(濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院，濱州 256600)

油氣管道是油氣生產(chǎn)、加工與輸運(yùn)的命脈。根據(jù)2016年北美管線失效原因統(tǒng)計(jì)可知[1]，截致2016年,北美管道事故原因前三位分別為：腐蝕和應(yīng)力腐蝕(占42%)，第三方損害(占23%)以及自然荷載(占19%)。2015年中國陸上油氣管道總里程超過12萬km，每年因腐蝕導(dǎo)致的管線維修、更換、報(bào)廢造成的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)和損失巨大。

國內(nèi)腐蝕管線剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法多以美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASEM)推出的ASME B31G系列標(biāo)準(zhǔn)[2-3]為依據(jù)。中國科學(xué)院金屬研究所國家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心韓恩厚提出了腐蝕裂紋當(dāng)量法，首次把斷裂力學(xué)引入到腐蝕管線剩余強(qiáng)度的計(jì)算中，編寫了我國第一部管道腐蝕損傷評(píng)價(jià)石油行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)即《鋼質(zhì)管道管體腐蝕損傷評(píng)價(jià)方法》SY/T 6151-2009[4]。表1列出了國內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)規(guī)范。其中ASME B31G-1984、ASME B31G-1991和我國的SY/T 6151-2009標(biāo)準(zhǔn)涉及到了腐蝕切向投影等效面積因子(以下簡稱等效面積因子)的計(jì)算，1991年美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)專門修改了ASME B31G-1984標(biāo)準(zhǔn)中等效面積因子，形成了ASME B31G-1991標(biāo)準(zhǔn)，可見其對(duì)管線剩余強(qiáng)度計(jì)算方法的影響之大。SY/T 6151-2009標(biāo)準(zhǔn)中還涉及到材料裂紋張開位移(COD)臨界值的試驗(yàn)測試，由于試驗(yàn)難度較大，故不適合現(xiàn)場工程應(yīng)用，其他兩種標(biāo)準(zhǔn)均默認(rèn)為腐蝕切向投影為矩形，且形狀對(duì)失效壓力計(jì)算方法的影響不大，因此本工作重點(diǎn)分析了ASME B31G-1991、ASME B31G-2009、ASME B31G-2012中涉及的等效面積因子對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響。

表1 五種常用評(píng)價(jià)規(guī)范中失效壓力計(jì)算方法Tab. 1 Calculating methods for failure pressure in five common standards

表1中：σs為管材的屈服強(qiáng)度，MPa；σb為管材的抗拉強(qiáng)度，MPa；a為腐蝕深度，mm；pf為管道的失效壓力，MPa；t為管壁厚度，mm；L為腐蝕長度，mm；D為管道外直徑，mm；M為Folias系數(shù)；σflow為管材的流變應(yīng)力，MPa；R1為管道內(nèi)半徑，mm；R2為管道外半徑，mm；Q為長度校正系數(shù)；E為彈性模量。在實(shí)際工況條件下,管線腐蝕缺陷的軸向投影往往是不規(guī)則的，如圖1所示。目前,廣泛采用的管線內(nèi)腐蝕檢測方法是漏磁技術(shù)，該方法在常規(guī)情況下只能檢測出腐蝕的長度、深度以及寬度，無法給出腐蝕的具體形貌，因此，需要采用合適的方法描述腐蝕形貌。本工作針對(duì)延長油氣田已有的上百處腐蝕缺陷，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法盡可能準(zhǔn)確地描述這些腐蝕形貌。

圖1 管線腐蝕缺陷形貌Fig. 1 Morphology of corrosion defects on pipeline

1 實(shí)際面積因子的影響

研究采用ANSYS軟件分析具有不同實(shí)際腐蝕切向投影面積因子(簡稱實(shí)際面積因子)腐蝕管道的失效壓力，關(guān)于數(shù)值模擬過程中網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證以及ANSYS非線性有限元分析方法的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性已在文獻(xiàn)[7-8]中做了充分證明，在此不再贅述。研究以X65管線鋼為對(duì)象，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 X65管線鋼性能參數(shù)Tab. 2 X65 pipeline steel performance parameters

