長輸管道腐蝕缺陷安全評價準則選擇探討

畢臺飛，楊立，田永達， 高耘，孫大為，蔣玉卓

(1. 中國石油長慶油田分公司 第一采油廠，陜西 延安 716000；2. 中國石油長慶油田分公司 第一輸油處，陜西 西安 710000；3. 中國人民解放軍32723部隊，河北 承德 067400；4. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000)

腐蝕、機械損傷和第三方破壞是威脅管道安全的重要因素，造成管體金屬損失、管壁局部減薄和降低承壓能力，甚至導致管道穿孔或破裂事故[1]。中國管道行業頒布了GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》[2]，應按照法規標準、行業實踐做法及管道運行原則，結合管道以往失效事故進行剩余強度評價與剩余壽命預測，確定管道缺陷風險的可接受準則[3]。管道缺陷包括： 內/外腐蝕、管體缺陷(裂紋、劃痕)、焊接缺陷(咬邊、焊瘤、未熔合、未焊透、氣孔和夾渣)和機械損傷缺陷(凹陷、褶皺、屈曲)[4]。本文僅針對含體積型腐蝕缺陷評價準則，闡述了國際通用管道缺陷安全評價準則的適用范圍和應用條件；收集管道失效/爆破案例的統計數據，研究了不同缺陷評價準則的準確性和差異性。研究成果有助于管道管理者根據管道實際情況選擇合適的評價方法，對于實施完整性管理和管道安全運行維護具有指導意義。

1 管道缺陷安全評價準則

1.1 ASME B31G評價準則

ASME B31G： 2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》[5]是基于斷裂力學理論的NG-18表面缺陷計算半經驗公式，結合大量試驗和管道失效積累數據，利用管道缺陷深度和長度形成的拋物線投影面積計算管道剩余強度。該準則適用于低強度鋼級管道和老齡化管道，針對孤立型缺陷或者軸向缺陷更為有效，由于未考慮腐蝕缺陷間相互作用，評價結果太過保守。該準則管道失效壓力計算如下式所示：

(1)

(2)

以ASME B31G評價準則為基礎，針對流變應力和 Folias 系數進行了修正，以0.85dL替代拋物線投影面積，形成RSTRENG 0.85dL方法和RSTRENG有效面積法，一定程度上改進了ASME B31G評價準則的不足。修正后的ASME B31G評價準則管道失效壓力計算式為

(3)

式中：σf——流變應力，σf=σs+69.85；Ad——復雜腐蝕有效區域面積，mm2；A0——缺陷區域原始壁厚橫截面積，mm2。M1的計算如式(4)和式(5)所示：

(4)

(5)

1.2 BS 7910評價準則

英國標準BS 7910： 2019《金屬結構中缺陷驗收評定方法導則》[6]已成為國際權威的海底管道安全評定依據，即適用孤立型單一缺陷，也適用復雜缺陷。該評價準則管道失效壓力計算式為

(6)

式中：D1——管道內徑，mm；σf=(σs+σb)/2或σf=1.2σs(取二者較大值)；σb——管材抗拉強度，MPa。

1.3 DNV-RP-F101評價準則

挪威船級社DNV-RP-F101： 2004《腐蝕管道評價推薦做法》[7]可用于X65～X80鋼級管道，同時考慮了管道內壓和軸向應力因素，適用內/外表面缺陷、孤立型缺陷，也適用交互缺陷、復雜缺陷，但不適用含裂紋缺陷管道，以及缺陷深度大于管道壁厚85%的情形。該評價準則管道失效壓力計算式為

(7)

1.4 PCORRC評價準則

PCORRC評價準則采用殼體單元有限元模擬管道腐蝕缺陷受力情形，適用于X65～X80中高強度等級管道安全性評價。該準則只針對孤立型缺陷，不適用含裂紋缺陷管道，并指出管材抗拉強度決定缺陷失效，而不是屈服強度。該評價準則下管道失效壓力計算式為

(8)

