優(yōu)化腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)方法在油氣長(zhǎng)輸管道中的應(yīng)用

路 焰，文 學(xué)

（中國(guó)石化阿爾及利亞管道項(xiàng)目管理部，江蘇揚(yáng)州 225009）

優(yōu)化腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)方法在油氣長(zhǎng)輸管道中的應(yīng)用

路 焰，文 學(xué)

（中國(guó)石化阿爾及利亞管道項(xiàng)目管理部，江蘇揚(yáng)州 225009）

文章對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)方法的研究意義和現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，概述了腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)的幾種常用模型，著重介紹了基于剩余強(qiáng)度理論的腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)模型的建立過(guò)程。文章最后結(jié)合某廠的工程實(shí)例，闡述了腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)方法在實(shí)際中的應(yīng)用。

長(zhǎng)輸管道；剩余壽命；腐蝕缺陷；評(píng)價(jià)方法

0 引言

隨著油氣長(zhǎng)輸管道數(shù)量的增加和使用年限的增長(zhǎng)，管道的設(shè)計(jì)、制造、施工質(zhì)量和運(yùn)行管理中的一些問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，常常發(fā)生管道泄漏等事故。根據(jù)美國(guó)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)資料顯示，在長(zhǎng)輸管道失效原因中管道的腐蝕占43.6%[1]。因此，必須采用有效的腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)方法對(duì)管道進(jìn)行評(píng)價(jià)，這樣不僅可以確定檢測(cè)、維護(hù)和更換管道的周期，減少維修成本和過(guò)早更換管道的巨額費(fèi)用，而且還能避免惡性管道爆裂事故的發(fā)生，減少安全事故等。在油氣長(zhǎng)輸管道中，研究出一套可靠適用的腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)方法勢(shì)在必行。

1 腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)方法的研究意義和研究現(xiàn)狀

管道中腐蝕缺陷的存在會(huì)降低管道的強(qiáng)度，對(duì)管道的安全運(yùn)行產(chǎn)生巨大的隱患。出于對(duì)財(cái)力、物力、人力的考慮，不可能隨時(shí)對(duì)管道進(jìn)行維護(hù)，也不可能對(duì)有缺陷的管道都進(jìn)行更換和返修，因此就必須具有一套長(zhǎng)輸管道腐蝕剩余壽命的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[2]。油氣管道的腐蝕剩余壽命就是指管道在運(yùn)行一段時(shí)間后直到達(dá)到其設(shè)計(jì)臨界狀態(tài)之時(shí)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，它是管道安全評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。剩余壽命評(píng)價(jià)方法就是通過(guò)一套有效的計(jì)算、預(yù)測(cè)準(zhǔn)則確定管道的檢測(cè)、維修周期，找到管道安全運(yùn)營(yíng)與經(jīng)濟(jì)效益的最佳結(jié)合點(diǎn)。由于長(zhǎng)輸管道所處環(huán)境復(fù)雜，引起腐蝕的因素眾多，并且每一種因素之間會(huì)相互影響、相互作用，不斷給管道腐蝕帶來(lái)嚴(yán)重的影響，給安全運(yùn)行帶來(lái)極大的不確定性和危險(xiǎn)性。為了充分發(fā)揮管道的輸送能力，延長(zhǎng)管道經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的年限，就必須提高對(duì)管道事故和隱患區(qū)段的預(yù)測(cè)能力和監(jiān)測(cè)能力，就需要對(duì)管道的剩余壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)。尋求一種合理的腐蝕預(yù)測(cè)方案、腐蝕剩余壽命預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法和有效控制腐蝕的措施，對(duì)長(zhǎng)輸管道的安全運(yùn)行和維修實(shí)施動(dòng)態(tài)管理，施行預(yù)知性維護(hù)和更換，最大限度地減少腐蝕性穿孔泄漏和由此產(chǎn)生的資源及經(jīng)濟(jì)損失具有極其重大的意義。

