輸油管道腐蝕剩余壽命的預測

摘 要：針對Φ273mm×6（7）mm輸油管道建成時間不長，管道腐蝕卻很嚴重，腐蝕發展速率非常高的情況，利用此管道歷年來的近千個腐蝕大修缺陷尺寸數據，統計出管線的腐蝕速率分布，建立了腐蝕速率概率分布的模型，并對模型進行了驗證，發現腐蝕速率服從正態分布N（0.3968，0.1412）。利用腐蝕剩余強度評價確定的極限缺陷尺寸數據，在可靠性理論的基礎上對Φ273mm×6（7）mm輸油管道的腐蝕剩余壽命進行了預測，發現在低、中風險地段，管道使用5～6年后，需要檢測和維修；在高風險地段，管道使用4～5年就需要檢測和維修。建議應對此輸油管道加強防腐，嚴把防腐質量關。

關鍵詞：輸油管道；腐蝕；預測；

中圖分類號：TE832 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-09-00-02

前言

輸油管道（Φ273mm×6（7）mm）于1988年8月開始建設，1989年9月一期工程建成投產，二期工程于1990年11月全部投入使用。管線采用鋼級為X52的直縫鋼管，設計最大輸油量105×104t/a，最小輸油量55×104t/a，設計工作壓力6.28MPa，輸送介質溫度低于80℃，設計壽命20a。管線實際運行溫度為56℃，壓力為5.0～5.8MPa，輸油量為125～137m3/h。

此輸油管道雖然建成時間不長，但由于管線周圍環境惡劣，地形起伏多變，腐蝕現象十分嚴重。對管線大修挖開的部分管線進行統計，腐蝕的平均深度和最大深度分別為：1994年平均腐蝕深度為1.9mm，最深為3mm；1995年平均腐蝕深度為2.43mm，最深達5.0mm；1996年平均腐蝕深度為2.64mm，最深達4.0mm。1997年漏磁檢測結果表明，深度在3 0mm以上的腐蝕點就有213處，可見管線腐蝕情況非常嚴重，對此管線進行腐蝕剩余壽命預測已迫在眉睫。

一、腐蝕剩余壽命預測思路

油氣輸送管道腐蝕剩余壽命預測是管道安全評價的重要組成部分，它直接關系到管道檢測、維修和更換周期的確定。然而由于腐蝕剩余壽命預測工作中存在著許多不確定因素，包括環境、力學和材質狀況等因素，都難以取得準確結果，尤其是實際工況條件下的缺陷發展規律很難確定，造成腐蝕剩余壽命預測工作相對于剩余強度評價難度增大，從目前研究狀況來看也相對不成熟。例如在現行適用性評價標準CEGBR6[1]、PD6493[2]以及最新發布的AP1579草案[3]中，對壽命預測方法僅提供了簡單的指導性作法，實際使用中可操作性差。因此，腐蝕剩余壽命預測一直是困擾管道評價人員的一大難題，發展較慢。

筆者利用此管道歷年來近千個腐蝕大修缺陷尺寸數據（主要是腐蝕深度數據），統計出管線的腐蝕速率分布，并基于可靠性理論對Φ273mm×6（7）mm輸油管道的腐蝕剩余壽命進行了預測。預測思路如圖1所示。

二、腐蝕速率概率分布模型的建立

（一）腐蝕速率分布的統計。統計1994～1996年Φ273mm×6（7）mm輸油管道大修時的近千個腐蝕缺陷深度數據，并除以相應的管道服役時間，得到腐蝕速率數據，畫成圖2所示的直方圖。從圖2可看出Φ273mm×6（7）mm輸油管道缺陷的腐蝕速率位于0.3～0.5mm/a之間的最多，高于0.5mm/a和低于0.3mm/a的都逐漸減少。

（二）腐蝕速率概率分布模型的建立與驗證。從圖2可看出，Φ273mm×6（7）mm輸油管道的腐蝕速率分布大致為一種正態分布，因此要對分布類型先提出假設，然后利用概率論知識進行驗證。

（1）均值μ和方差σ2的計算 由極大似然估計法，可求出腐蝕速率為正態分布的均值μ和方差σ2，即

（2）腐蝕速率為正態分布的驗證腐蝕速率分布的驗證利用常用的χ2-檢驗法（非參數檢驗法的一種）。假設總體分布X～N（0.3968，0.0199），將頻數太小的區間并入相鄰的區間，共分成6個區間計算概率，所得結果見表1。

