外腐蝕損傷模式下的埋地鋼質燃氣管道剩余強度評價與剩余壽命預測

余雨虹，文鵬

（1.內江市檢驗檢測中心，四川 內江 641100；2.杭州鼎勢智能科技有限公司，浙江 杭州 310000）

埋地鋼質管道的外損傷主要有外腐蝕、凹陷、劃傷以及不良地質條件造成的管道軸向應力過大等。燃氣管道敷設形式主要為埋地敷設，隱蔽工程下的軸向應力較難發現，在地質條件狀況相對穩定，敷設環境變化不大的情況下，外腐蝕造成的損傷占主要。在城鎮燃氣管道的失效統計數據中，腐蝕造成的失效占失效總因素的68%。因此，開展埋地鋼質燃氣管道外防腐層檢測，發現外腐蝕損傷，進而開展剩余強度評價和剩余壽命預測工作，對管道安全運營具有重要意義。

1 外腐蝕損傷檢測

外防腐層損傷檢測方法主要有交流電流衰減法（又稱PCM 法、多頻管中電流法）、交流電位梯度法ACVG、直流電流衰減法、直流電位梯度法DCVG、變頻-選頻法、密間隔電位測量法CIPS 等。各種方法適用條件不同，在不同環境情況下，各有優越性。多種方法相互結合、相互補充，可實現一定條件下的埋地鋼質燃氣管道外損傷的檢測及評價工作。本文重點介紹交流電流衰減法和交流電位梯度法結合的外腐蝕檢測技術。

交流電流衰減法（PCM 法）測試原理是：儀器的發射機給管線施加一定頻率的電流，利用接收機沿管道上方接收管道中的電流信號，獲取電流值。通過電流的衰減可計算該段管道的外防腐層絕緣電阻值和管道電流衰減率，判斷防腐層整體狀況。檢測示意圖見圖1。

圖1 交流電流衰減法檢測示意圖

交流電位梯度法測試原理是：當防腐層破損時，管道中電流會從防腐層破損處流出或流入大地，在土壤中形成電位梯度，通過測量電位梯度，可對防腐層的破損點進行定位測量。當土壤電阻率一定時，該方法獲取的漏損點強度（DB 值）大小可一定程度的反映防腐層外損傷情況的嚴重性。防腐層外損傷漏損點檢測示意圖見圖2。

圖2 交流電位梯度法檢測示意圖

綜合以上兩種方法通過防腐層絕緣電阻值和防腐層破損點密度可定性判斷外防腐層狀況。針對防腐層絕緣性能較差、破損點密度較高的管段，選取外損傷嚴重的管道進行開挖工作，采集外腐蝕損傷數據。

2 外腐蝕損傷形態

外防腐層失效后，埋地鋼質燃氣管道在腐蝕活性區根據防腐層失效面積不同，腐蝕成因不同可形成不同的腐蝕形態。

雜散電流引起的腐蝕主要為點蝕，腐蝕方向沿管道環向延伸，腐蝕坑邊緣清晰圓滑。腐蝕速率較快，可直接造成管道穿孔泄漏，對管道危害較大。

土壤腐蝕引起的腐蝕主要為點狀、面狀腐蝕，腐蝕面形成不同深度的腐蝕坑。腐蝕速率隨土壤腐蝕性不同而不同，一般腐蝕速率相對較慢，危害性相對較小。

以上兩種腐蝕形態都有金屬的蝕失，使管道造成體積型缺陷，影響管道的剩余強度，從而影響管道壽命。

3 剩余強度評價及剩余壽命預測

管道剩余強度評價又稱適用性評價或合于使用評價。剩余強度評價是在缺陷定量檢測的基礎上，通過嚴格的力學分析和計算，給出管道的最大允許工作壓力（簡稱MAOP），為管道升、降壓及管道維修提供決策的依據。國內外對管道的剩余強度評價研究十分重視，基礎理論建立較早，形成了一系列的標準和規范，例如，API 579《服役適用性評價推薦做法》、BS 7910《金屬結構中缺陷驗收評定方法導則》《GB/T 30582-2014 基于風險的埋地鋼質管道外損傷檢驗與評價》等。

