含腐蝕缺陷管道剩余壽命預測方法評述

鄧霄*，白天陽，崔宇翔，李智，毛一鳴，馬偉平

（1.國家管網(wǎng)集團西部管道有限責任公司烏魯木齊輸油氣分公司；2.中油國際管道有限公司；3.中國石油長慶油田公司第二采氣廠；4.中國石油長慶油田公司隴東天然氣項目部；5.國家管網(wǎng)集團北方管道有限責任公司管道科技研究中心）

0 引言

截至2020年底，中國國內(nèi)油氣長輸管道總里程累計約為 14.5×104km[1]。因土壤環(huán)境和運行年限增加，腐蝕是管道壁厚減薄和強度可靠性降低的主要因素，管道腐蝕泄漏穿孔、失效事故頻繁發(fā)生[2]。中國長輸管道全面實施GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》，要求管道企業(yè)開展管道剩余壽命預測，根據(jù)管道腐蝕速率，評價管道現(xiàn)在剩余強度，預測管道未來發(fā)展趨勢。因此含腐蝕缺陷在役管道剩余壽命預測具有實際意義，可為管道檢測和維修提供決策依據(jù)，有助于降低管道事故概率、延長管道使用壽命[3]。本文闡述了國內(nèi)外在管道剩余壽命預測方面的數(shù)學模型及計算方法，結(jié)合實際工程案例應用，評價了各類管道剩余壽命預測模型方法的準確度和優(yōu)缺點，對于管道企業(yè)選擇科學、適用的剩余壽命評價方法具有指導意義。

1 管道剩余壽命預測研究現(xiàn)狀

針對含腐蝕缺陷管道剩余強度和疲勞失效機理的研究較為深入[4]，國內(nèi)外制定的管道腐蝕缺陷評價標準主要有美國ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》、英國BS 7910—2019《金屬結(jié)構(gòu)缺陷評定準則》、挪威船級社 DNV—RP—F101《管道腐蝕缺陷評價》、中國SY/T 6477—2017《缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》等。由于土壤環(huán)境的復雜性、多相性，以及管道制管水平和防腐層性能差異，管道運行期腐蝕動力學發(fā)展規(guī)律難以準確獲得，管道剩余壽命預測具有隨機性和不穩(wěn)定性，還未形成統(tǒng)一公認的標準規(guī)范[5]。中國 GB/T 51172—2016《在役油氣管道工程檢測技術(shù)規(guī)范》給出了管道剩余壽命簡化計算公式：

式中：TR——管道剩余壽命，a；ta——特定位置測量實際壁厚，mm；tr——設計壁厚（不含腐蝕裕量和制造公差），mm；Vc——管道腐蝕速率，mm/a。

管道剩余壽命預測難點在于管道腐蝕機理涉及管材、環(huán)境和力學等方面，諸多影響因素存在隨機性、模糊性和關(guān)聯(lián)性[6]。管道剩余壽命預測的研究方向是提高準確度和可靠性，包括：深入研究管道服役期間腐蝕變化規(guī)律，研發(fā)高精度、多用途管道外檢測技術(shù)，管道檢測數(shù)據(jù)有限時輔以數(shù)學分析方法等。

2 管道剩余壽命預測方法

2.1 基于腐蝕機理的預測方法

2.1.1 基于電化學理論預測法

該方法理論基礎是埋地管道電化學腐蝕機理，假定土壤環(huán)境和腐蝕速率基本穩(wěn)定，僅考慮管道發(fā)生外腐蝕，針對管道腐蝕缺陷形態(tài)和發(fā)展趨勢近似處理。文獻[7]認為埋地輸油管道產(chǎn)生均勻腐蝕分為點蝕和片蝕兩種類型，根據(jù)法拉第電化學定律，推導腐蝕管道剩余壽命計算公式。該方法優(yōu)點是檢測數(shù)據(jù)易于獲得、應用方便，特別適用于經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)管道存在均勻腐蝕區(qū)域的情形。但實際上長輸管道大面積均勻腐蝕較少見，多為局部腐蝕和點蝕，適用范圍有限。

