含局部減薄缺陷X80長輸管線的安全評定

李思嘉，王 杰

（中國石油大學（北京） 機械與儲運工程學院，北京 102249）

我國石油天然氣管道建設規模逐漸加大，管線的斷裂事故時有發生，長輸管線的安全評定工作越來越受到重視。隨著油氣長輸管線使用年限的增加，受環境的影響，管道腐蝕現象日益嚴重。腐蝕缺陷可分為：均勻腐蝕、局部腐蝕以及點腐蝕三種。其中，局部腐蝕會導致管道壁厚減薄，局部減薄缺陷是導致管道失效的主要形式之一。隨著西氣東輸二線工程的開展，X80鋼管得到大量使用。在西氣東輸二線工程中，主干線全部采用X80鋼管。X80鋼管的大量使用，促使國內形成了年產量150萬t X80鋼管的產能，年產值達到150億元人民幣[1]。工業發達國家普遍將X80列為21世紀天然氣輸送管線的首選鋼級[2]。所以準確地評價含局部減薄缺陷X80長輸管線的剩余強度具有很大的社會及經濟效益。

國際上對含局部減薄缺陷管道的評價方法有很多，主要有美國ASME B31G[3]、API 579[4]、挪威的DNV RP F101[5]等，但是 ASME B31G、DNV RP F101等評價準則的材料適用范圍為X80級以下的壓力管道，對X80以上的鋼級并不適用。API579-2007則有著完整的評價體系,評價過程更為詳盡、方便，可以對含局部減薄缺陷管線的軸向和環向剩余強度進行評價，在二級評價中可以將壁厚斷面缺陷分為若干小段，比一級評價更為準確的計算管道剩余強度。

1 含局部減薄缺陷評價流程

在 API579標準體系中，評價分為三個等級，隨著評價等級的提高，所需要的數據越多，評價結果更為精確。一般而言，在獲得評價所需數據后，先進行一級評價，通過一級評價則可繼續服役，否則進行二級評價。通過二級評價則可繼續服役，否則進行三級評價。三級評價不通過，就要對管道進行維修、更換或者退役。API579準則含局部減薄缺陷的設備，同樣分為三級。含局部減薄缺陷流程如圖1所示。

圖1 局部減薄缺陷評價流程圖Fig. 1 Assessment Procedure to Evaluate a Pipe with Local Thin Defect

2 含局部減薄缺陷X80長輸管線評價

根據API579標準評價含有局部減薄缺陷的管道。某段X80級長輸管線，根據評價需求，應獲得參數如下：管道內徑D為1 182.2 mm，管道名義壁厚tnom為18.4 mm，均勻金屬損失LOSS為0 mm , 腐蝕余量FCA為0 mm，材料屈服強度δs為555 MPa ,設計系數為0.72，焊縫系數E為0. 9，軸向焊縫系數EL為0.9，環向焊縫系數Ec為0.9，許用剩余強度系數RSFa為0.9，缺陷與最近不連接處距離Lmsd為1 000 mm。根據臨界壁厚斷面圖，獲得缺陷軸向長度s為200 mm，環向長度c為80 mm。軸向臨界壁厚斷面圖如圖2、表1，確定測量最小壁厚tmm=9.6 mm。

