(yīng)力法需要乘以使用系數(shù)），在此主要說明分安全系數(shù)法的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和流程。DNV-RP-F101 準(zhǔn)則中規(guī)定當(dāng)滿足以下條件之一時(shí)，相鄰腐蝕缺陷之間產(chǎn)生相互影響和作用：①相鄰缺陷的環(huán)向角度；②相鄰缺陷的軸向間距。（Sd為相鄰腐蝕管道軸向間距，mm；t為管道壁厚，mm；D為管道外徑，mm）。

評(píng)價(jià)流程如下：

（1）針對(duì)腐蝕區(qū)域建立軸向投影線，計(jì)算環(huán)向角度是否符合上式的要求；如符合要求，將腐蝕區(qū)域進(jìn)行投影。

（3）當(dāng)相鄰缺陷的投影重疊時(shí)，將其視為一個(gè)合成缺陷，取所有缺陷的組合長度和最大深度；如果存在內(nèi)、外腐蝕重疊，則腐蝕深度取內(nèi)、外腐蝕的最大深度之和。

（4）計(jì)算每段腐蝕缺陷的許用應(yīng)力pi。許用應(yīng)力計(jì)算式為

式中：pi為每段腐蝕缺陷的許用應(yīng)力，MPa；i為管道的分段段數(shù)；γm為軸向腐蝕預(yù)測(cè)的分安全系數(shù)，無量綱；t為管道壁厚，mm；SMTS為管道鋼級(jí)對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度，N/mm2；D為管道外徑，mm；d為腐蝕深度，mm；M為膨脹系數(shù)，無量綱；γd為腐蝕深度對(duì)應(yīng)的分安全系數(shù)，無量綱。

（5）對(duì)照?qǐng)D2 計(jì)算所有相鄰組合缺陷的長度和深度，缺陷n到m的組合長度lmn為

圖2 相互作用缺陷組合Fig.2 Interaction defect assemblage

式中：lmn為缺陷組合長度，mm。

缺陷n到m的組合深度dmn：

式中：dmn為缺陷組合深度，mm。

（6）利用步驟（5）中的結(jié)果，按照步驟（4）的計(jì)算方法，計(jì)算從n到m所有相鄰組合缺陷的許用應(yīng)力pnm。

（7）取步驟（4）和步驟（6）中所有計(jì)算結(jié)果中的最小值作為腐蝕區(qū)域的剩余強(qiáng)度pcorr，且pcorr不應(yīng)大于最大允許工作壓力。

式中：pcorr為腐蝕區(qū)域的剩余強(qiáng)度，MPa。

（8）重復(fù)步驟（2）～（7），對(duì)下一個(gè)腐蝕區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.5 PCORRC 準(zhǔn)則

PCORRC 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是STEPHENS 等在大量有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行的公式擬合，主要考慮了腐蝕深度和長度對(duì)剩余強(qiáng)度的影響，忽略了腐蝕寬度，并未給出相鄰腐蝕缺陷的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和流程。帥健等[9]和王戰(zhàn)輝等[10]均證明了該準(zhǔn)則在評(píng)價(jià)中高強(qiáng)度等級(jí)鋼時(shí)保守性較小，準(zhǔn)確度較高，同時(shí)考慮到目前油氣管道已經(jīng)向X80、X100 管線鋼發(fā)展，因此將DNV-RP-F101 的評(píng)價(jià)流程介入到PCORRC 準(zhǔn)則中，只是許用應(yīng)力需按照下式計(jì)算：

2 結(jié)果與討論

巴西石油公司的PETROBRAS 研究所近年來基于中高強(qiáng)度等級(jí)鋼進(jìn)行了不同種類相鄰腐蝕缺陷的水壓爆破試驗(yàn)[11]，在此應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行評(píng)價(jià)方法適應(yīng)性的分析和驗(yàn)證。表1 列出了的11 組腐蝕缺陷數(shù)據(jù)，其中1～6組的管徑為Φ458.8 mm×8.1 mm，屈服強(qiáng)度601 MPa，抗拉強(qiáng)度684 MPa；7～11 組的管徑為Φ459.4 mm×8 mm，屈服強(qiáng)度589 MPa，抗拉強(qiáng)度731 MPa，兩種工況的管材均為X80。軸向間距Sd＜0 代表軸向投影重疊，環(huán)向間距Sa＜0 代表環(huán)向投影重疊，相應(yīng)的序號(hào)對(duì)應(yīng)的腐蝕缺陷實(shí)景和腐蝕類型也在表中列出[12-14]。

利 用ASME B31G Modified、ASME B31G—2009、RSTRENG 有效面積法、DNV-RP-F101 和PCORRC 等五種評(píng)價(jià)方法對(duì)表1 中的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析每種評(píng)價(jià)方法的適應(yīng)性。預(yù)測(cè)的結(jié)果及相對(duì)誤差見圖3、圖4。

