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(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津 300452；2.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司， 天津 300452)

海底管道是海洋石油生產(chǎn)系統(tǒng)中輸送原油、天然氣和生產(chǎn)水等的重要設(shè)施。由于輸送的介質(zhì)中含有腐蝕性物質(zhì)，海底管道不可避免地會發(fā)生管內(nèi)腐蝕。此外，盡管海底管道都帶有外防腐層，但也曾出現(xiàn)過節(jié)點(diǎn)處密封不良導(dǎo)致海水滲透進(jìn)入防腐層下而引發(fā)的管外腐蝕。腐蝕會導(dǎo)致海底管道的壁厚減薄，甚至?xí)纬筛g坑、孔等局部缺陷。在管內(nèi)腐蝕不可避免和管外腐蝕較難查找及修復(fù)的實(shí)際情況下，海底管道難免會在含腐蝕缺陷的情況下運(yùn)行，這就需要對海底管道在腐蝕缺陷存在條件下是否可以繼續(xù)服役進(jìn)行安全評價。

安全評價又稱適用性評價(Fitness for Service)，是對含缺陷設(shè)備/結(jié)構(gòu)是否適合于繼續(xù)服役使用而進(jìn)行的定量工程評價[1]。安全評價是在對設(shè)備或結(jié)構(gòu)的缺陷定量檢測的基礎(chǔ)上，通過嚴(yán)格的理論分析與計算，確定缺陷是否危害設(shè)備或結(jié)構(gòu)的安全可靠性，并根據(jù)缺陷的動力學(xué)發(fā)展規(guī)律，預(yù)測設(shè)備或結(jié)構(gòu)的安全服役壽命[1]。安全評價通常包括剩余強(qiáng)度評價和剩余壽命預(yù)測2方面的內(nèi)容。剩余強(qiáng)度評價的目標(biāo)是確定設(shè)備或結(jié)構(gòu)的最大允許工作壓力以及是否需要降壓運(yùn)行、維修或更換，剩余壽命預(yù)測的目標(biāo)是確定設(shè)備或結(jié)構(gòu)的剩余服役時間、檢測或維修間隔[2-4]。因此，對含腐蝕缺陷的海底管道進(jìn)行安全評價，確定海底管道的剩余強(qiáng)度和剩余壽命，可以確保海底管道在安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，減少不必要的檢測、維修或更換費(fèi)用，顯著提高海底管道的運(yùn)行效益。

文中列出了含腐蝕缺陷海底管道安全評價常用的方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，研究比較了這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的異同點(diǎn)，給出了這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的適用條件，以期為含腐蝕缺陷海底管道安全評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的選取和使用提供指導(dǎo)和借鑒。

1 海底管道腐蝕缺陷安全評價常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前國內(nèi)進(jìn)行管道腐蝕缺陷安全評價時常用的方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范基本信息見表1[5-10]。在內(nèi)容上，表1中3個國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)基本上是對3個國外標(biāo)準(zhǔn)的等同采用或修改采用。

表1 管道腐蝕缺陷安全評價常用方法標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

2 海底管道腐蝕缺陷安全評價標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)

2.1 ASME B31G

ASME B31G—2012僅根據(jù)缺陷的深度和長度評價含腐蝕缺陷管道在多大的運(yùn)行壓力下不會發(fā)生斷裂，無法對復(fù)雜形狀的腐蝕缺陷進(jìn)行評價，得到的只是偏保守的半經(jīng)驗(yàn)評價結(jié)果，因此適用于管材等級較低、服役年限較長的老舊管道的評價[11-12]。后續(xù)研究人員針對該標(biāo)準(zhǔn)的局限性進(jìn)行了一些修正，一定程度上彌補(bǔ)了其不足[5,13]。

ASME B31G—2012對腐蝕缺陷無均勻腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)蝕之分。ASME B31G—2012安全評價共分四級[5]，其中零級評價通過管道的外徑、名義壁厚和檢測的最大腐蝕缺陷深度查表確定允許的最大缺陷軸向長度，并與實(shí)際檢測的缺陷軸向長度進(jìn)行比較，特點(diǎn)是快速判定缺陷是否可以接受以及是否需要進(jìn)行一級評價，屬于一種快速篩選評價。一級評價需使用較多的管道基礎(chǔ)資料，需通過計算評估管道在缺陷存在下的安全操作壓力，評估結(jié)果更準(zhǔn)確，屬于常規(guī)評價。二級評價又稱有效面積法或Rstreng法，是在一級評價的基礎(chǔ)上，采用更多的缺陷檢測數(shù)據(jù)，對管道失效應(yīng)力計算方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，盡管計算過程復(fù)雜很多，但評估結(jié)果也更加準(zhǔn)確。三級評價是采用數(shù)值方法(如有限元方法)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)建模評價，建模和計算過程復(fù)雜。ASME B31G—2012方法最常采用的是一級評價方法。