圖2 軸向臨界壁厚斷面圖Fig. 2 Critical Thickness Profile (CTP) - Longitudinal Plane

表1 檢查點位置壁厚Table 1 Thickness of Checking Point

2.1 含局部減薄缺陷一級評價

根據獲得的數據進行含局部減薄缺陷的一級評級。

1）計算遠離局部減薄缺陷的壁厚tc。

將參數代入，得tc=18.4 mm。

2）計算剩余厚度比Rt，軸向缺陷長度系數l，環向缺陷長度系數cl。

將參數代入，得Rt= 0.522，l=1.743，cl=0.697。

3）校核缺陷尺寸。如果滿足下列要求，則繼續一級評價；若不滿足，則按一級、二級評價，此缺陷均不可接受。

將參數代入，條件均得到滿足。

4）計算剩余強度系數RSF。先計算 Folias 因子Mt，再求出剩余強度系數RSF。

將參數代入，得Mt=1.5，RSF=0.766。

5）校核缺陷尺寸。如果滿足下列要求，則繼續一級評價；若不滿足，則按一級評價，此缺陷不可接受，進入二級評價。

將參數代入，條件均得到滿足。

6）計算拉伸強度系數TSF。

將參數代入，TSF=0.825。

7）判斷缺陷環向尺寸是否滿足評價。根據計算得到的TSF，選擇公式如下的曲線，以評價中獲得的剩余厚度比Rt為橫坐標，環向缺陷長度系數cl為縱坐標形成坐標點帶入曲線計算，若位于曲線上方，則判斷缺陷環向尺寸安全。若位于曲線下方，則缺陷環向尺寸不安全，一級評價結束，進入二級評價。

將參數代入，坐標位于曲線上方，缺陷環向尺寸滿足評價。

8）計算管道最大運行壓力MAWP。先求出滿足環向要求的最大運行壓力 MAWPC和滿足環向要求的最大運行壓力 MAWPL的值，選擇他們中較小的一個作為管道最大運行壓力。S為許用應力，材料屈服強度ss乘以設計系數0.72，為399.6 MPa。

將參數代入，得 MAWPC= 10.99 MPa，MAWPL=22.67 MPa， MAWP=min(MAWPC,MAWPL)= 10.99 MPa。

9）判斷管道能否在最大運行壓力MAWP下運行，若不能計算在該缺陷下的最大安全工作壓力MAWPr。以評價中獲得的剩余厚度比Rt為縱坐標，l為橫坐標形成坐標點，帶入下式所表示的曲線計算，若位于曲線上方，則可以最大運行壓力下運行。若位于曲線下方，但是剩余強度系數RSF大于許用剩余強度系數RSFa，仍然可以在最大運行壓力MAWP下運行。

將參數代入，坐標位于曲線下方，而且根據前面計算出的 RSFa，故管道無法在最大運行壓力MAWP下運行。計算在該缺陷下的最大安全工作壓力 MAWPr。

將參數帶入，得到該缺陷下的最大安全工作壓力MAWPr=9.354 MPa。

2.2 含局部減薄缺陷二級評價

二級評價可以得到比一級評價更加準確的結果。含局部減薄缺陷二級級評價步驟1) ～ 3)、5）～9）與一級評價相同。在二級評價中，步驟4）將壁厚斷面缺陷分為若干小段，分別計算剩余強度系數，可以比一級評價更為準確的計算管道剩余強度，得到更為準確的最大安全工作壓力 MAWPr。

圖3 壁厚斷面分段示意圖Fig.3 Subdivision Process for Determining the RSF

1）計算遠離局部減薄缺陷的壁厚tc，得tc= 18.4 mm。

2）計算剩余厚度比Rt，軸向缺陷長度系數l，環向缺陷長度系數cl。經計算得Rt= 0.522，l=1.743，cl=0.697。

3）校核缺陷尺寸，滿足要求。

4）計算剩余強度系數RSF。首先按照金屬損失大小按升序排列壁厚值。把評價的起始點設置在最大金屬損失的位置上，即點壁厚讀數最小處，依次計算。在當前評價的起點處，把壁厚斷面分為一系列的子段，如圖 3。對每個評價點，用下列方程計算每個子段的剩余強度系數 RSFi，其中 si為每子段的長度，為每子段的起點位置，為每子段的終點位置，λi為每個子段的軸向缺陷長度系數，為每個子段的 Folias 因子，為每子段的原始面積，為每子段的金屬損失面積。剩余強度系數RSF是所有子組剩余強度系數 RSFi中的最小值。表2是以點壁厚讀數最小處點6為起點，將管道壁厚斷面圖平均劃分為10段，進行評價所得到數據，以其它點為起點的同理可得。通過計算確定最小的剩余強度系數為0.9，故RSF=0.9。