2.1.2 基于外腐蝕直接評價預測法

美國NACE SP 0502—2010《管道外腐蝕直接評價方法》指出確定腐蝕增長速率應基于合理的工程實踐，針對最大剩余缺陷的剩余壽命也應采用合理的工程實踐分析。在缺少檢測數(shù)據(jù)和其他分析方法時，提出根據(jù)管道運行壓力、壁厚和腐蝕速率預測剩余壽命的經(jīng)驗公式：

式中：C——校正系數(shù) 0.85；t——公稱管壁厚度，mm；GR——腐蝕增長速率，mm/a；SM——安全余量（失效壓力比率-最大允許運行壓力比率，其中：失效壓力比率=管道失效壓力/管材屈服強度；最大允許運行壓力比率=最大允許運行壓力/管材屈服強度）。

基于管道外腐蝕直接評價預測法，假定腐蝕持續(xù)發(fā)生、腐蝕速率均勻以及腐蝕缺陷為典型特定形狀和尺寸，因此該方法較保守。文獻[8]應用ANSYS有限元方法確定含腐蝕缺陷管道的安全承壓能力，以腐蝕最嚴重的開挖點為例（腐蝕深度0.32 mm），基于外腐蝕直接評價經(jīng)驗公式和有限元法，預測管道剩余壽命分別為20.76 a和25.38 a，得出結(jié)論：有限元法較準確，基于外腐蝕直接評價經(jīng)驗公式略保守。

2.1.3 管道點蝕首次泄漏失效壽命模型

管道防腐層破損后發(fā)生大面積均勻腐蝕，然后發(fā)生點腐蝕造成管道穿孔泄漏。美國CERL（建筑工程研究實驗室）提出將管道由于防腐層失效發(fā)生腐蝕穿孔泄漏的周期定義為管道點蝕首次泄漏失效壽命。定義CSI（腐蝕狀態(tài)指數(shù)）描述管道腐蝕狀態(tài)，CSI=100指管道防腐層是新的或者完好的，CSI=0表示管道防腐層完全破壞或腐蝕穿孔?；诟g狀態(tài)指數(shù)的管道點蝕首次泄漏失效壽命模型：

式中：Age——管道自投產(chǎn)之日運行周期，a；dav——管段平均點蝕深度，mm；b0——管道壁厚，mm；ΔT——上次管道檢測數(shù)據(jù)至現(xiàn)在的時間，a。

該方法適用條件為發(fā)生嚴重點蝕的管道，且要求檢測周期規(guī)律、數(shù)據(jù)齊全，可獲取較準確的平均腐蝕深度，對于新建管道且防腐層狀況良好、土壤腐蝕性強的情形較為適用。

2.2 基于腐蝕缺陷評價的預測方法

國外針對管道腐蝕破壞機理和極限承載力開展了深入研究[9]。代表性的是美國ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》，適用于評價老齡化管道的軸向孤立型缺陷；英國BS 7910—2019《金屬結(jié)構(gòu)缺陷評定準則》是國際公認的海底管道腐蝕缺陷安全評定的依據(jù)，適用于孤立型和復雜缺陷；挪威船級社DNV—RP—F101《管道腐蝕缺陷評價》可針對X80鋼級管道內(nèi)外表面缺陷、孤立型、交叉復雜缺陷；美國Battle實驗室開發(fā)的Pcorrc評價準則適用于X80鋼級管道的孤立型缺陷，采用殼體單元有限元法模擬管道腐蝕缺陷受力情況。研究表明，DNV—RP—F101《管道腐蝕缺陷評價》精度最高，Pcorrc評價準則次之，主要問題是二者對于X80高鋼級管道的精度要求較高（存在約7%～8%的相對誤差）[10-11]。