SY/T 6151—2009是對ASME B31G—1991的修改采用(考慮了環(huán)向損傷的影響，并采用Rstreng屈服強(qiáng)度計算公式代替原版中的計算公式)，修正了ASME B31G—1991評價結(jié)果過于保守的缺點(diǎn)，結(jié)果也比較準(zhǔn)確[8，12]。

2.2 DNV RP F101

DNV RP F101—2015基于大量爆破試驗(yàn)獲得的管道爆破和管材性質(zhì)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫并利用三維非線性彈塑性有限元分析等方法，可進(jìn)行單個缺陷、相互作用缺陷和復(fù)雜形狀缺陷的評價，考慮了管道所受的軸向荷載和彎曲荷載，其評價結(jié)果保守程度低，適用于中高鋼級別管道(可達(dá)X80)的評價，特別適合高強(qiáng)度、大口徑海底管道的評價，但對于老管道應(yīng)慎重采用此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價[12,14]。

DNV RP F101—2015安全評價方法無均勻腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)蝕等類型之分，也無級別之分，它提供的是分項安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法2種評價方法[7，10]。分項安全系數(shù)法與DNV OS F101—2013《Submarine Pipeline Systems》[15]采用的安全原理一致，符合DNV OS F101—2013且是其補(bǔ)充，特別考慮了材料性質(zhì)和腐蝕缺陷尺寸測量的不確定性。許用應(yīng)力法是一種基于許用應(yīng)力設(shè)計(ASD)的方法，通過計算含腐蝕缺陷管道的失效壓力，再將其乘以一個基于初始設(shè)計系數(shù)的單一使用因數(shù)而得到管道的安全操作壓力，但將腐蝕缺陷尺寸測量的不確定性交由用戶判斷是否需要考慮[10]。DNV RP F101—2015的適用性評價方法比較復(fù)雜，通常采用的是分項安全系數(shù)法(因管道通常采用內(nèi)檢測器進(jìn)行剩余壁厚測量，考慮到儀器測量的不確定性，該方法更適用)。SY/T 10048—2003是對DNV RP F101—1999的等同采用[10-11]。

2.3 API 579

API 579-1/ASME FFS-1—2016是API RP 579—2000《Fitness for Service》[16]及其升級版API 579-1/ASME FFS-1—2007《Fitness-for-Service》[17]的最新修訂改進(jìn)版，通過與煉化和石化行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)API 510—2014《Pressure Vessel Inspection Code: In-service Inspection, Rating, Repair, and Alteration》[18]、API 570—2016《Piping Inspection Code: In-service Inspection, Rating, Repair, and Alteration of Piping System》[19]和API 653—2014《Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction》[20]的聯(lián)合應(yīng)用，拓寬了安全評價技術(shù)的研究范圍，是目前工程上比較先進(jìn)和準(zhǔn)確的分級評價標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅考慮了由于內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力和溫度、泊松效應(yīng)引起的軸向應(yīng)力(徑向應(yīng)力可忽略不計)，還考慮了重量荷載、溫差荷載等附加荷載對結(jié)構(gòu)安全可靠性的影響，可針對獨(dú)立缺陷、相互作用缺陷和復(fù)雜形狀缺陷進(jìn)行評價[6]。

API 579-1/ASME FFS-1—2016將安全評價分為三級。一級評價也稱為篩選評價，使用的檢測數(shù)據(jù)較少，計算過程簡單，計算結(jié)果偏保守。二級評價也稱為常規(guī)評價，使用的檢測數(shù)據(jù)較多，計算過程復(fù)雜，計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。三級評價與ASME B31G—2012的四級評價相同，也是采用數(shù)值方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)和缺陷建模來進(jìn)行評價，建模和計算過程復(fù)雜，一般需要借助專業(yè)的軟件(如有限元計算軟件)進(jìn)行[11,14]。因此，可根據(jù)缺陷的具體情況和獲得的檢測數(shù)據(jù)的數(shù)量，有針對性地選擇相應(yīng)的評價等級。特別是該方法中的危險厚度截面(CTP)可以精確表征缺陷處剩余厚度的情況，能更精確地對管道缺陷進(jìn)行安全評價[12]。

