徐寅平,段慶全,張 宏

(中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249)

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基于API579準(zhǔn)則的含點腐蝕管道剩余強度分析

徐寅平,段慶全,張 宏

(中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249)

為了更加比較準(zhǔn)確地評價含點腐蝕管道的剩余強度，從而科學(xué)合理地維護管道并提高管道的利用率，比較了幾種評價點腐蝕管道的剩余強度的方法，得出API579的評價方法更適合用于點腐蝕缺陷管道評價的結(jié)論。以API準(zhǔn)則為理論依據(jù)，對含有點腐蝕缺陷管道的剩余強度進行了3 個等級的評價，并且通過計算得到了在給定的點腐蝕缺陷下管道最大安全運行壓力值，該壓力值反映了含點腐蝕缺陷管道的承壓能力，證明了API579標(biāo)準(zhǔn)評價含點腐蝕缺陷管道的剩余強度的合理性。

管道；剩余強度；API579準(zhǔn)則；點蝕

腐蝕是石油天然氣運輸行業(yè)最常見的問題之一，每年都有大量的管道因為腐蝕而損壞，點蝕是管道腐蝕常見的類型，也是引起管道失效的主要形式。點蝕的局部穿透率很高，且發(fā)生的位置具有隨機性，加之產(chǎn)生的腐蝕孔在外加載荷條件下容易誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂等危害，極具危害性[1]。所以對含點蝕管道進行評價是十分必要的。按點蝕的分布，可以將點蝕分為：廣布點蝕、廣布點蝕區(qū)的局部減薄腐蝕、局部點蝕和局部減薄區(qū)點蝕四種類型。

為避免對含點蝕缺陷管道盲目維修和更換帶來的經(jīng)濟損失，為了保證管道安全運行,常用方法是對含缺陷的管道進行剩余強度評估。目前國內(nèi)外含點蝕管道剩余強度評價的方法有很多，最具代表性的包括：API579準(zhǔn)則[2]、ASME B31G準(zhǔn)則[3]以及挪威船級社DNV RP-F101評價準(zhǔn)則[4]等，我國也頒布了幾項關(guān)于腐蝕管道的剩余強度評價標(biāo)準(zhǔn)[5-7]。本工作對比了幾種評價標(biāo)準(zhǔn)，并驗證了API579準(zhǔn)則評價含點蝕缺陷管道剩余強度的合理性。

1　評價方法對比

點腐蝕屬于體積型腐蝕缺陷，在含體積型缺陷管道剩余強度計算中通常采用API 579、DNV RP-F101、ASME B31G 3種評價方法。其中，DNV RP-F101評價準(zhǔn)則針對不同的缺陷給出了2種不同評定方法，即許用應(yīng)力法和分安全系數(shù)法，其中分安全系數(shù)法需結(jié)合DNV OS-F101進行計算[8]。該準(zhǔn)則不適用于缺陷深度大于管道壁厚85%的缺陷和鋼級超過X80的管道，并且沒有針對大量點蝕坑的評價。

對于管道上分布的點蝕的剩余強度評價，API 579和ASME B31G基本構(gòu)成相對完整的美國腐蝕管道的剩余強度評價體系[9]。ASME B31G將腐蝕缺陷管道評價分成0～3級四個等級，適用管材的等級較低，不能滿足高強度等級、大口徑管道的剩余強度評價需要[10]。當(dāng)環(huán)向缺陷較大，或管道承受其他不可忽略的縱向載荷(如彎曲、溫升伸長等)時，必須考慮縱向應(yīng)力以及相應(yīng)的環(huán)向缺陷，但B31G標(biāo)準(zhǔn)沒有對環(huán)向缺陷進行評價，并且只對單個缺陷進行評價，沒有考慮復(fù)合缺陷的相互影響。

API579評價準(zhǔn)則是在ASME B31G基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，按照缺陷類型分別進行評價。它考慮了相鄰缺陷的相互影響和附加載荷的影響，為腐蝕缺陷的剩余強度評價提供了更為準(zhǔn)確的方法，它建立了含有缺陷管道的剩余承壓能力、缺陷的尺寸及有關(guān)材料強度參數(shù)三者之間的關(guān)系[11]，更加符合實際，但對使用者的專業(yè)知識水平要求相對較高。

API 579準(zhǔn)則是以許用應(yīng)力和剩余強度系數(shù)為基礎(chǔ)進行評價的，因此并未克服其自身固有的保守性。

針對DNV RP-F101和ASME B31G準(zhǔn)則不適用的高鋼級管材，PCORRC方法 (Pipeline Corrosion Criterion)是用于評價中高強度等級管道缺陷剩余強度的方法，該方法認(rèn)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(yīng)力。試驗證實，該評價準(zhǔn)則對于高強度鋼級含缺陷管道安全性的評價結(jié)果較準(zhǔn)確，但在評價低強度鋼級管道時誤差較大[12]。

