靖邊氣田集氣站工藝管道剩余強度評價研究

張剛剛，宏巖，白金亮，劉峰

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

靖邊氣田集氣站工藝管道剩余強度評價研究

張剛剛，宏巖，白金亮，劉峰

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

介紹了ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC 3種常用管道剩余強度評價方法，并對3種評價方法的安全準則等項目進行了比較分析。以靖邊氣田集氣站天然氣工藝管道為研究對象，選用ASME B31G作為工藝管道剩余強度評價標準，對含彎頭、三通的工藝管道進行剩余強度預測并通過靜水壓爆破試驗進行驗證，認為ASME B31G評價標準可適用于集氣站工藝管道剩余強度評價。在評價中建議采用基于修正后的最小屈服強度的流變應力為安全準則，同時對集氣站工藝管道的安全系數按照不同直徑分別評價。

工藝管道；剩余強度評價；安全準則；失效強度；流變應力

管道剩余強度評價是管道完整性評價的重要組成部分，對管道開展剩余強度評價可以有效地減少甚至避免管道失效的發生。從20世紀60年代末開始，世界各國一直在進行腐蝕管道剩余強度評價方面的研究，頒布了許多相關的評價標準及規范，如ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC方法；但這些評價標準均是針對長輸管線、集輸管道而定，沒有一個適用于站內工藝管道的管道剩余強度評價標準，因此對天然氣集氣站工藝管道剩余強度評價進行研究有著重要的意義。

1 靖邊氣田簡介

靖邊氣田開發建設工程是“九五”期間國家重點建設工程，是中國石油長慶油田分公司重要的天然氣生產區塊。從1997年靖邊氣田進入規模化開發至今，已建成集氣站100余座，天然氣生產能力達85×108m3/a，為西安、銀川、京津冀等地區天然氣供應提供了穩定可靠的氣源。靖邊氣田集氣站工藝管道絕大部分使用20#無縫鋼管，由于造價和工藝問題，管道未進行內防腐處理。研究資料表明，氣田管道的內壁腐蝕問題主要與濕的H2S、CO2介質有關。靖邊氣田天然氣中H2S含量平均值在1 051 mg/m3,最高3 558.97 mg/m3,CO2含量平均5.0%,CO2與H2S比值在90～160之間。

為了確保靖邊氣田安全平穩運行，及時消除安全隱患，天然氣生產單位針對早期投運的集氣站工藝管道，每年定期開展工藝管道壁厚測量監測評估，對壁厚減薄嚴重的個別集氣站工藝管段進行了維修改造，但在維修改造時主要依靠日常生產經驗來安排維修改造生產任務，尚未形成科學完整的工藝管道評價方法。因此，開展集氣站工藝管道剩余強度研究，可為靖邊氣田開展維護改造精細管理、提質增效提供可靠的技術支撐。

2 常用管道剩余強度評價方法簡介

2.1 ASME B31G評價方法

ASME B31G標準（腐蝕管線剩余強度的簡明評價方法）是由美國機械工程師學會在NG-18表面缺陷公式的基礎上，于1984年頒布的（ASME B31G-1984），用于含體積型缺陷的腐蝕管線的安全評定。該標準是基于大量試驗數據的半經驗公式，由于其方法簡單易行，考慮到大的安全裕度，多為從事管線設計的工作者所采用，是目前現場應用最為廣泛的標準。然而在使用中發現該標準過于保守，繼最初的ASME B31G—1984版在1991年進行了一次修改，2009年美國機械工程師協會對其進行了修正，發展為ASME B31G—2009分級評價標準[1-2]。文獻[3]通過對新版ASME B31G—2009管道剩余強度標準先進性分析，認為2009版標準延續并完善了原始的ASME B31G評價方法，其最大的變化是采用分級評價的理念，由保守到精確，由粗略到精細，層層深入。評價共分為4個等級，各個等級之間不是孤立存在的而是按照實際操作的難易程度、評價結果的精確性和保守性而制定的由初級到高級的評價原則。這有利于評價人員根據現場操作難易程度、資料詳細程度以及評價精度等要求進行評定。

所采用的ASME B31G—1991評價標準與ASME B31G—2009評價標準零級評價是相同的。

2.2 DNV RP-F101標準

1999年，由英國燃氣公司(BG)和挪威船級社(DNV)合作開發了DNV RP-F101標準[4]。該標準不但考慮了內壓，而且還考慮了管線所受的軸向和彎曲載荷。它提供了2種腐蝕缺陷評價方法：一是分項安全系數法，安全準則是根據DNV近海標準OSF101和海底管線系統標準來確定，該方法使用了概率修正方程—分項安全系數來確定腐蝕管線的許用操作壓力；二是許用應力法，根據許用應力設計(ASD)標準，計算腐蝕缺陷的失效壓力后再乘以管線的強度設計系數。對于缺陷尺寸的不確定性，需要計算者自行判斷。