假設(shè)X65管線鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合文獻(xiàn)[9-12]所描述的冪硬化應(yīng)力-應(yīng)變法則，具有不同實(shí)際面積因子的腐蝕管道模型如圖2所示，在采用的ANSYS非線性有限元分析模型中實(shí)際面積因子互不相同。

計(jì)算分析了46組具有不同腐蝕深度、腐蝕長度、實(shí)際面積因子的管道失效壓力。將已知的實(shí)際面積因子代替等效面積因子帶入ASME B31G-1991和ASME B31G-2009標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法中，得到新的計(jì)算方法ASME B31G-1991-2和ASME B31G-2009-2，具體計(jì)算結(jié)果如表3所示。

將表3中采用ASME B31G-1991、ASME B31G-2009、ASME B31G-1991-2和ASME B31G-2009-2方法計(jì)算的管道失效壓力值與采用ANSYS非線性有限元法的預(yù)測值進(jìn)行對(duì)比，得到殘差平方和，如表3所示?？梢钥闯觯瑧?yīng)用實(shí)際面積因子(ASME B31G-1991-2和ASME B31G-2009-2)計(jì)算的殘差平方和小于應(yīng)用等效面積因子(ASME B31G-1991和ASME B31G-2009)計(jì)算的殘差平方和，尤其是采用ASME B31G-2009-2方法計(jì)算的殘差平方和明顯小于采用ASME B31G-2009方法計(jì)算的，表明實(shí)際面積因子對(duì)ASME B31G-1991和ASME B31G-2009計(jì)算結(jié)果的適應(yīng)性有重大影響。

(a) 單層腐蝕 (b) 環(huán)向雙層腐蝕

(c) 軸向雙層腐蝕 (d) 軸向三層腐蝕 (e) 軸向四層腐蝕 圖2 具有不同實(shí)際面積因子腐蝕的有限元模型Fig. 2 Different equivalent realistic area factor finite element models for corrosion: (a)single layer corrosion; (b)ring double layer corrosion; (c) axial double layer corrosion; (d)three layers of axial corrosion; (e) four layers of axial corrosion

表3 管道失效壓力的非線性有限元預(yù)測值與不同標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算值Tab. 3 Pipeline failure pressure values predicted by nonlinear finite element method and calculated according to different standard methods

表3(續(xù))

4種標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算得到的誤差分析如圖3所示。可以看出，相比ASME B31G-1991和ASME B31G-2009，應(yīng)用了實(shí)際面積因子的ASME B31G-1991-2和ASME B31G-2009-2方法的計(jì)算結(jié)果具有如下改觀：(1) 誤差分布平穩(wěn)，采用ASME B31G-1991-2的46例計(jì)算結(jié)果中，計(jì)算誤差分布在-1.5%～20%的范圍內(nèi)，大部分誤差分布在10%左右，而采用ASME B31G方法的計(jì)算誤差分布在-12%～20%范圍內(nèi)，且分布范圍具有較大的跳躍性，結(jié)果不穩(wěn)定；ASME B31G-2009-2與ASME B31G-2009標(biāo)準(zhǔn)方法具有同樣的特點(diǎn)，而且ASME B31G-2009標(biāo)準(zhǔn)方法的計(jì)算結(jié)果跳躍性更大，穩(wěn)定性較ASME B31G-1991方法的差；(2) 采用ASME B31G-1991方法計(jì)算的結(jié)果中,有超過12例出現(xiàn)了危險(xiǎn)預(yù)測，即預(yù)測值大于實(shí)際失效壓力，而采用ASME B31G-1991-2方法計(jì)算的僅有2例出現(xiàn)了危險(xiǎn)預(yù)測，采用ASME B31G-2009-2方法計(jì)算的出現(xiàn)7例危險(xiǎn)預(yù)測，但危險(xiǎn)預(yù)測維持在5%的范圍內(nèi)。

