天然氣長輸管道腐蝕缺陷評估與剩余壽命預測

龐洪晨 楊立君

（1. 山東省天然氣管道有限責任公司，山東 濟南 250101；

2. 山東省中遠天然氣技術服務有限責任公司濟南分公司，山東 濟南 250000）

0 前言

天然氣長輸管道在長期運行時，管道的內外環境會導致管壁發生腐蝕，降低管道的運行壓力[1]，從而影響管道的正常運行。為了解管道的腐蝕情況，采用漏磁檢測技術[2]對長輸管道進行檢測，利用檢測數據評價管道的剩余強度和預測管道剩余壽命，但不是所有的腐蝕缺陷都要進行更換或維修[3]，不同的評價方法得到的剩余強度和剩余壽命均存在差異，因此，開展適合于天然氣長輸管道的腐蝕缺陷評估和剩余壽命預測方法日益迫切。

本文針對某天然氣長輸管道腐蝕缺陷內檢測數據，對管道整體腐蝕狀況進行了分析，采用Modifeid B31G評價方法和Kastner評價方法，分析管道在不同壓力和厚度下剩余強度的變化，并預測管道的剩余壽命，定制了管道修復計劃。

1 評價方法

1.1 Modified B31G評價方法

常規評價管道的剩余強度，一般采用ASME B31G標準，由于ASME B31G的保守性，美國燃氣協會（AGA）對ASME B31G[4]進行了修正，修正后的計算方法如下[5]：

式中：t 為管道壁厚，mm；D為管道直徑，mm；σs屈服強度，MPa；d為缺陷最大腐蝕深度，mm；M為Folias系數；Pf為缺陷管道的失效壓力，MPa。Folias的大小是根據缺陷的不同而有所差別，在Modified B31G評價方法中，將缺陷分為兩種情況，不同情況下的計算方式如公式（2）和公式（3）：

1.2 Kastner評價方法

Modified B31G評價方法主要是分析缺陷長度對管道的影響，為了解缺陷寬度對管道安全的影響，British Gas（英國燃氣公司）進行了大量水壓試驗，試驗結果表明Kastner法是分析此類問題的最佳模型之一[6]。該方法的主要計算公式（4）：

式中：η為缺陷處剩余壁厚，%；c為缺陷寬度的一半，mm；R為管道半徑，mm；β為缺陷半寬度與管道半徑的比值；ρ為軸向失效應力與流變應力的比值；σa為操作壓力下的軸向應力，MPa；σf為軸向失效應力，MPa。

2 管道概況

某管道全長85.3km，管徑為508mm，管道材質為L320，壁厚分別為6.4mm、7.9mm、9.5mm，管道設計壓力為3.9MPa，采用3PE外防腐，輸送介質是天然氣，利用φ508三軸高清晰度漏磁檢測設備對管道進行檢測。

3 金屬損失統計分析

本次檢測發現所有金屬損失信息如表1所示。

從表1中發現金屬損失有110222處，其中內部金屬損失109742處，外部金屬損失480處。金屬損失的平均深度為管道正常壁厚的8%，最深的缺陷為內部金屬損失，深度為管道正常壁厚的50%。

表1 金屬損失按深度統計表

3.1 內部金屬損失統計

內部金屬損失各類統計分布如圖1所示。

圖1 內部金屬損失統計

通過圖1對內部金屬損失的統計分析發現：絕大多數內部金屬損失聚集分布在4點至8點鐘的管道底部；內部金屬損失分布形態主要聚集分布在一根或連續多根的管節上，且缺陷主要以管道底部6點鐘位置為軸心對稱分布，并兩端閉合。缺陷分布可能受地理環境等因素的影響，液體或其他雜質在管道局部發生沉積，導致在沉積液體和氣體交界的邊緣形成腐蝕，如果未能夠進行有效清管，破壞腐蝕生長環境，腐蝕將不斷生長。