由于影響腐蝕的因素非常復(fù)雜，因此在國(guó)內(nèi)外對(duì)于腐蝕剩余壽命的預(yù)測(cè)都還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前的主要研究思路就是通過(guò)大量管道的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析得到長(zhǎng)輸管道腐蝕速率的分布結(jié)果，或者通過(guò)大量管道外掛片腐蝕數(shù)據(jù)，獲得腐蝕速率的計(jì)算公式，并沿用到整個(gè)長(zhǎng)輸管道。根據(jù)獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的腐蝕類型、不同的腐蝕環(huán)境，建立起腐蝕速率、腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)模型和專家系統(tǒng)，并在較單純性均勻腐蝕下的剩余壽命評(píng)價(jià)或綜合復(fù)雜腐蝕環(huán)境下的長(zhǎng)輸管道剩余壽命評(píng)價(jià)中得到了逐步的應(yīng)用。由于國(guó)際上的日益關(guān)注，該領(lǐng)域的發(fā)展也取得了一系列的成就。新西蘭的Donal Krouse、Nick laycock，英國(guó)的P.J.Laycock、R.A.Cottis等采用極值分布的方法，建立了石油管道和熱交換器最大局部腐蝕進(jìn)展深度與時(shí)間關(guān)系的計(jì)算公式，并建立了壽命預(yù)測(cè)模型。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)腐蝕管道的剩余壽命進(jìn)行了分析，利用概率統(tǒng)計(jì)方法建立了石油化工裝置材料腐蝕壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)[3]。

2 油氣管道腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)模型的研究

油氣長(zhǎng)輸管道腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)的方法很多，大致可以分為基于管壁厚度的剩余壽命評(píng)價(jià)和基于剩余強(qiáng)度的腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)兩大類，根據(jù)實(shí)際情況又衍生出了根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性的腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)原則和基于可靠性的管道腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)原則。在此，主要探討基于剩余強(qiáng)度理論的腐蝕剩余壽命分級(jí)評(píng)價(jià)方法。

基于剩余強(qiáng)度的剩余壽命評(píng)價(jià)，是建立在剩余強(qiáng)度的基礎(chǔ)之上的，因此在進(jìn)行剩余壽命評(píng)價(jià)之前必須確定該管道剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)是否適用。一般的評(píng)價(jià)步驟如下[4]：

（1）根據(jù)管道的公稱壁厚t0確定管道的金屬損失 tloss（mm）。

式中t——最近一次測(cè)得的壁厚/mm。（2）確定有效的腐蝕裕量CAe（mm）。

式中R——缺陷腐蝕速率；

Time——未來(lái)的服役時(shí)間/年。

因此可以計(jì)算在未來(lái)的時(shí)間Time時(shí)刻，管道的預(yù)計(jì)壁厚tc就應(yīng)該為：

（3）根據(jù)管道運(yùn)行最大壓力 （MAWP）與時(shí)間的關(guān)系曲線，確定構(gòu)件的剩余壽命Tr。

在未來(lái)的某一個(gè)時(shí)刻Time，軸向最大壓力：

式中SEW——管材的最小屈服強(qiáng)度/MPa；

tc——未來(lái)某時(shí)刻管道的預(yù)計(jì)壁厚/mm；

F——由于管道連續(xù)載荷產(chǎn)生的軸向力/N；

M——由于管道連續(xù)載荷產(chǎn)生的平面內(nèi)彎矩/kN·m；

Dm——管道的公稱直徑/mm；

β——泊桑系數(shù)；

Do——管道外徑/mm。

因此，管道的最大允許操作壓力：

根據(jù)MAWP與Time的函數(shù)關(guān)系繪出MAWP與時(shí)間Time的關(guān)系曲線，找到MAWP曲線與設(shè)計(jì)的MAWP曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Time，則該Time就是管道的剩余壽命Tr。

（4）根據(jù)每根管道的實(shí)際情況，重復(fù)進(jìn)行如上步驟 （1）、 （2）、 （3），然后取計(jì)算出來(lái)的管道壽命中最小的那個(gè)值作為管道的剩余壽命。

3 腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

某廠區(qū)不同站點(diǎn)的長(zhǎng)輸集油管道 （D250mm×6（7）mm）已經(jīng)運(yùn)行了16年左右，管道外徑為250mm，管道壁厚取較小值6 mm，管道的設(shè)計(jì)工作壓力為1.6 MPa。由于管道的工作環(huán)境惡劣，環(huán)境因素變化比較大，腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，目前對(duì)部分管道進(jìn)行腐蝕數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，腐蝕深度最大已經(jīng)達(dá)到了4.35mm。