API 579-1/ASME FFS-1—2016將腐蝕缺陷劃分為均勻腐蝕、局部腐蝕和點(diǎn)蝕3個類型，并給出了各類腐蝕缺陷的具體評價方法，評價結(jié)果針對性更強(qiáng)、更加準(zhǔn)確[6，21]。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6477—2014是對API 579-1/ASME FFS-1—2007《Fitness-for-Service》[17]的均勻腐蝕、局部腐蝕和裂紋型缺陷評價方法的修改采用。

2.4 腐蝕缺陷適用性評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對比

為了方便對比，對常用腐蝕缺陷安全評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了匯總，見表2。

表2 腐蝕缺陷適用性評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對比

3 案例海底管道及缺陷檢測概況

某在役海底管道內(nèi)徑為2 438.4 mm，忽略附加載荷，其設(shè)計條件和制造要求見表3[22]。

表3 待評價管道基礎(chǔ)信息資料

該管道內(nèi)表面存在一個局部減薄型腐蝕缺陷，要求評價該管道是否可以繼續(xù)服役運(yùn)行。對海管進(jìn)行腐蝕測量，其內(nèi)表面局部腐蝕缺陷的輪廓及剩余壁厚檢測網(wǎng)格設(shè)置見圖1。

圖1 海底管道內(nèi)腐蝕局部缺陷輪廓及剩余壁厚檢測網(wǎng)格設(shè)置示圖

缺陷處的剩余壁厚檢測結(jié)果見表4，其中軸向的厚度讀數(shù)間距為12.70 mm，環(huán)向的厚度讀數(shù)間距為25.40 mm，局部腐蝕缺陷區(qū)遠(yuǎn)離所有的焊縫，距離最近的主結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的長度Lmad=1 524 mm。

表4 海底管道內(nèi)腐蝕局部缺陷處剩余壁厚檢測結(jié)果 mm

4 案例海底管道腐蝕缺陷安全評價

海底管道許用應(yīng)力僅為120.575 MPa，不適合按照DNV RP F101—2015進(jìn)行安全評價。筆者按照ASME B31G—2012或API 579/ASME FFS-1—2016進(jìn)行適用性評價，評價過程中所用變量符號的名稱與單位與標(biāo)準(zhǔn)中的符號說明相同。

4.1 依據(jù)ASME B31G—2012評價

4.1.1零級評價

先采用零級評價方法對該腐蝕缺陷進(jìn)行安全評價。零級評價分3個步驟進(jìn)行：①確定該管道的名義外徑D和名義壁厚tnom。②確定腐蝕缺陷的最大腐蝕深度d和軸向尺寸L。③根據(jù)管道外徑D、名義壁厚tnom和缺陷最大深度d，查表確定允許的腐蝕缺陷最大軸向尺寸Lmax。若缺陷的軸向尺寸L≤Lmax，則該腐蝕缺陷可以接受，管道可以繼續(xù)服役運(yùn)行，否則應(yīng)進(jìn)行一級評價。

已知tnom=31.75 mm，Di=2 438.4 mm，則D=Di+2tnom=2 438.4+2×31.75=2 501.9(mm)。根據(jù)表4，缺陷處最小剩余壁厚tmm=11.94 mm，則最大腐蝕深度d=tnom-tmm=31.75-11.94=19.81(mm)，缺陷的軸向尺寸L=12.70×8=101.6(mm)。根據(jù)該管道腐蝕缺陷數(shù)據(jù)，查文獻(xiàn)[5]中表Table 3-12M發(fā)現(xiàn)該管道外徑D超出表格范圍，無法查得Lmax。因此，應(yīng)進(jìn)行一級評價。

4.1.2一級評價

一級評價分7個步驟進(jìn)行：①與零級評價第①步相同。②與零級評價第②步相同。③計算腐蝕缺陷尺寸參數(shù)z。④采用原始ASME B31G方法(也可采用改進(jìn)的ASME B31G方法)計算評估管道的失效應(yīng)力SF。⑤計算評估管道的失效壓力PF。⑥計算評估管道的安全操作壓力PS。⑦判斷管道是否可以繼續(xù)服役運(yùn)行。當(dāng)評估的結(jié)構(gòu)安全操作壓力PS大于等于設(shè)計壓力P時，該含缺陷結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)以設(shè)計壓力服役運(yùn)行。否則，該含缺陷結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)以設(shè)計壓力P服役運(yùn)行，應(yīng)降壓至評估的結(jié)構(gòu)安全操作壓力PS運(yùn)行。