3.2 外部金屬損失統計

外部金屬損失各類統計分布如圖2所示。

圖2 外部金屬損失統計

通過圖2對外部金屬損失的統計分析發現：外部金屬損失主要分布在管道檢測里程38km之后的管段上，且位于管道底部的外部金屬損失數量相對 較多。

4 金屬損失剩余強度評價

本文使用Modified B31G和Kastner評價方法對金屬損失進行了剩余強度評價及剩余壽命預測。評價中只考慮內壓對管道的影響，不考慮其它載荷的 影響。

4.1 預估維修比（ERF）

預估維修比（ERF，Estimated Repair Factor）是管道最大允許操作壓力（MAOP）與缺陷處安全操作壓力（Ps）的比值[7,8]，如公式（9）。

ERF為預估維修比；MAOP為管道最大允許操作壓力或評價壓力；PS為利用評價方法計算得到的缺陷處的安全操作壓力。采用ERF曲線是來描述缺陷尺寸與壓力的關系。在ERF曲線圖中，橫坐標描述的是缺陷的長度（或寬度），縱坐標描述的是缺陷的深度；曲線上任意一點所對應的缺陷，在其長度和深度下，缺陷的PS等于最大允許操作壓力，即曲線上任意一點的缺陷尺寸稍有增長就不能滿足最大允許操作壓力下的要求[9]。

4.2 剩余強度評價-長度

根據缺陷長度和深度尺寸，使用Modified B31G方法對本次檢測發現的110222處金屬損失進行評價，ERF曲線圖詳如圖3所示。

圖3 不同壁厚下ERF曲線圖（金屬損失深度與長度）

通過Modified B31G方法評價，在參考壓力3.5MPa、3.3MPa、3.0MPa下，沒有金屬損失的ERF值≤1，所有金屬損失均不需要立即維修；在評價壓力3.9MPa下，共有1464處金屬損失ERF≤1，其中14處金屬損失的ERF值＜1，依據評價結果，需要對14處的金屬損失立即維修。

4.3 剩余強度評價-寬度

根據缺陷深度和寬度尺寸，使用Kastner方法對本次檢測發現的110222處金屬損失進行評價，ERF曲線圖詳如圖4所示。通過Kastner方法評價，在評價壓力3.9MPa下，沒有金屬損失需要立即維修。

圖4 不同壁厚下ERF曲線圖（金屬損失深度與寬度）

4.4 壓力圖

壓力圖表示每一處金屬損失處的安全操作壓力與評價壓力及設計壓力之間的關系，如圖5表示兩種不同方法計算的操作壓力與設計壓力之間的關系。

圖5 壓力圖

如果金屬損失位于壓力線上方，說明在該壓力下是安全的，不需要立即維修；反之，需要立即維修。通過圖5表明管線在不同壓力下是安全的，不需要立即維修。

5 管道剩余壽命預測

為了保證管道安全，本次剩余壽命預測假設檢測發現的所有金屬損失全部為腐蝕缺陷。本次內檢測為首次檢測，依據金屬損失生長速率估算保守的原則，根據缺陷所處管段壁厚不同以及缺陷內外部位置不同，選擇生長最快的金屬損失速率進行壽命預測；金屬損失生長速率采用半壽命法進行計算。半壽命法金屬損失生長速率計算公式如公式（10）：

式中：RML：金屬損失的生長速率，mm/y；Depth：金屬損失深度，mm；InspDate：管道檢測日期，y；CommDate：管道投產日期，y。計算結果如表2所示。

表2 金屬損失生長速率計算結果

表3 每年需維修的金屬損失缺陷數量統計

依據Modified B31G方法的評價結果，在評價壓力3.9MPa下，有18處金屬損失需要在5年內計劃維修。預測每年需維修的金屬損失數量統計如表3所示，5年內需計劃維修的金屬損失沿里程分布如圖6（a）所示；5年內需計劃維修的金屬損失沿里程統計如圖6（b）所示。

圖6 5年內需計劃維修圖

6 結論

（1）根據Modified B31G評價方法的剩余強度評價結果，在評價壓力3.9MPa下，有14處金屬損失的ERF值＜1，依據評價結果，需要對此14處金屬損失立即維修；

（2）根據Kastner評價方法的剩余強度評價結果，在評價壓力3.9MPa和參考評價壓力3.5MPa、3.3MPa、3.0MPa下，沒有金屬損失需要立即維修；

（3）根據Modified B31G評價方法的剩余壽命預測結果，在評價壓力3.9MPa下，管段有18處金屬損失需要在5年內計劃維修。