油氣長輸管道剩余壽命評價方法綜述

陸瀟，郭文鑫，牛志勇，張磊，劉海龍，黨麗

（1. 中國石油長慶油田分公司第十一采油廠，陜西 西安，710016）

（2. 中國石油大學(xué)（北京）安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249）

（3. 中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000）

（4. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

（5. 國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000）

（6. 中國石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院地面工程設(shè)計所，新疆 哈密839009）

由于腐蝕影響和服役時間增加，管道壁厚減小、結(jié)構(gòu)強度降低，管道泄漏風(fēng)險增大，易造成管道破裂事故。國標GB 32167-2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》要求管道企業(yè)開展管道剩余壽命評估工作。掌握管道腐蝕情況和承壓能力，可為管道檢測維護維修提供科學(xué)依據(jù)，降低管道事故概率。闡述了國際應(yīng)用的管道剩余壽命預(yù)測模型適用范圍及條件，評價了管道剩余壽命預(yù)測模型的精度和差異，對于提高我國管道安全管理水平具有重要意義。

1 管道剩余壽命預(yù)測現(xiàn)狀

國外較早開展管道疲勞失效和剩余強度研究，已形成含缺陷管道完整性評價標準ASME B31G、BS7910、DNV-RP-F101和SY/T 6477。由于土壤環(huán)境各向異性、管材制造和防腐層產(chǎn)品性能差異，管道服役期間腐蝕特性變化趨勢及規(guī)律難以確定，管道剩余壽命預(yù)測具有隨機無序性，還未制定行業(yè)認可的技術(shù)標準。管道剩余壽命預(yù)測包括電化學(xué)理論、剩余強度、可靠性理論和數(shù)學(xué)物理方法。研究路線是根據(jù)管道腐蝕速率建立剩余壽命預(yù)測模型。管道腐蝕機理涉及管材、環(huán)境和力學(xué)，影響因素存在關(guān)聯(lián)和模糊性，室內(nèi)試驗和現(xiàn)場掛片試驗與實際土壤環(huán)境存在差異，試驗時間長。管道剩余壽命預(yù)測研究重點是提升精度和可信度，包括定量表征管道運行腐蝕發(fā)展規(guī)律，研發(fā)新型高精度管道檢測技術(shù)，規(guī)范系統(tǒng)收集管道檢測數(shù)據(jù)，數(shù)學(xué)分析方法軟件化等。

2 電化學(xué)理論預(yù)測法

根據(jù)長輸管道電化學(xué)腐蝕理論，只考察管道外腐蝕情形及影響因素，將管道外腐蝕缺陷形狀和演變規(guī)律簡化處理?，F(xiàn)實埋地管道大規(guī)模均勻腐蝕較少發(fā)生，主要形式是局部腐蝕和點蝕。該技術(shù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)獲取簡單，特別是基于一次檢測數(shù)據(jù)的預(yù)測模型應(yīng)用方便，適用條件是檢測發(fā)現(xiàn)管道發(fā)生均勻腐蝕。

3 外腐蝕直接評價預(yù)測法

美國腐蝕工程師協(xié)會標準NACE RP0502-2010《管道外腐蝕直接評價技術(shù)ECDA》規(guī)定按照管道操作壓力、壁厚值和腐蝕速率預(yù)測剩余壽命的半理論-經(jīng)驗公式。管道外腐蝕直接評價預(yù)測法假設(shè)腐蝕速率相同，通常管道腐蝕速率隨時間降低，計算結(jié)果較保守。

式中R管道剩余壽命，a；C校正系數(shù)，一般取0.85；t管壁厚度，mm；G腐蝕速率，mm/a；S安全余量，（失效壓力-最大允許運行壓力）/管材屈服強度。

4 管道外壁點蝕泄漏預(yù)測模型

受土壤環(huán)境影響，管道防腐層如失效，失效處先發(fā)生局部均勻腐蝕，隨后是點蝕導(dǎo)致管道穿孔泄漏。美國CERL協(xié)會研究基于腐蝕狀態(tài)指數(shù)（Corrosion Status Index，CSI）的管道外壁點蝕泄漏壽命模型。該技術(shù)應(yīng)用于點蝕嚴重管道，且檢測技術(shù)齊全，可計算較準確的平均腐蝕深度，如平均腐蝕深度測量值無法獲取，可采用統(tǒng)計方法。

式中T管道剩余壽命，a；Age管道從竣工值日起運行年數(shù)，a；d平均點蝕深度，mm；b壁厚值，mm；ΔT獲取管道檢測數(shù)據(jù)之時到當(dāng)前的時間，a。

5 基于管道剩余強度預(yù)測模型

國外管道行業(yè)針對含腐蝕缺陷管道剩余強度和承壓能力研究較成熟，國際公認依據(jù)是美國標準ASME B31G-2012《確定發(fā)生腐蝕管道剩余強度》，理論基礎(chǔ)是基于斷裂力學(xué)的NG-18表明缺陷公式，收集大量管道失效試驗數(shù)據(jù)，可用于評價低鋼級、超期服役管道的單一型缺陷。文獻[1]分析原油管道沿線內(nèi)壓分布特性，結(jié)合修正的ASME B31G標準管道失效壓力，得到極限腐蝕缺陷尺寸。按照前述電化學(xué)均勻腐蝕速率預(yù)測管道剩余壽命。以某原油管道深度2.5mm、直徑2.5mm的點腐蝕為例，剩余壽命為0.99年，實際管道自檢測至發(fā)生泄漏間隔0.9年，偏差為8.81%。鑒于ASME B31G標準未分析管道腐蝕累積影響效應(yīng)，文獻[2]根據(jù)Shell-92失效壓力模型，提出疊加密度函數(shù)（CDF）作為管道失效概率因子，采用蒙特卡洛方法計算管道剩余壽命并進行參數(shù)敏感性分析，計算示例是管徑400mm，如果最大腐蝕深度由2mm發(fā)展至4mm，得出管道剩余壽命減少8年。