文獻[12]將平均腐蝕速率應用于腐蝕管道失效壓力公式，建立了管道失效函數(shù)模型，分析了管道剩余壽命影響因素的敏感性，計算目標可靠度確定管道剩余壽命，認為徑向腐蝕速率是管道失效的主要因素。文獻[13]根據(jù)輸油管道壓力分布規(guī)律，采用修正的ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》計算管道失效壓力對應的極限腐蝕缺陷尺寸，根據(jù)電化學理論腐蝕速率模型預測管道剩余壽命。以某輸油管道局部腐蝕缺陷為例（深度2.5 mm、直徑2.5 mm），剩余壽命為0.98 a，實際管道從檢測后至發(fā)生泄漏時間0.9 a，誤差為8.8%。上述研究及ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》未考慮管道腐蝕影響因素的累積效應，文獻[14]基于Shell-92失效壓力模型，引入CDF（累積密度函數(shù)）計算管道失效概率，采用Monte-Carlo（蒙特·卡羅）方法確定管道剩余壽命，以管徑400 mm、壁厚7 mm為例，腐蝕深度由2 mm增加至4 mm，管道剩余壽命減少約8 a。為研究不同腐蝕形態(tài)和復雜缺陷對管道剩余壽命的影響，文獻[15]分析了單點腐蝕和雙點腐蝕缺陷的管道失效風險，結(jié)論是雙點腐蝕缺陷的相互、疊加作用會增加管道的失效概率，但當蝕坑間距大于最小蝕坑長度時，可按單點腐蝕進行可靠性評估。

2.3 基于可靠性理論的預測方法

由于管材材料、缺陷幾何尺寸、腐蝕速率存在不確定因素，以及在役管道運行參數(shù)的波動性，含腐蝕缺陷管道系統(tǒng)存在一定的可靠度和失效概率。基于可靠性理論的預測方法，需要足夠多的腐蝕缺陷檢測數(shù)據(jù)及響應檢測時間樣本集合，以保證預測精度。文獻[16]基于可靠性理論建立腐蝕管道失效狀態(tài)函數(shù)，統(tǒng)計腐蝕缺陷檢測數(shù)據(jù)建立腐蝕速率概率分布模型，按照管道所處地區(qū)等級和風險等級設定目標可靠度和可接受概率，提出管道腐蝕可靠性壽命預測方法。以新疆油田采油一廠集輸管道為例，得到位于一級、二級（三級）和四級地區(qū)管道腐蝕剩余壽命為8.8 a、7.4 a和6.1 a，為確定管道檢測周期提供了依據(jù)。該模型意義在于借鑒DNV目標可靠度指標，在國內(nèi)首次計算了集輸管道目標可靠度和可接受失效概率指標，對長輸管道具有參考價值。

文獻[17]根據(jù)ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》建立管道失效狀態(tài)方程，以美國API 579—2000《適用性評價推薦做法》推薦的目標可靠度為依據(jù)，得到管道運行不同年限的可靠度，選擇按照中風險可靠度（二級地區(qū)）0.999，判斷管道失效時間，但局限性在于未給出不選擇低風險（一級地區(qū)）和高風險（三、四級地區(qū)）可靠度的原因。

2.4 基于概率統(tǒng)計理論的預測方法

基于極值統(tǒng)計理論的觀點認為管道剩余壽命由最大腐蝕深度決定，最大腐蝕深度分布符合Gumbel（古比）極值分布規(guī)律。該理論具有一定合理性，但需要大量管道歷史腐蝕檢測數(shù)據(jù)和維修記錄，且只能對管道系統(tǒng)進行整體評價，不能針對特定腐蝕點預測剩余壽命。文獻[18]將影響管道剩余壽命的腐蝕速率、缺陷深度、管道壁厚和工作壓力等因素視為分布各異的隨機變量，建立了預測管道失效的概率數(shù)學模型。研究表明，缺陷深度在腐蝕缺陷形成初期，對管道可靠性影響較大；隨著時間推移，腐蝕速率成為管道可靠性較大影響因素。針對輸油管道提出按照每千米長度管道進行失效概率統(tǒng)計分析方法，可對管道系統(tǒng)安全狀況做出合理預測。文獻[19]建立了基于GEV（廣義極值）自適應優(yōu)選分布的腐蝕管道剩余壽命預測模型，其中改進 GEV分布預測管道剩余壽命31.04 a，與基于可靠度的管道設計壽命33 a較為接近。