圖3 預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of prediction results

圖4 預(yù)測(cè)相對(duì)誤差對(duì)比Fig.4 Comparison of prediction relative errors

表1 相鄰腐蝕缺陷尺寸數(shù)據(jù)Tab.1 Dimensional data of adjacent corrosion defects

由圖3、圖4 可知，從準(zhǔn)確性上分析，五種評(píng)價(jià)方法在評(píng)價(jià)序號(hào)1（單腐蝕）和序號(hào)7（單腐蝕）時(shí)整體相對(duì)誤差較小，說明這幾種方法在評(píng)價(jià)單腐蝕缺陷時(shí)具有一定的準(zhǔn)確性。其中PCORRC 和DNV-RP-101F 兩種方法的誤差在5%以內(nèi)，證明這兩種方法可以作為評(píng)價(jià)相鄰腐蝕管道剩余強(qiáng)度的基礎(chǔ)，且這兩種方法的相關(guān)系數(shù)R最大，分別為0.923 地3 和0.895 3，證明與真實(shí)的水壓爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合度較好。DNV-RP-101F 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則從環(huán)向角度和軸向間距兩個(gè)方面給出了相鄰腐蝕缺陷的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，并且定義了組合缺陷深度和長度的計(jì)算方法，可根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)用分安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法進(jìn)行評(píng)價(jià)；PCORRC 公式主要來源于針對(duì)中高強(qiáng)度管線鋼的有限元分析結(jié)果，將DNV-RP-101F 的評(píng)價(jià)流程與PCORRC 公式相結(jié)合，評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確，平均相對(duì)誤差為4.54%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)DNV-RP-101F 在評(píng)價(jià)序號(hào)3（環(huán)向雙腐蝕）和序號(hào)7（單腐蝕）時(shí)出現(xiàn)了評(píng)價(jià)結(jié)果大于水壓爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況，說明評(píng)價(jià)結(jié)果存在預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，而PCORRC 僅在評(píng)價(jià)序號(hào)3 時(shí)出現(xiàn)了大于水壓爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況，總體預(yù)測(cè)精度更高。

從保守性上分析，RSTRENG 有效面積法和ASME B31G Modified 兩種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的相對(duì)誤差在各組評(píng)價(jià)結(jié)果中均較大，證明這兩種方法用于評(píng)價(jià)相鄰腐蝕缺陷過于保守，會(huì)造成不必要的管道更換和維修。兩種方法均以斷裂力學(xué)公式為基礎(chǔ)發(fā)展而來，評(píng)價(jià)依據(jù)主要以軸向間距為主，當(dāng)滿足要求時(shí)將相鄰腐蝕缺陷定義為一個(gè)單一腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，沒有考慮相鄰腐蝕缺陷軸向和環(huán)向未腐蝕區(qū)域?qū)κＳ鄰?qiáng)度的貢獻(xiàn)和影響，說明對(duì)相鄰腐蝕缺陷的評(píng)價(jià)適應(yīng)性不強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）現(xiàn)行的大部分剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)規(guī)范均以單一腐蝕缺陷為基礎(chǔ)，對(duì)相鄰腐蝕之間的作用機(jī)理以及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不明確，通過對(duì)5 種評(píng)價(jià)方法的對(duì)比驗(yàn)證，將DNV-RP-F101 的評(píng)價(jià)流程與PCORRC 公式相結(jié)合，評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確，平均相對(duì)誤差為4.54%。

（2）RSTRENG 有效面積法和ASME B31G Modified 兩種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的相對(duì)誤差在各組評(píng)價(jià)結(jié)果中均較大，沒有考慮相鄰腐蝕缺陷軸向和環(huán)向未腐蝕區(qū)域?qū)κＳ鄰?qiáng)度的貢獻(xiàn)和影響，說明對(duì)相鄰腐蝕缺陷的評(píng)價(jià)適應(yīng)性不強(qiáng)。

（3）在現(xiàn)行的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)規(guī)范中均以管道受內(nèi)壓載荷為前提，但在實(shí)際工況中，管道在復(fù)雜的載荷體系下還會(huì)受到軸向和環(huán)向載荷的影響，因此未來要加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜載荷體系下剩余強(qiáng)度的研究。

（4）管道的腐蝕是隨時(shí)間和空間變化的隨機(jī)動(dòng)態(tài)過程，現(xiàn)有的預(yù)測(cè)還主要針對(duì)于某一時(shí)刻進(jìn)行評(píng)價(jià)，未來需要考慮隨機(jī)變化過程對(duì)剩余強(qiáng)度的影響。