我國也頒布了幾項關(guān)于腐蝕管道的剩余強度評價標(biāo)準(zhǔn)，但基本是參照國外的準(zhǔn)則制定的，如SY/T 6151-1995《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評價方法》[5]與ASME B31G基本相同。SY/T 6477-2000《含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》[6]是從API RP579-2000準(zhǔn)則基礎(chǔ)上修訂而來，可以視為該準(zhǔn)則的簡化版，但該準(zhǔn)則未考慮點蝕群的相互影響。SY/T 10048-2003《腐蝕管道評估的推薦做法》[7]與挪威船級社DNV RP-F101-1999準(zhǔn)則相近。

幾種常用點腐蝕缺陷管道評價標(biāo)準(zhǔn)比較結(jié)果見表1。

表1　幾種主要標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用比較結(jié)果Tab. 1　Comparison results of various evaluation criterions

2　點腐蝕缺陷管道的評價

用AP1579準(zhǔn)則評價點蝕的評價流程圖如圖1所示。某含廣布點腐蝕缺陷的X80輸氣管道，管外徑D0為1 219 mm，管道公稱壁厚tnom為26.5 mm，未來腐蝕裕量FCA為0 mm，金屬損失量L為0 mm，管道的設(shè)計運行壓力P為12 MPa，焊縫系數(shù)E為1.0，材料許用應(yīng)力σs為276 MPa，許用剩余強度系數(shù)RSF為0.9，檢查的點腐蝕對數(shù)據(jù)見表2。以API579準(zhǔn)則理論為基礎(chǔ)評價含有廣布點腐蝕缺陷的管道，評價流程如圖2所示。

2.1含廣布點腐蝕1級評價

根據(jù)檢查數(shù)據(jù)對含點腐蝕管道進行1級評價，該級別評定所需參數(shù)少，評價結(jié)果較為保守，其步驟如下：

1) 計算遠離廣布點腐蝕區(qū)域的壁厚tc。

(1)

將參數(shù)代入，得tc=26.5 mm。

2) 確定在點蝕損害區(qū)域最大點蝕深度wmax。由表2可知wmax為19.05 mm。

3) 計算剩余壁厚比Rwt并校核。如果Rwt<0.2，則1級評價不滿足。

(2)

將參數(shù)代入得Rwt=0.281，符合要求，繼續(xù)評價。

4) 計算管道的許用工作壓力PMAW，首先確定環(huán)向許用工作壓力PMAWC以及軸向許用工作壓力PMAWL。

(3)

(4)

表2　點腐蝕對檢查數(shù)據(jù)Tab. 2　Inspection data of pit-couple

(5)

將參數(shù)代入式(3)、(4)中，其中內(nèi)徑D=D0-2tnom=1 166 mm，計算出環(huán)向許用工作壓力PMAWC為軸向許用工作壓力PMAWL為25.56 MPa。

根據(jù)式(5)取軸向環(huán)向許用工作壓力以及軸向許用工作壓力較小的值，確定管道的許用工作壓力PMAW為12.21 MPa。

5) 基于點蝕的數(shù)量查找管道上點蝕密度最高的區(qū)域，獲取圖片或者摹拓，選擇準(zhǔn)則中一個含有與組件實際損害大致相同的表面損害程度的點蝕圖，如圖3所示，并計算剩余強度系數(shù)RSF。

表3為對應(yīng)圖3的點腐蝕構(gòu)件剩余強度系數(shù)，管道為圓柱殼體，當(dāng)Rwt=0.4，則RSF=0.78，而且當(dāng)Rwt=0.2，則RSF=0.70，Rwt=0.281，故RSF=0.732 4。

6) 基于API579準(zhǔn)則1級評價理論，計算管道允許的最大安全運行壓力PAWr。

(6)

將參數(shù)代入式(4)中，通過計算得到：PMAWr=9.94 MPa。

因為管道設(shè)計壓力為12 MPa，而管道允許的最大安全運行壓力PMAWr為9.94 MPa，此管道的等級1評價不滿足。

2.2含廣布點腐蝕2級評價

API579準(zhǔn)則的2級評價提供了比1級評價更加精確的評價結(jié)果。點腐蝕2級評價中步驟1)和步驟4)與1級評價完全相同。

1) 確定遠離廣布點腐蝕區(qū)域的壁厚tc為26.5 mm。

2) 計算點腐蝕對的平均坑深wavg。

(7)

從表中提取數(shù)據(jù)并代入式(7)，計算得wavg1為11.43 mm。

3) 計算方向1的膜應(yīng)力σ1和方向2的膜應(yīng)力σ2。

(8)

(9)

將數(shù)據(jù)代入式(8)、式(9)中，計算得到σ1和σ2分別為271.2 MPa和129.6 MPa。

4) 計算管道的許用工作壓力PMAW為12.21 MPa。

5) 計算點腐蝕對1的剩余強度系數(shù)RSF1。需要先進行計算該點蝕對中點蝕平均直徑davg1以及中間變量μavg1、ρ11、ρ21、ψ1、Φ1、Eavg1。