2.5 基于腐蝕速率預測的數(shù)學算法

2.5.1 灰色分析法

海底管道由于環(huán)境特殊性，往往不具備足夠的腐蝕檢測數(shù)據(jù)，屬于典型的影響因素不明確、數(shù)據(jù)有限無規(guī)律的灰色系統(tǒng)，采用概率統(tǒng)計方法預測壽命精度效果不佳?；疑碚撌茄芯可贁?shù)據(jù)、貧信息不確定性問題的首選方法。文獻[20]根據(jù) ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》推導了海底管道同時發(fā)生均勻腐蝕和局部腐蝕的極限內(nèi)壓公式，采用2004—2008年檢測數(shù)據(jù)，利用灰色GM（1，1）模型驗證了腐蝕量的預測值與實測值的可靠性；預測2008—2014年極限內(nèi)壓力，并與極限內(nèi)壓值對比，判定管道安全運行時間以及是否采取維修措施。該模型初步研究了局部腐蝕對管道強度的作用機理，未涉及腐蝕坑寬度、環(huán)向分布以及多個腐蝕坑相互影響等復雜情形。文獻[21]利用灰色GM（1，1）模型和ASME B31G標準，考慮缺陷深度、缺陷長度、管道壁厚、管道直徑、屈服強度、操作壓力等因素，建立了鍍鋅鋼低溫運行腐蝕管道可靠性模型（-20 ℃），定量計算了缺陷深度、運行壓力和管道壁厚與可靠度的關(guān)系。文獻[22]建立了以灰色理論和馬爾可夫鏈為基礎的管道腐蝕剩余壽命預測方法，針對灰色模型原始數(shù)據(jù)進行二次平滑處理和白化系數(shù)尋優(yōu)，相對傳統(tǒng)的馬爾科夫模型平均準確度提高40.33%?；疑治龇☉鉀Q的主要問題是中長期預測和動態(tài)預測的精度偏差問題，滿足長期運行管道對預測精度的需求。

2.5.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡法

BP（反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡對動態(tài)規(guī)律性強的數(shù)據(jù)自適應性強，具備較好容錯性和外推內(nèi)插功能，適用于由于腐蝕影響因素多、相關(guān)性差、隨機性大和樣本數(shù)據(jù)有限情形，如，相對長輸管道輸送介質(zhì)單一，集輸管道腐蝕影響因素眾多（H2S、CO2濃度、管道積水、流速、管道走向、結(jié)蠟結(jié)垢等），該方法適用非線性數(shù)據(jù)樣本集處理，因此在長輸管道領域應用有限，預測準確性還需進一步提高。文獻[23]針對氣田集輸管道腐蝕諸多因素的復雜性和不確定性，提出了適用于集輸管道人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測方法，管道內(nèi)壁腐蝕速率預測值與實際值平均相對誤差為7.322%。

2.6 有限元數(shù)值模擬方法

有學者認為基于腐蝕機理的管道安全評估方法偏于保守，較為公認的觀點是應關(guān)注雙腐蝕缺陷和多腐蝕缺陷的相互作用，ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》等評價準則只能分析同一形狀腐蝕缺陷，實際對于不同形狀腐蝕缺陷聚集，應借助可靠性、準確度高的數(shù)值分析方法應用于管道評估，如，有限元方法可將腐蝕缺陷簡化成多個橢圓或矩形缺陷。文獻[24]采用ANSYS-Workbench（通用有限元分析）軟件模擬管道雙腐蝕缺陷，研究管道在不同面腐蝕缺陷參數(shù)下的等效應力判定管道是否失效，結(jié)果表明：等效應力隨腐蝕區(qū)域長度增加呈上升趨勢，隨缺陷寬度增大趨于下降；腐蝕區(qū)域固定時，等效應力隨腐蝕深度增加而增加。以X52鋼級輸油管道實際腐蝕速率為例，指出有限元法精度高于基于外腐蝕直接評價預測法。文獻[25]采用有限元法中塑性失效準則，建立體腐蝕損傷有限元三維結(jié)構(gòu)模型，以阿爾善—賽汗塔拉輸油管道為例，得到不同腐蝕深度下（腐蝕深度1.75～4.90 mm，腐蝕長度200～500 mm）的管道剩余強度和使用壽命，進一步提高了管道壽命預測的仿真精度。