2.3 PCORRC方法

PCORRC方法是近期開發的用于評價含鈍口腐蝕缺陷的中高強度等級管線由塑性失穩導致失效的剩余強度[5]。雖然該方法開發的時間較短，但在改善評價方法的保守性方面表現出了優越性。此方法認為管子的失效由極限拉伸強度決定，而不是屈服強度或流變應力。

2.4 幾種方法特點研究

對上述3種常用剩余強度方法進行比較，見表1。

表1 常見標準應用比較

靖邊氣田天然氣集氣站站內工藝管道主要以20#鋼為主（部分新建、改擴建采用L245鋼），設計壓力一般為6.4MPa，從材料的適用范圍及安全準則來說，ASME B31G標準更適用于站內工藝管道安全評價，因此本文將采用ASME B31G標準進行天然氣工藝管道剩余強度評價。

3 站內工藝管道剩余強度評價

與長輸管道及集輸管道相比較，站內工藝管道最大的特點就是管道組成中含有大量的彎頭、三通、管帽、閥門、法蘭等管道附件，站內工藝管道很少有超過10m即一根完整的直管道，因此站內工藝管道剩余強度評價不能照搬ASME B31G準則，需結合實際情況進行具體分析。

3.1 管段腐蝕狀態檢測

長輸管道與集輸管道在進行管道腐蝕狀態檢測時，一般均使用超聲測厚儀對截取管道進行取點測量。本研究通過對該方法與三維光學掃描技術壁厚（圖1）測量數據進行比較后發現（表2），該方法測量的壁厚僅能代表測量點的壁厚，反應測量點的腐蝕狀態，而不能全面反映取樣管段全段的腐蝕狀態，因此本研究采用三維光學掃描技術對管道壁厚進行測量。

圖1 三維光學掃描測量管道整體腐蝕壁厚

由表2可知，采用傳統超聲測厚儀對管道壁厚進行檢測時，雖然檢測結果與三維光學掃描檢測結果相比大體一致，但仍存在一定的盲區，可能會漏掉腐蝕最嚴重的部位。從表2可知，誤差最大達到了6.2%，這在后期的剩余強度計算中可能會導致一定的偏差。

表2 管段壁厚測量比較

3.2 力學性能檢測

對取樣管段依據GB/T 228.1—2010標準進行了拉伸試驗，試驗過程中采用應變速率控制試驗速率。試驗數據處理時，對有屈服平臺的屈服強度取其下屈服強度，無明顯屈服的試樣測其規定塑性延伸強度RP0.2，檢驗結果見表3。

表3 管材拉伸試驗

3.3 剩余強度計算

采用ASME B31G—1991評價標準對服役18年的某集氣站工藝管道選取了2段管道（含彎頭、三通）進行剩余強度評價，管段長度等于管道公稱直徑的11倍（含管件長度），并采用靜水壓爆破試驗對計算結果進行驗證。

因為管道含有三通、彎頭等管道附件，因此評價時將直管、彎頭、三通分開進行計算，取最小值為管段的最終計算失效強度。為簡化計算，本研究僅計算均勻腐蝕問題，所以缺陷長度統一取管徑的75%。

對剩余強度Pf計算時，采用標準中公式（1）來進行，

式中：Sflow為流變應力，MPa，Sflow=1.1×SMYS，其中SMYS為最小屈服強度，MPa，；d為直徑，mm；t為壁厚，mm；L為缺陷長度，mm；D為公稱直徑，mm；M是“Folias”系數，它是L,D和t的函數，由式（2）確定：

從表4可知，基于ASME B31G-1991標準對天然氣工藝管道開展的剩余強度評價結果相比實際失效強度仍有一定的誤差，但均在一定的范圍內，同時均留有一定的安全系數。

表4 預測結果與實際結果對比

3.4 公式修正

有學者指出，引起失效壓力預測結果差異的主要因素在于流變應力的定義，帥健、張春娥等人通過計算確認了影響剩余強度評價結果的主要影響因素為流變應力[6]。因此，本研究結合水壓爆破試驗對流變應力的4個較為常用的形式[3]進行計算比較，其中，SMTS為規定的管材最低拉伸強度，計算結果見表5。由于在靜水壓爆破試驗中，兩段管段都是直管段破裂，因此僅對直管段進行了研究。