式中：σf=σb；R——管道外徑和內徑的平均值，mm。

1.5 其他評價準則

上述評價準則目前在國內外已得到廣泛應用，此外還建立了管道失效壓力計算模型，例如： C-FER 模型針對體積型腐蝕缺陷管道失效壓力為

(9)

管道缺陷評估手冊提出的PDAM(pipeline defect assessment manual)模型針對體積型腐蝕缺陷管道失效壓力為

(10)

2 管道缺陷安全評價程序

管道適用性評價應給出缺陷可接受性以及維修和風險減緩措施，具體評價內容如下：

1)評價管道腐蝕缺陷嚴重程度。例如： 缺陷失效模式、高后果區失效后果嚴重程度，判斷缺陷是否需要立即維修。

2)計算已腐蝕管道承壓能力，預測管道剩余壽命。針對與時間相關的缺陷，應基于管道投用時間、缺陷致因等信息，建立管道缺陷增長預測模型，預測缺陷增長趨勢。

3)維修及風險減緩措施。例如： 管道位置信息、缺陷修復實施時間要求和修復方法。

4)管道含有不可接受或需要監控缺陷，應根據損傷機理和失效模式，結合管道歷史失效事故、運行工況等，提出缺陷修復前的安全運行壓力和風險管控建議(加密巡護、降壓運行)。

3 管道缺陷評價準則比選

文獻[8]以X80管線鋼管為例，制備不同類型、不同尺寸缺陷，通過水壓試驗，驗證管道極限承載能力，研究上述評價準則的適用性。針對矩形缺陷，DNV-RP-F101評價準則預測值與試驗值偏差最小；修正的ASME B31G評價準則和C-FER模型偏于保守。

借鑒上述研究方法，收集近100例不同鋼級(X42～X100)含腐蝕缺陷的管道參數、缺陷特征和爆破/失效壓力數據見表1所列。選擇修正的ASME B31G，BS7910，DNV-RP-F101和PCORRC四種評價準則，對比剩余強度預測值和爆破/失效壓力的相對誤差，確定評價準則的準確性，四種評價準則相對誤差見表2所列。

表1 含腐蝕缺陷的管道參數、缺陷特征和爆破/失效壓力(部分數據)

表2 四種評價準則相對誤差 %

根據表2數據分析，結論如下：

1)修正ASME B31G評價準則的計算誤差對于其他強度鋼級管道均較大，相對其他三種準則，準確性較差。

2)相對誤差最小的是DNV-RP-F101評價準則，其次是PCORRC評價準則。應用這兩項準則預測管道剩余強度和爆破/失效壓力最接近，準確性最高，最具有工程應用價值。

3)BS 7910評價準則準確性整體略優于修正的ASME B31G評價準則，針對X52以下低強度鋼級管道，準確性較差；針對X56以上中高強度鋼級管道，準確性較高。

4)針對低強度鋼級管道，采用修正ASME B31G準則的剩余強度預測值均低于爆破/失效壓力，而采用DNV-RP-F101評價準則和PCORRC準則存在剩余強度預測值均超過爆破/失效壓力的情形，修正ASME B31G評價準則對于低鋼級管道是可行的；DNV-RP-F101評價準則和PCORRC評價準則不適用低鋼級管道安全評價。

5) 針對X70和X80等高鋼級管道，DNV-RP-F101評價準則和PCORRC評價準則仍存在7%的相對誤差，原因分析是上述評價準則制定時間在2000年之前，近年來隨著鋼管制管水平提高，管材屈服強度和抗拉強度不斷增加，管道實際韌性指標高于標準值，針對高鋼級管道剩余強度評價方法仍需改進。

4 結束語

管道管理者應根據實際運行工況條件，結合現場開挖確認缺陷尺寸特征，結合管道缺陷評價準則的適用范圍和應用條件，選擇科學、合理的評價準則。針對X90和X100超高鋼級管道，目前還缺乏權威、有效的爆破/失效數據，隨著計算機模擬技術和有限元、邊界元工具的發展，針對含有復雜結構缺陷、多種載荷耦合情形，以及超高鋼級含腐蝕缺陷管道，可進行有限元數值計算和可靠性評定。