2 新等效面積因子的影響

綜合上文所述，依據(jù)有限的腐蝕缺陷信息，如腐蝕長度、腐蝕寬度、腐蝕深度等，準(zhǔn)確描述實(shí)際面積因子，對(duì)提高ASME B31G系列評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、安全性具有重要意義。因此以延長油田吳起采油廠油井采出液管線、注水管線以及外輸油管線為研究對(duì)象，應(yīng)用3D測試方法描述腐蝕形貌，計(jì)算腐蝕切向最大投影面積，得到實(shí)際面積因子，分析了近百處腐蝕，分析結(jié)果如表4所示，并提出新等效面積因子確定方法，用以描述實(shí)際面積因子。表4中腐蝕案例的管材信息如表5所示。

對(duì)表4中的74例腐蝕進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)管線腐蝕形貌與管線直徑、壁厚關(guān)系不大，但與管線運(yùn)行工況、輸送介質(zhì)、管材等條件有關(guān)，這涉及到管線的腐蝕機(jī)理，在此不作具體分析。管線腐蝕切向投影特點(diǎn)主要分成如圖4所示的四類。

圖3 應(yīng)用實(shí)際面積因子的不同ASME B31G公式的誤差分析Fig. 3 Error analysis of different ASME B31G formulas with real area factor

表4 腐蝕切向投影面積因子分析Tab. 4 Analysis of tangential projection area factors of corrosion

表4(續(xù))

表5 表4中腐蝕案例的管線參數(shù)Tab. 5 Parameters of pipeline in corrosion cases inTable 4

第一類腐蝕切向投影形貌：局部腐蝕，腐蝕深度較淺，一般小于1.5 mm，腐蝕外圍輪廓呈圓形或者橢圓形，直徑一般小于15 mm，此類占大部分，表中并未全部統(tǒng)計(jì)，本文案例約有7例，如圖4(a)所示，這類實(shí)際面積因子取值在0.60～0.75。

第二類腐蝕切向投影形貌：局部腐蝕，腐蝕深度較深，一般大于1.5 mm，腐蝕外圍輪廓呈圓形或者橢圓形，直徑一般小于15 mm，甚至10 mm，這類較第一類少很多。這類是油氣集輸管線失效的主要原因，是本研究的重點(diǎn)，共列舉了約28例。這類是在第一類局部腐蝕的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，第一類局部腐蝕內(nèi)部環(huán)境與腐蝕介質(zhì)之間的物質(zhì)交換較管內(nèi)其他位置緩慢，長時(shí)間累積就會(huì)誘發(fā)閉塞電池自催化效應(yīng)[13]，發(fā)生氧濃差電化學(xué)腐蝕，局部腐蝕內(nèi)部形成如圖4(b)所示的水滴形局部腐蝕，這類實(shí)際面積因子取值在0.75～0.85。

第三類腐蝕切向投影形貌：均勻腐蝕，腐蝕深度較淺，一般不會(huì)超過1.5 mm，具有一定的腐蝕寬度，腐蝕長度超過20 mm，腐蝕長度/寬度一般大于2，腐蝕外圍輪廓一般呈矩形。這類腐蝕較多，案例約有22例，ASME B31G-1984以及修正版的B31G的評(píng)價(jià)對(duì)象主要針對(duì)這類腐蝕，如圖4(c)所示，因這類均勻腐蝕底部平整，均勻腐蝕區(qū)域內(nèi)不存在局部腐蝕，實(shí)際面積因子取值接近最大腐蝕深度與腐蝕長度形成的矩形面積，在0.85～0.95。