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

逐步代入?yún)?shù)，計算式(10)～式(17)，得到第一組點腐蝕對的剩余強度系數(shù)RSF1為0.815。

6) 依照步驟5的方法代入表2中其他點腐蝕對數(shù)據(jù)，求出其他點腐蝕對的剩余強度系數(shù)RSF1，并計算平均值RSFpit。

(18)

計算得到平均剩余強度系數(shù)RSFpit為0.866。

7) 對于含廣布點蝕缺陷管道，按式(4)計算得到管道允許的最大安全運行壓力PMAWr=11.75 MPa。

因為設(shè)計壓力為12 MPa，而PMAWr=11.75 MPa，此管道不能滿足2級評價。由于計算出點腐蝕缺陷不滿足條件。因此，給出以下建議：對管道進行降壓運行、修理、退役替換或進行3級評價。

2.3含廣布點腐蝕3級評價

當(dāng)點腐蝕缺陷不能滿足1級評價和2級評價時，需要對管道進行3級評價，3級評價是最高水平的評價，評價步驟復(fù)雜，需要更詳盡的點腐蝕檢測數(shù)據(jù)和參數(shù)以及載荷等。一般采用數(shù)值分析的方法，如有限元分析方法，通過使用有效彈性常數(shù)加以近似點腐蝕缺陷管道剛度的降低，或者通過制定一個當(dāng)量壁厚加以近似，該評價方法能夠得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

3　結(jié)論

研究了不同方法評價點腐蝕管道的剩余強度，API 579準(zhǔn)則考慮了相鄰缺陷的相互影響和附加載荷的影響，為點腐蝕缺陷的剩余強度評價提供了更為準(zhǔn)確的方法，更加符合實際，得出API579的評價方法更適合用于點腐蝕缺陷管道評價的結(jié)論，但對使用者的專業(yè)知識水平要求相對較高，而且并不克服其自身固有的保守性。應(yīng)用API579準(zhǔn)則針對含有點腐蝕缺陷管道的剩余強度進行評價，確立了3級評價體系，通過理論研究與實際計算得出：滿足1級評價的管道允許的最大安全運行壓力PMAWr為9.94 MPa，滿足2級評價的管道允許的最大安全運行壓力PMAWr為11.75 MPa。管道允許的最大安全運行壓力值反應(yīng)了管道的極限承載能力，表明API579準(zhǔn)則對含點腐蝕缺陷管道的剩余強度評價具有科學(xué)性和合理性。

[1]孔德軍，吳永忠，龍丹． X70管線鋼焊接接頭慢拉伸應(yīng)力腐蝕行為[J]． 材料熱處理學(xué)報，2011，32(9)：101-105．

[2]API 579-2007Recommended practice for fitness-for-service[S].

[3]ANSI/ASME B31G-2009Manual for determining the remaining strength of corroded pipeline[S]．

[4]DNV RP-F101Recommended practice for corroded pipelines[S]．

[5]SY/T 6151-1995鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評價方法[S]．

[6]SY/T 6477-2000含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法[S]．

[7]SY/T 10048-2003腐蝕管道評估的推薦做法[S]．

[8]DNV OS-F101Submarine pipeline system[S]．

[9]ESCOE A KPiping and pipelines assessment guide[M]. New York:Elsevier，2006．

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

[11]何東升，張鵬，張麗萍． API579與B31G剩余強度評價的保守性分析[J]. 油氣儲運，2008,27(1):36-40．

[12]何東升，郭簡，張鵬． 腐蝕管道剩余強度評價方法及其應(yīng)用[J]． 石油學(xué)報，2007，28(6)：125-128．

Residual Strength Evaluation of Pipeline with Pitting Corrosion Based on API579 Criterion

XU Yin-ping, DUAN Qing-quan, ZHANG Hong

(College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China)

In order to evaluate the residual strength of pipelines with pitting corrosion more accurately, maintain the pipelines more scientifically and reasonably as well as enhance the utilization of pipelines, several evaluation methods for the residual stress of pipelines with pitting were compared, and it was concluded that the API579 criterion was more useful in evaluating the residual strength of pipelines with pitting. Three grades of evaluation for the residual strength of pipelines with pitting were performed based on the API579 criterion. The maximum operating pressure of pipelines at the given defects was obtained through calculation. The pressure value reflects the pressure-bearing capacity of pipelines with pitting corrosion. It turns out that the method of assessing the remaining strength of the pipelines with pitting corrosion defect in API579 is reasonable.

pipeline; residnal strength; API579 criterion; pitting

10.11973/fsyfh-201609013

2015-04-28

中國石油大學(xué)(北京)青年教師專項培養(yǎng)基金項目(KYJJ2012-04-26)

徐寅平(1991-),碩士研究生,主要從事油氣生產(chǎn)裝備失效分析與完整性管理方向的研究工作,15210726974,xyp0924@126.com

TE832

A

1005-748X(2016)09-0748-05