天然氣管道剩余強度評價準則與適用性

涂亞明， 趙玉落， 張曉菁， 柴 進

(1.武漢市燃氣熱力規劃設計院有限公司， 湖北 武漢 430019；2.中國石油管道局工程有限公司， 河北 廊坊 065000)

1 概述

天然氣管道不僅需要承擔由于腐蝕、老化等常見管道危害因素所帶來的管道失效風險，還會受到土壤凍脹、融沉、滑坡時對管道施加外力的影響，對天然氣管道進行相關的力學分析從而對缺陷腐蝕管道進行剩余強度評價十分重要。國外發達國家的多年實踐證明，管道完整性管理的應用能夠有效提高管道運輸效率、延長管道壽命以及降低企業成本。管道完整性管理這一概念引入國內后，受到了相關行業的普遍認可。

天然氣管道剩余強度評價是管道完整性管理中的重要一步，同時也是天然氣管道管理中后期，對投入使用多年管道進行剩余壽命預測以及風險評價的基礎。為了在保證管道安全性以及經濟性的前提下對其進行后期的科學管理維護，實施管道剩余強度評價環節具有重大現實意義。通過力學分析對腐蝕缺陷管道進行剩余強度評價，能確定天然氣管道在指定工況下能否正常運行，同時可以確定當前腐蝕缺陷下的剩余強度和最大允許工作壓力等[1]。因此，在特定條件下，選用合適的天然氣管道力學分析準則具有重要意義。

2 剩余強度評價準則的發展

NG-18評價準則是眾多天然氣管道評價準則的研究基礎，NG-18評價準則通過大量實驗及理論研究得到，并由美國天然氣協會(AGA)首先提出。在NG-18基礎上，1984年美國機械工程師協會(ASME)進而提出了ASME B31G(腐蝕管道剩余強度簡明評價準則)，用以評價天然氣管道剩余強度。1991年，ASME B31G修訂，將管道缺陷面積進行改進以提高計算結果的準確性，是使用最為廣泛的評價準則之一。目前ASME B31G對不同等級缺陷評價的計算準則進行了區分并給出了多種流變應力的取值，進一步完善了天然氣管道剩余強度評價準則[2]。國際上其他國家的學者專家也進行了大量管道失效行為和失效評估的相關研究，在這些理論研究和實驗驗證的基礎上，開發出許多評價管道可靠性能的準則，國內外管道剩余強度評價準則和方法見表1。

3 國際上主要的管道剩余強度評價準則

① NG-18評價準則

美國天然氣協會(AGA)對含缺陷腐蝕管道的剩余強度進行了大量試驗和理論研究后，提出了NG-18評價準則。

NG-18評價準則腐蝕缺陷見圖1。

圖中δ——壁厚，mm

A——腐蝕缺陷的軸向投影面積，mm2

表1 國內外管道剩余強度評價準則和方法

圖1 NG-18評價準則腐蝕缺陷

r——腐蝕深度(測量含腐蝕缺陷部位深度得到)，mm

L——腐蝕缺陷長度(測量含腐蝕缺陷部位長度得到)，mm

NG-18評價準則是包括ASME B31G、Modified ASME B31G、RSTRENG、DNV RP-F101在內的許多評價準則的基礎，其計算準則如下[3]：

(1)

(2)

A0=δL

式中σ——剩余強度，MPa

σflow——流變應力，MPa

D——管內直徑，mm

A0——腐蝕缺陷面積，mm2

M——Folias膨脹系數

短缺陷滿足的條件為：

長缺陷滿足的條件為：

② ASME B31G評價準則

ASME B31G評價準則有兩種(ASME B31G-1991和ASME B31G-2009)。美國機械工程師協會(ASME)以NG-18的成果為基礎，提出了ASME B31G-1991。其與NG-18的主要差別有兩點：

a.將管道缺陷面積進行改進，以提高計算結果準確性；b.給出了膨脹系數新的計算準則。

流變應力的計算準則保持不變。根據缺陷尺寸計算判定值，按下式計算：

(3)

(4)

(5)

該標準是以下列假設為條件[4]：

a.假設管材最大圓周應力等于管材的屈服強度；

b.管道內流變應力σflow數值上為1.1σy，其中σy為材料規定的最低屈服強度。

圖2 ASME B31G評價準則中的腐蝕缺陷

然而多年的實踐經驗表明，在NG-18準則基礎上改進的ASME B31G-1991準則仍然比較保守，企業在管道維護維修的投入仍然存在一定的浪費情況。因此，ASME在ASME B31G-1991的基礎上重新修訂，于2009年頒布了ASME B31G-2009。改進之處有以下4點：

a.對不同等級缺陷評價的計算準則進行了區分；b.腐蝕缺陷面積予以修改；c.給出了多種流變應力的取值；d.將判別值由20修正為50。

計算式如下：

(6)

(7)

(8)

3種流變應力分別為：

σflow=1.1σy

σflow=σy+69

式中σy——材料規定的最低屈服強度，MPa

σu——材料規定的最小抗拉強度，MPa

計算時，使用3種流變應力中的最大值作為流變應力。

兩種ASME B31G評價準則主要用于低鋼級油氣管道的評價，包括帶有軸向裂紋缺陷及含有腐蝕體積缺陷管道，但評價結果均比較保守。使用這兩種準則評價高鋼級油氣管道時，計算結果并不可靠。

另外ASME B31G-2009評價準則對于多處不同的腐蝕缺陷都有著相對應的評價準則，解決了ASME B31G-1991評價準則在面對相同條件和情況時，只會獨立處理單一管道損傷相隔很遠的腐蝕缺陷這一問題。

③ PCORRC準則

斯蒂芬斯等人對腐蝕缺陷進行數值模擬，得到了PCORRC準則(管道腐蝕評價準則)。該準則與其他準則的區別在于，抗拉強度決定了管道是否失效。該準則可用于由塑性失穩導致失效的含鈍口腐蝕缺陷油氣管道的剩余強度評價，其中流變應力等于材料最小抗拉強度，計算式如下[5]：

(9)

(10)

PCORRC是2000年開發的一種腐蝕管道剩余強度評價準則，主要用于高鋼級管線鋼含鈍口腐蝕缺陷的管道剩余強度評價，在提高評價保守性方面表現出一定的適用性和優越性。

④ DNV RP-F101準則

DNV RP-F101準則于1999年出版，是挪威船級社(DET NORSKE VERITAS)和英國燃氣公司(BG)合作推出的天然氣管道剩余強度評價標準[6]，在2015年頒布了最新版本，主要采用許用應力法評估管道的剩余強度，流變應力計算準則與PCORRC準則相同。計算準則如下：

(11)

(12)

DNV RP-F101管道剩余強度評價準則是基于X65-X80鋼的實驗和模擬數據研究開發的，因此評價中高強度的鋼管時該準則的準確度比較高。

以上提到的部分油氣管道剩余強度評價準則認為管道的失效與流變應力密切相關，因此失效壓力由管線鋼的力學參數表達。以上的標準或準則除PCORRC準則是基于有限元計算結果外[7]，其余都是在NG-18缺陷公式的基礎上發展而來，因此在失效壓力表達形式上十分相近，其區別主要反映在流變應力、膨脹系數和腐蝕缺陷的軸向投影面積的不同表達方式上。

4 結語

NG-18準則與ASME B31G準則適用于評價低鋼級管道，PCORRC準則與DNV RP-F101準則更適用于高鋼級管道，而對于超高鋼級管道建議采用有限元模擬結合試驗進行管道力學性能評價。