第四類腐蝕切向投影形貌：均勻腐蝕與局部腐蝕的結(jié)合類型，如圖4(d)所示，其與第三類腐蝕的區(qū)別主要是在均勻腐蝕區(qū)域存在局部腐蝕，均勻腐蝕區(qū)域深度與第三類類似，一般不超過1.5 mm，而均勻腐蝕區(qū)域的局部腐蝕深度較深，整體一般超過2 mm(包括均勻腐蝕區(qū)域的深度)，針對(duì)這類腐蝕，漏磁檢測給出的腐蝕長度、寬度為均勻腐蝕的長度、寬度，而腐蝕深度為局部腐蝕深度，因此這類實(shí)際面積因子通常都小于0.5，取值范圍一般在0.2～0.5，因均勻腐蝕區(qū)域腐蝕深度一般小于1.5 mm，大部分小于1.2 mm，因此，第四種腐蝕切向投影面積因子的取值與區(qū)域內(nèi)局部腐蝕的深度直接相關(guān)，深度越大，實(shí)際面積因子則越小。

上述分析知道，可依據(jù)如下方法判斷腐蝕類型，并依據(jù)腐蝕類型確定等效面積因子的取值范圍。

第一類腐蝕的確認(rèn)方法：先分析腐蝕深度，如果深度小于1.5 mm，則腐蝕屬于第一、三類的可能性較大；再分析腐蝕長度，如果長度小于20 mm，則腐蝕屬于第一類的可能性更大；最后再看腐蝕長度與腐蝕寬度比，如果比值小于2，則認(rèn)為屬于第一類。

第二類腐蝕的確認(rèn)方法：先分析腐蝕深度，如果深度大于1.5 mm，則腐蝕屬于第二、四類的可能性較大；再分析腐蝕長度，如果長度小于20 mm，則腐蝕屬于第二類的可能性更大；最后再看腐蝕長度與腐蝕寬度比，如果比值小于2，則認(rèn)為屬于第二類腐蝕。

第三類腐蝕的確認(rèn)方法：先分析腐蝕深度，如果深度小于1.5 mm，則腐蝕屬于第一、第三類的可能性較大；再分析腐蝕長度，如果長度大于20 mm，則腐蝕屬于第三類的可能性更大；最后再看腐蝕長度與腐蝕寬度比，如果比值大于2，則認(rèn)為屬于第三類腐蝕。

第四類腐蝕的確認(rèn)方法：先分析腐蝕深度，如果深度大于1.5 mm，則腐蝕屬于第二、第四類的可能性較大；再分析腐蝕長度，如果長度大于20 mm，則腐蝕屬于第四類的可能性更大；最后再看腐蝕長度與腐蝕寬度比，如果比值大于2，則認(rèn)為屬于第四類腐蝕。

通過明確腐蝕類別的方法可以大致確定新等效面積因子s′的取值范圍，但腐蝕形貌特征參數(shù)，如腐蝕深度1.5 mm、腐蝕長度20 mm等的選擇會(huì)導(dǎo)致四類腐蝕之間存在較大的交集，因此，為了更準(zhǔn)確地描述新等效面積因子的取值，需要可靠性更高的腐蝕形貌特點(diǎn)。

(a) 第一種 (b) 第二種 (c) 第三種 (d) 第四種 圖4 四種典型的腐蝕缺陷切向投影形貌Fig. 4 Four types of typical corrosion tangential projection topography: (a) type one; (b) type two; (c) type three; (d) type four

圖5表示腐蝕深度對(duì)新等效面積因子的影響。從圖5可以看出，當(dāng)腐蝕深度大于臨界值3.5 mm后，新等效面積因子的取值只有2個(gè)范圍區(qū)間，即第二、第四類腐蝕新等效面積因子的取值區(qū)間;當(dāng)腐蝕深度范圍在1.5～3.5 mm時(shí)，新等效面積因子的取值區(qū)間為0.35～0.95，其范圍非常寬泛，不易確定。

圖5 腐蝕深度對(duì)新等效面積因子的影響Fig. 5 Effect of corrosion depth on the new equivalent area factor