注：x為腐蝕速率；Ai為以腐蝕速率劃分的區間；ni為處于Ai中的腐蝕速率頻度（圖2所示）；pi為根據X～N（0.3968，0.0199）分布確定的處于Ai中的腐蝕速率概率；n=894（腐蝕速率統計的總個數）。

取顯著性水平α=0.05，查χ2-分布表，由費歇定理，知其自由度為6-2-1=3，χ2（3）=7.815，拒絕域應為[7.815，∞]，由于χ2的計算值為4.765，沒有落入拒絕域，因此在水平α=0.05下，腐蝕速率服從正態分布N（0.3968，0.1412）。

三、極限缺陷尺寸的確定

Φ273mm×6（7）mm輸油管道極限缺陷尺寸的計算利用API RP579[3]，取管道外徑D=273mm，管道壁厚t取較小值6mm，屈服強度（σs）取三個試樣的最小值394MPa，壓力取實際運行壓力的較高值5.8MPa，焊縫系數E取1.0[4]。為了簡化分析，計算時將對管道剩余強度不敏感的缺陷軸向和周向尺寸固定，對應于現場缺陷開挖的實際情況，將缺陷軸向和周向尺寸取為兩種情況，分別為400mm×300mm、1500mm×環向一周。由于不知道缺陷具體的厚度分布，為保守起見，假設為矩形分布。不考慮地區類別，按照100%屈服強度計算，所得極限缺陷尺寸（極限深度尺寸）的結果見表2。

四、腐蝕剩余壽命的預測

（一）可靠性壽命預測思路。隨著管線服役年限的增加，腐蝕缺陷逐漸長大。根據可靠性理論[5]，通過對腐蝕缺陷尺寸和腐蝕發展規律的統計，可以給出管道腐蝕失效的概率統計分布規律，其思路如圖3所示。其中圖3a對應的是時間1的失效概率Pf，其值很小，隨著時間的推移，發展到時間2，失效概率Pf為圖3b中的相交區域，可以看出，隨著時間越往后發展，失效概率Pf越大。若通過確定合適的可接受失效概率，就可對管道的剩余壽命預測，據此確定正確的管道檢測和維修周期。

（二）管道隨服役年限變化的失效概率分布。根據273mm×6（7）mm輸油管道腐蝕速率的概率分布和腐蝕缺陷的極限尺寸，按照圖3的思路，就可將管道的失效概率隨服役時間變化的規律繪制成如圖4所示的曲線。比較圖4a與圖4b，可發現兩圖具有某些共同點，即隨著管道服役年限的增加，管道的失效概率逐漸增加，而且都有一個從小到大快速增長的轉折點。因此，通過確定可接受的失效概率，根據圖4就可以估計管道的剩余壽命，從而確定合適的檢測周期和維修周期。另外，還可以看出即使缺陷的腐蝕區域變化較大，但是對使用年限相同的管道，失效概率卻幾乎沒有改變。

（三）腐蝕剩余壽命的預測。參照APIRP579的思路，將管道經過的不同地段劃分為低風險地段、中風險地段和高風險地段三種類型。這樣不同地段管道可接受的失效概率可取為不同數值，見表3。

根據表3和圖4，就可預測Φ273mm×6（7）mm輸油管道的腐蝕剩余壽命，從而確定出管道維修和檢測周期，結果見表4。

五、結論

（一）利用Φ273mm×6（7）mm輸油管道歷年來的腐蝕大修缺陷尺寸數據，統計出了管道腐蝕速率分布，發現腐蝕速率分布服從正態分布N（0.3968，0.1412）。

（二）通過確定不同風險地段管道可接受的失效概率，對Φ273mm×6（7）mm輸油管道進行了可靠性腐蝕剩余壽命預測。發現在低、中風險地段，管道使用5～6年的時間，需要進行檢測和維修；在高風險地段，管道經過4～5年的時間，就需要進行檢測和維修。

（三）基于Φ273mm×6（7）mm輸油管道高的腐蝕速率，應對此輸油管道加強防腐，嚴格把好防腐質量關。

參考文獻：

[1]《腐蝕控制手冊》[美]A.G.奧斯特羅夫等著 石油工業出版社

[2]《管道防腐層檢漏試驗方法》

[3]《油氣長輸管線的安全可靠性分析》，方華燦，北京：石油工業出版社，2002.5