6 基于可靠性預(yù)測方法

考慮母材材質(zhì)、缺陷形狀以及腐蝕速率不可預(yù)見因素的影響，腐蝕管道運行狀態(tài)存在目標可靠度和相應(yīng)失效概率。該方法認為輸油管道最大腐蝕深度符合I型極大值分布，以API 579標準推薦的目標可靠度為依據(jù)，需要全面齊全的數(shù)據(jù)參數(shù)才能實現(xiàn)較高預(yù)測精度。文獻[3]按照可靠性準則推導(dǎo)了管道失效狀態(tài)公式；收集管道缺陷檢測數(shù)據(jù)得到腐蝕速率概率分布規(guī)律，根據(jù)地區(qū)等級、環(huán)境風(fēng)險設(shè)置管段目標可靠度和失效可接受概率，建立管道腐蝕可靠度壽命預(yù)測技術(shù)。以塔里木油田不同區(qū)域集輸管網(wǎng)為例，得到在一級、二級/三級和四級地區(qū)集輸管道剩余壽命分別是8.8年、7.4年和6.1年，為制定油田管網(wǎng)檢測計劃提供了參考。

7 基于概率統(tǒng)計預(yù)測方法

基于極大值統(tǒng)計原理預(yù)測方法指出管道剩余壽命取決于最大腐蝕坑深，最大腐蝕坑深分布規(guī)律是Gumbel型極值分布。該方法統(tǒng)計分析大量管道腐蝕檢測參數(shù)數(shù)據(jù)，缺點是整體評價管道系統(tǒng)狀況，不能計算特定管段剩余壽命。文獻[4]建立了Gumbel型極值分布和廣義極值分布的腐蝕管道剩余壽命預(yù)測模型，模型中各向異性隨機變量包括腐蝕速率、腐蝕坑深、壁厚和操作壓力等，結(jié)論是基于廣義極值分析預(yù)測模型精度較高，在腐蝕缺陷產(chǎn)生初期，腐蝕坑深對管道安全性影響顯著，隨著運行時間延長，腐蝕速率變化成為管道安全性主導(dǎo)因素。

8 有限元法

隨著無損檢測技術(shù)發(fā)展和管道工程案例積累，研究者普遍認為根據(jù)經(jīng)典電化學(xué)理論的管道安全性評價技術(shù)過于保守，應(yīng)借助計算效率高效、可模擬復(fù)雜形狀的數(shù)值分析方法。文獻[5] 以X52原油管道為例，采用有限元軟件對含外腐蝕缺陷管道進行模擬，計算管道在不同面腐蝕缺陷參數(shù)下的等效應(yīng)力值，結(jié)論是有限元法精度高于電化學(xué)理論法和外腐蝕直接評價法，得到腐蝕深度1.8-5.0mm、腐蝕長度200-500mm范圍內(nèi)管段剩余強度和使用壽命。

9 灰色分析法

海底管道很難保證齊全的數(shù)據(jù)樣本，灰色系統(tǒng)典型特征是致因因素不完全掌握、數(shù)據(jù)隨機分布無規(guī)律，此類問題應(yīng)用概率統(tǒng)計方法效果很差。灰色分析是處理欠缺信息、缺少數(shù)據(jù)的隨機問題的可選方法。文獻[6]以ASME B31G準則提出海底管道發(fā)生局部腐蝕和均勻腐蝕的承壓極限值，利用灰色GM（1,1）模型驗證腐蝕預(yù)測值與2004年至2008年檢測數(shù)據(jù)的一致性，預(yù)測2008年至2014年失效壓力值，與承壓極限值對比判斷是否進行維修檢測。

10 基于檢測技術(shù)預(yù)測方法

基于電法外腐蝕檢測、內(nèi)檢測以及結(jié)合現(xiàn)場開挖檢測技術(shù)是掌握管道腐蝕狀況可靠方法，通過多次檢測可準確確定腐蝕速率和管壁剩余厚度發(fā)展趨勢。隨著新建管道建設(shè)投運以及完整性管理步入正軌，獲取全面管道檢測數(shù)據(jù)已成為通行做法。此外，基于全面檢測數(shù)據(jù)也是應(yīng)用概率統(tǒng)計和極值分析方法的基本條件。

11 結(jié)論

隨著國家對長輸管道安全監(jiān)管和懲罰措施完善加強，掌握管道腐蝕狀況，分析管道使用壽命是管道企業(yè)的重要職責(zé)，開展管道壽命評估應(yīng)遵循以下原則：從準確性和可信度方面，電化學(xué)理論法較保守，ANSYS有限元法較準確；新建管道檢測數(shù)據(jù)全面，可獲得較準確的腐蝕速率，并結(jié)合基于可靠性和概率統(tǒng)計預(yù)測方法進行輔助分析；超期服役老管道數(shù)據(jù)少，可采用灰色分析方法。長輸管道剩余壽命預(yù)測核心是定量表征腐蝕機理，確定客觀、實際的腐蝕速率，由于管道敷設(shè)環(huán)境、運行條件復(fù)雜多變，未來研究重點應(yīng)集中于多腐蝕坑互相影響以及裂紋、凹陷、應(yīng)力集中與腐蝕缺陷的相互影響。