圖6表示腐蝕長度對(duì)新等效面積因子的影響。從圖6可以看出，當(dāng)腐蝕長度大于臨界值40 mm后，新等效面積因子的取值只有2個(gè)范圍區(qū)間，即第三、第四類腐蝕新等效面積因子的取值區(qū)間;當(dāng)腐蝕長度范圍在20～40 mm時(shí)，新等效面積因子的取值區(qū)間為0.5～0.95，其范圍非常寬泛，不易確定。

圖6 腐蝕長度對(duì)新等效面積因子的影響Fig. 6 Effect of corrosion length on the new equivalent area factor

3 實(shí)例分析

用新等效面積因子代替等效面積因子帶入ASME B31G-1991、ASME B31G-2009方法中，得到新計(jì)算方法ASME B31G-1991-3、ASME B31G-2009-3。選取文獻(xiàn)[14-19]中X42、X46、X52三種不同鋼級(jí)12例含軸向腐蝕管道的爆破失效壓力，分析ASME B31G-1991-3、ASME B31G-2009-3計(jì)算結(jié)果的適應(yīng)性，結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，ASME B31G-1991-3計(jì)算得到的失效壓力與爆破試驗(yàn)值之間的殘差平方和是用ASME B31G-1991方法計(jì)算的1/2，ASME B31G-2009-3計(jì)算得到的失效壓力與爆破試驗(yàn)值之間的殘差平方和是ASME B31G-2009計(jì)算的2/7。這表明新描述方法得到的新等效面積因子的取值優(yōu)于ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法的選值。

4種方法計(jì)算得到的誤差分析如圖7所示?？梢钥闯?，相比ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法，應(yīng)用了新等效面積因子的ASME B31G-1991-3和ASME B31G-2009-3方法與圖3所示的誤差分析類似，都具有誤差分布平穩(wěn)的特點(diǎn)，ASME B31G-1991-3的計(jì)算誤差分布在20%以內(nèi)，平均約為10%，而ASME B31G-1991的計(jì)算誤差分布在50%以內(nèi)，且分布范圍具有較大的跳躍性，結(jié)果不穩(wěn)定；ASME B31G-2009-3方法得到的誤差分析具有同樣的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1) 面積因子對(duì)ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法的計(jì)算結(jié)果具有重要影響，應(yīng)用了實(shí)際面積因子的ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法計(jì)算結(jié)果與非線性有限元預(yù)測結(jié)果的殘差平方和小，誤差分布平穩(wěn)，大部分計(jì)算結(jié)果分布在10%左右；危險(xiǎn)預(yù)測出現(xiàn)頻率低，且危險(xiǎn)預(yù)測一般維持在5%的范圍內(nèi)。

表6 管道失效壓力的試驗(yàn)值與不同標(biāo)準(zhǔn)方法的計(jì)算值Tab. 6 Test values and calculated values according to different standard methods for pipeline failure pressure

圖7 應(yīng)用新等效面積因子的不同ASME B31G公式的誤差分析Fig. 7 Error analysis of different ASME B31G formulas with the new equivalent area factor

(2) 針對(duì)腐蝕深度、長度以及寬度特點(diǎn)，提出了四種腐蝕形貌類型及其劃分方法，描述了四種腐蝕類型的深度、長度、腐蝕形態(tài)特點(diǎn)，并依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果提出了各類面積因子的取值范圍及計(jì)算方法。

(3) 為了更精確地描述等效面積因子的取值，給出了結(jié)合腐蝕深度臨界值3.5 mm、腐蝕長度臨界值40 mm以及四種腐蝕形貌類型特點(diǎn)三個(gè)方面的信息優(yōu)化等效面積因子的取值方法。

(4) 應(yīng)用新等效面積因子的ASME B31G-1991和ASME B31G-2009方法的計(jì)算結(jié)果與已有的爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，殘差平方和以及誤差分布的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于應(yīng)用固定等效面積因子。