（1）局部腐蝕區(qū)域環(huán)向測(cè)試間距為20 mm，軸向測(cè)試間距為15 mm，獲取了局部腐蝕區(qū)域腐蝕缺陷的深度數(shù)據(jù)。由于腐蝕數(shù)據(jù)服從極值分布F（x），通過(guò)從廠區(qū)長(zhǎng)輸管道獲得的腐蝕深度數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法及Matlab計(jì)算最大腐蝕深度的Gumbel概率，得到最大腐蝕深度與Gumbel概率的關(guān)系曲線如圖1所示：

由直線擬合公式y(tǒng)=0.169x+0.253，可以估算出輸油管道的最大腐蝕缺陷深度為4.42 mm。

（2）臨界腐蝕深度的計(jì)算。

根據(jù)管道尺寸D 250 mm×6（7）mm，取外徑D=250 mm，管道壁厚A取較小值6 mm，屈服強(qiáng)度 （δys） 取最小值 290 MPa， 管道極限壓力 P取1.6 MPa。不考慮地域問(wèn)題，按照100%的屈服強(qiáng)度計(jì)算，安全系數(shù)取1.1，可得到最小允許壁厚為：

因此，極限腐蝕深度為：ΔA=A-Amin=6-0.759=5.241 mm。

（3）腐蝕剩余壽命的預(yù)測(cè) （見(jiàn)圖2）。

根據(jù)對(duì)各種腐蝕情況的數(shù)據(jù)分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，得到局部最大腐蝕深度發(fā)展速度與tc成正比的關(guān)系：

式中t——腐蝕進(jìn)展時(shí)間；

x——t時(shí)刻測(cè)得的最大已腐蝕壁厚值；

k——系數(shù)；

c——時(shí)間常數(shù)，由腐蝕體系等因素決定，一般采用比較保守的計(jì)算值，取0.5。

則本例中最大局部腐蝕進(jìn)展深度與時(shí)間的關(guān)系可用下式表示：

由于該長(zhǎng)輸管道已經(jīng)運(yùn)行了16年，而防腐層有效保護(hù)壽命為5年左右，現(xiàn)在的最大腐蝕深度統(tǒng)計(jì)為4.42 mm。因此可得k=1.33。腐蝕剩余壽命預(yù)測(cè)見(jiàn)圖2。

估算管道使用壽命的公式為：

式中tf——管道的使用壽命；

ΔA——極限腐蝕深度；

t——測(cè)量時(shí)已使用的時(shí)間。計(jì)算得到tf為15.6年，則可估算該類油氣長(zhǎng)輸管道的可服役年限為15年左右。鑒于該廠的管道已經(jīng)服役了16年，加上防護(hù)層的作用，可算得該輸油管道的腐蝕剩余壽命為：

即下次檢修該輸油管道將在4年以后進(jìn)行。

［1］王剛.腐蝕管道剩余壽命預(yù)測(cè)[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2010.

［2］蘇欣，楊君，袁宗明，等.腐蝕管道的可靠性評(píng)價(jià)[J].石油工程建設(shè)，2005，（6）：9-12.

［3］翟云皓.石油集輸管道腐蝕剩余壽命預(yù)測(cè)方法研究 [D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［4］盧曉剛.油氣長(zhǎng)輸管道腐蝕剩余壽命評(píng)價(jià)研究[D].成都：西南石油學(xué)院，2005.

Application of Optimized Corrosion Residual Life Evaluation Method in Long-distance Oil and Gas Pipelines

LU Yan（SINOPEC Algeria Pipeline Department,Yangzhou 225009， China）,WEN Xue

This paper analyzes the research significance and status of corrosion residual life evaluation methods of long-distance oil and gas pipelines,outlines several evaluation methods in common use,stressing on the forming course of the corrosion residual life evaluation model based on the residual strength theory.And finally it describes the application of the corrosion residual life evaluation method with an engineering example of a certain factory.

long-distance pipeline;residual life;corrosion defect;evaluation method

TE980.2

B

1001－2206（2011）06－0030－03

路 焰 （1962-），男，江蘇宜興人，高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于西南石油學(xué)院油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)從事國(guó)際EPC地面工程項(xiàng)目管理工作。

2011-05-19