表2 剩余強度系數計算Table 2 The Calculation of Remaining Strength Factor

5）校核缺陷尺寸，得到滿足。

6）計算拉伸強度系數TSF，得TSF=0.969。

7）判斷缺陷環向尺寸是否滿足，帶入參數，得到滿足。

8）計算管道最大運行壓力MAWP，得MAWP=10.99 MPa。

9）判斷管道能否在最大運行壓力MAWP下運行，若不能計算在該缺陷下的最大安全工作壓力MAWPr。根據計算，得RSF=0.9， RSF= RSFa，所以可以在最大運行壓力10.99 MPa下安全運行，二級評價得到滿足，評價結束。二級評價得到了比一級評價更為準確的最大安全運行壓力，與二級評價相比，一級評價較為保守。

2.3 含局部減薄缺陷三級評價

隨著評價的逐漸深入,如果不滿足一級和二級評價準則的含局部減薄缺陷管道，則應使用三級評價方法或者退役、更換、維修。三級評價是最高水平和最復雜的評價，需要更加詳盡的壁厚數據、幾何詳圖、材料性質以及在此區域附近的附加載荷，是最高水平的評價，整個過程完全建立在定量分析的基礎上，沒有固定成熟的方法，可以采用應力分析，運用有限元建模等方法，確定結構連續服役適應性。

3 評價軟件開發

通過實例計算，發現進行對含局部減薄缺陷管線的安全評定需要大量計算量，存在一定難度。為了解決這一問題，根據本文優化的 API579標準含局部減薄缺陷管道剩余強度的評價方法，開發了含局部減薄缺陷管道安全評價軟件。

評價軟件采用Visual Studio 2010開發平臺，C#編程語言，實現了含局部減薄缺陷管道的安全評價，可以準確計算出管道的最大安全運行壓力，界面友好，易于操作，功能全面。在二級評價模塊中，可以根據需要任意添加點壁厚讀數個數，自動判別最小剩余強度系數，可以實現更精確的評價。該軟件大大減少了安全評定過程中計算的工作量，提高了長輸管線的安全評定工作效率，降低了評定的難度。圖4為結合本文算例進行計算時的界面，結果準確，方便易用。

圖4 含局部減薄缺陷管線的安全評定軟件界面Fig.4 Program Interface for the Assessment of Pipeline with Local Thin Defect

4 結 語

本文研究了API579-2007標準含局部減薄缺陷管道剩余強度的評價方法，針對長輸管線，對評價流程進行了優化。選擇X80長輸管線為研究對象，完成了對含局部減薄缺陷管線的安全評定，得到了給定局部減薄缺陷下管道最大運行壓力，二級評價比一級評價更為精確，證明了 API579標準評價含局部減薄缺陷管道的剩余強度的合理性。開發出含局部減薄缺陷的長輸管線安全評定軟件，該軟件大大減少了安全評定過程中計算的工作量，提高了長輸管線的安全評定工作效率，降低了評定的難度，進而使在役長輸管道安全運行與管理水平得到進一步的改善和提高。

［1］王澤恒,等. 基于BS 7910標準含埋藏裂紋缺陷X80長輸管線的二級安全評定 [J].焊管,2013 (04) ：61-65.

［2］DOLGIAS G S.高溫軋制工藝（HTP）在高強度油氣輸送管線鋼生產中的應用[J].南鋼技術與管理，2006（3）：58-62.

［3］ASME B31G-2009,Manual for determining the remaining strength of corroded pipe lines[S]. American Society of Mechanical Engineers,2009.

［4］The American Society of Mechanical Engineers. API579-1 /ASME FFS-1-2007 fitness-for-service second edition [S]. Washington DC:API，2007.

［5］DNV RP F101-2004,Recommended practice for corroded Pipelines [S].Norway, 2004.