從表5可以看出，當采用拉伸強度為安全準則進行天然氣工藝管道剩余強度評價時，1#管段計算值大于實際失效強度，存在偏于危險的評價結果，因此不予考慮。當流變應力采用SMYS+68.95時，計算值最接近于靜水壓爆破值，因此對天然氣工藝管道剩余強度計算時，宜采用修正后的流變應力，計算公式見式（3）。應該注意的是盡管修正后的評價結果已很接近于實際失效強度，但仍有一定的保守性。

表5 不同流變應力修正結果對比

3.5 其他影響因素

上述研究僅考慮了流變應力對評價結果的影響，但在實際評價過程中Folias鼓脹因子、缺陷面積計算方法都會對預測結果產生影響[7]，因此在天然氣工藝管道剩余強度評價時，需要對各方面影響因素綜合考慮，結合實際爆破試驗數據，采用適用的流變應力、Folias鼓脹因子及缺陷面積計算方法。

3.6 安全系數

ASME B31G-2009中推薦最小安全系數等于最小水壓試驗壓力與最大允許操作壓力或最大操作壓力比值（通常都不低于1.25），據此計算工藝管道的安全系數（表6）。

從表6可以看出，盡管受檢管段經過長時間的服役并發生了比較嚴重的腐蝕，但仍然具有較高的剩余強度，相對實際使用壓力和設計壓力，均具有較高的安全系數，至少具有設計壓力5倍以上的承壓能力。但是，當d/t＞0.8，即當壁厚損失大于原始壁厚的80%時，認為管線需要及時更換或維修；對d/t＝0.8時工藝管道剩余強度進行了計算，結果見表6。

表6 安全系數對比

從表6可以看出，相對于標準推薦的安全系數，在工藝管道中當壁厚損失至原始壁厚的20%時，管道的安全系數仍較標準規定的大，因此在集氣站工藝管道剩余強度評價時，建議采用更大的安全系數。同時，不同直徑的管道在壁厚減薄80%以后的安全系數是不同的，因此在開展集氣站工藝管道評價時，應按照不同直徑，分別進行評價，確定其最小安全系數。

4 結論及建議

1）基于管材拉伸強度的安全準則在開展中低壓的靖邊氣田集氣站工藝管道剩余強度評價時存在偏于危險的評價結果，因此不適用于靖邊氣田集氣站工藝管道安全性研究。

2）采用ASME B31G—2009標準零級評價對天然氣工藝管道開展剩余強度評價是可行的，從靜水壓爆破試驗驗證結果來看，采用修正后的流變應力進行計算，預測結果更加接近于實際值，但仍有一定的改進余地。

3）在對工藝管道采用截取某代表性管段進行評級時，采用三維光學掃描技術對管段進行壁厚檢測，數據結果更加可靠，代表性更強。

4）在對集氣站工藝管道進行安全評定時，應按照不同直徑分別進行評價，確定其最小安全系數。

[1]Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines：ASME B31G—1991[S].American society of Mechanical Engineers,1991.

[2]Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines：ASME B31G—2009[S].American society of Mechanical Engineers,2009.

[3]馬彬,帥健,李曉魁,等.新版ASME B31G—2009管道剩余強度評價標準先進性分析[J].天然氣工業,2011,31(8)：112-115.

[4]DNV.Recommended practice RP F 101 Corroded Pipelines [S].1999.

[5]STEPHENS D R,LEIS B N,KURRE M D,et al.Development of alternative criterion for residual strength of corrosion defects in moderate to high toughness pipe[R].Catalog No. l51794e.1999.

[6]帥健,張春娥,陳福來.腐蝕管道剩余強度方法的對比研究[J].天然氣工業,2006,26(11)：122-125.

[7]張鵬,南力團,胡明,等.壓力管道爆裂壓力模型比較研究和改進的剩余強度評價方法[J].計算力學學報,2009,26(6)：785-791.

Three commonly used pipeline residual strength evaluation methods ASME B31G,DNV RP-F101 and PCORRC are briefly introduced,and the safety criteria of the three evaluation methods are comparatively analyzed.The residual strength of the natural gas pipeline with elbows and three-ways in the gas gathering stations of Jingbian gasfield was predicted according to ASME B31G,and the evaluation result was verified by hydrostatic burst test,and it is held that evaluation criteria ASME B31G can be applied to the evaluation of residual strength of the process pipeline in the gas stations.It is suggested that the flow stress based on the modified minimum yield strength should be taken as the safety criterion in the evaluation of residual strength,and the safety factors of the gas pipelines with different diameters will be evaluated respectively.

process pipeline;evaluation of residual strength;safety criterion;failure strength;flow stress

2017-05-11

張剛剛（1986-），男，工程師，主要從事產品質量檢驗工作。