2.7 基于管道內(nèi)檢測技術(shù)的預測方法

應用概率統(tǒng)計和極值分析方法預測管道剩余壽命需要大量管道歷史檢測數(shù)據(jù)，即使應用管道剩余壽命預測理論方法，也至少需要兩次檢測數(shù)據(jù)，且預測精度與檢測數(shù)據(jù)數(shù)量相關(guān)。通過實施外腐蝕檢測、內(nèi)檢測或者直接開挖檢測，掌握管道腐蝕狀況，測定管道壁厚隨時間的變化規(guī)律，驗證并確定準確的腐蝕速率。近年來，國內(nèi)新建管道工程普遍進行系統(tǒng)性腐蝕檢測，也是未來的主流做法和發(fā)展趨勢。文獻[26]針對泰安—青島—威海天然氣管道進行三軸高清漏磁內(nèi)檢測，共獲取內(nèi)部和外部金屬損失110 222處，采用修正的ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》和Kastner（卡斯特納）評價方法計算了管道剩余強度和剩余壽命，定義ERF（預估維修比），在評價壓力3.9 MPa下，有18處金屬損失需要在5年內(nèi)計劃維修。

3 結(jié)論

當前，分析管道腐蝕趨勢，研究管道剩余壽命，制定科學、合理的管道檢測及維修計劃，已成為管道管理者的重要職責和基本要求。管道管理者應以管道安全、可靠、高效為目標，延長管道使用壽命應掌握和遵循以下原則：

（1）在管道設計階段，應考慮影響管道剩余壽命因素，包括腐蝕速率、缺陷深度、管道壁厚和運行壓力等。在管道運行階段，應考慮缺陷深度在腐蝕缺陷形成初期，對管道可靠性影響較大；隨著運行年限增加，腐蝕速率成為主導因素。

（2）在預測管道剩余壽命方法選擇方面，如考慮精度要求，則基于腐蝕機理的預測法較為保守，ANSYS有限元法可模擬較復雜腐蝕缺陷情形，精度相對較高；如新建管道或檢測數(shù)據(jù)齊全，可采用基于可靠性和概率統(tǒng)計的預測方法；如數(shù)據(jù)有限或者為海底、集輸管道，可采用灰色分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等數(shù)學分析方法。同時，應系統(tǒng)總結(jié)管道剩余壽命預測方法的使用條件，制定含腐蝕缺陷管道剩余壽命預測方法選擇標準。

（3）在管道運行管理過程中，為提高預測精度，應盡可能全面收集管道現(xiàn)場檢測和試驗數(shù)據(jù)，建立完善的管道檢測數(shù)據(jù)庫，為管道完整性管理提供基礎數(shù)據(jù)支持。

（4）管道剩余壽命預測未來的研究重點應是深入研究管道腐蝕機理，準確計算管道腐蝕速率；目前研究主要針對腐蝕缺陷的管道剩余壽命開展，隨著管道運行環(huán)境復雜多變，應研究防腐層老化（多腐蝕坑）、氫致開裂、應力集中、裂紋凹陷損失等因素與腐蝕缺陷的相互作用及影響。

（5）管道壽命預測設計的計算公式和數(shù)學分析較復雜，建議研制管道剩余壽命預測應用軟件，方便現(xiàn)場技術(shù)人員使用。