外腐蝕損傷通常為防腐層受到外部機械損傷后造成破損，破損處管道受到腐蝕，腐蝕造成的缺陷一般為單一體積型缺陷。

含單一體積型缺陷的失效壓力計算公式為：

式中，FP為含缺陷管道的失效壓力，Mpa；D為管道直徑，mm；t為管道壁厚，mm；d為腐蝕缺陷深度，mm；σflow為流變應力，Mpa；M為Folias 膨脹系數；為材料最小屈服強度，Mpa；L為缺陷長度，mm。

剩余壽命預測主要包括腐蝕壽命預測、裂紋擴展壽命預測、損傷壽命預測等，本文主要針對管道腐蝕壽命展開預測。

外腐蝕造成管體壁厚減薄，管道剩余強度減弱，準確獲取的管道腐蝕速率是開展腐蝕壽命預測的關鍵點。準確的腐蝕速率預測一般是沿管道懸掛腐蝕刮片，通過腐蝕刮片的失重情況計算腐蝕速率。通過腐蝕壽命預測公式計算管道的剩余壽命。

腐蝕壽命預測公式為：

式中，RL 為腐蝕壽命，年；C 為校正系數，取0.85；SM 為安全裕量，無量綱；MAOP 為管段許用應力，MPa；GR 為腐蝕速率，mm/年；t 為名義壁厚，mm。

4 案例分析

某條埋地鋼質次高壓B 級燃氣管道，設計壓力為1.0MPa，使用壓力為0.8MPa，管道規格為D108×6，總長度為8.820km，防腐層類型為石油瀝青防腐層，未施加陰極保護，材質為20#鋼，輸送介質為二類天然氣，敷設環境為郊區土壤介質，管道參照地區等級為三級地區，投用日期為1985 年。

該管道管道經外防腐層損傷檢測后，發現30DB 以上防腐層破損點共計72 處，防腐層破損點較多，70DB以上破損點數量高達24 處，隨機開挖抽查70DB 以上防腐層破損點12 處，并對管體缺陷及腐蝕狀況進行了檢測，12 處開挖點的管道均漏鐵銹蝕，且都處于直管段上，發現缺陷類型均為腐蝕造成的體積型損傷，缺陷軸向長度均大于環向長度，并對缺陷進行了記錄，記錄數據見表1。

表1 開挖測量數據

按照以上公式對12 處外腐蝕損傷缺陷進行剩余強度計算，評估結果見表2。

表2 剩余強度計算結果

由于該管道無腐蝕刮片、缺乏準確的年腐蝕速率，在未知腐蝕速率情況下，腐蝕速率保守取值為0.4mm/a。管道腐蝕壽命預測計算結果見表3。

表3 剩余壽命預測計算結果

管道剩余強度值最低處是開挖點10 處，其剩余強度值即失效壓力為17.05MPa，帶入三級地區強度設計系數0.4，管道的MAOP 為6.82MPa，其值遠大于管道的使用壓力0.8MPa，該管道的剩余強度滿足要求。

經剩余壽命預測計算，管道剩余壽命為7.61 年。

5 結語

本文從埋地鋼質城鎮燃氣管道的外腐蝕損傷入手，講述了埋地鋼質燃氣管道外腐蝕損傷基礎數據獲取的方法及技術及其主要損傷形態，引用剩余強度評價及剩余壽命預測基礎理論公式，通過案例計算，得到剩余強度值及腐蝕剩余壽命。

針對整條管線，剩余強度值的準確性及剩余壽命的嚴謹性，取決于防腐層破損點為腐蝕活性點，獲取的數據是管道正在進行腐蝕的數據。

埋地管道受雜散電流干擾、土壤腐蝕性差異、地磁干擾因素導致管道內部自身存在電動勢，管地電位存在差異性。當開挖點不具隨機性和開挖點數不符合統計學原理時，獲取的數據就不具準確性，即開挖點在管道自身的陰極端，評價結果就不足以覆蓋整條管線的剩余強度值，剩余壽命預測也就缺乏準確性和真實性。