評價計算過程如下：

經(jīng)計算得PS=3.25 MPa，由于PS>P，因此該海底管道可以繼續(xù)運(yùn)行，最大允許工作壓力為設(shè)計壓力。該缺陷滿足一級評價接受標(biāo)準(zhǔn)，因此不需要進(jìn)行二級評價。

4.2 依據(jù)API 579/ASME FFS-1—2016評價

4.2.1方法概述

4.2.2評價計算過程

(1)根據(jù)表4，C1～C9環(huán)向檢測面上的軸向CTP依次為29.21 mm、20.57 mm、19.05 mm、17.78 mm、15.75 mm、11.94 mm、16.51 mm、22.86 mm、29.21 mm，M1～M5軸向檢測面上的環(huán)向CTP依次為29.21 mm、17.78 mm、11.94 mm、20.57 mm、29.21 mm。

(2)已知tnom=31.75 mm，LOSS=2.54 mm，F(xiàn)CA=3.175 mm，則trd=tnom-LOSS=31.75-2.54=29.2(mm)，tc=trd-FCA=29.21-3.175=26.035(mm)。

(3)根據(jù)表4，缺陷處的最小測量壁厚值tmm=11.94 mm。缺陷的尺寸是軸向和環(huán)向CTP讀數(shù)大于等于trd的2個端點(diǎn)間的距離，因此缺陷的軸向長度s=8×12.7=101.6(mm)，環(huán)向長度c=4×25.4=101.6(mm)。

檢查是否存在相互影響缺陷。以研究的海底管道缺陷中心為中心，在2倍的軸向長度和環(huán)向長度形成的矩形范圍內(nèi)檢查是否有其他缺陷或者是否與其他缺陷交叉(圖2)。如在該范圍內(nèi)無其他缺陷且不與其他缺陷交叉，則不存在相互影響缺陷；如在該范圍內(nèi)有其他缺陷或與其他缺陷交叉，則存在相互影響缺陷，缺陷的軸向長度和環(huán)向長度要擴(kuò)展至將相互影響缺陷包括在內(nèi)。經(jīng)檢查，該管道的此處缺陷不存在相互影響缺陷，缺陷的軸向長度和環(huán)向長度無需擴(kuò)展。

圖2 相互影響缺陷判定示圖

(6)該缺陷為局部減薄型局部腐蝕缺陷，不需要檢查溝槽缺陷的接受標(biāo)準(zhǔn)。

(11)根據(jù)λc=0.517、Rt=0.336 6和TSF=1.110 6，查圓柱殼體結(jié)構(gòu)局部腐蝕缺陷的最大允許環(huán)向程度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)圖(圖3)，得Rt_min=0.2，Rt=0.336 6≥Rt_min=0.2，因此判定缺陷的環(huán)向程度可以接受。

圖3 圓柱殼體結(jié)構(gòu)局部腐蝕缺陷的最大允許環(huán)向程度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)圖

(12)根據(jù)λ=0.517和Rt=0.336 6，查圓柱殼體結(jié)構(gòu)的剩余厚度比驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)圖(圖4)。Rt位于圖4所示曲線的下方，所以需要判斷RSF與RSFa的大小關(guān)系。因?yàn)镽SF=0.900 4≥RSFa=0.9，所以缺陷的軸向程度可以接受，缺陷滿足一級評價接受標(biāo)準(zhǔn)，不需要進(jìn)行二級評價。

圖4 圓柱殼體結(jié)構(gòu)的剩余厚度比驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

(13)當(dāng)評估的最大允許工作壓力MAWP大于等于設(shè)計壓力P且缺陷的環(huán)向尺寸、環(huán)向程度和軸向程度均可以接受時，該含缺陷結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)以設(shè)計壓力服役運(yùn)行。否則，該含缺陷結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)以設(shè)計壓力P服役運(yùn)行，應(yīng)進(jìn)行二級評價或降壓至評估的結(jié)構(gòu)最大允許工作壓力MAWP運(yùn)行。

在本案例中，MAWP>P且缺陷的環(huán)向尺寸、環(huán)向程度和軸向程度均可以接受，該管道可以繼續(xù)服役運(yùn)行，最大允許工作壓力為設(shè)計壓力。事實(shí)上，本案例中評估得到的最大允許工作壓力MAWP大于設(shè)計壓力P，但仍需以設(shè)計壓力運(yùn)行。

5 結(jié)語

海底管道的腐蝕缺陷安全評價應(yīng)根據(jù)各安全評價標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)、適用范圍，海底管道的基礎(chǔ)信息資料、材質(zhì)強(qiáng)度和缺陷數(shù)據(jù)，綜合選擇合適的安全評價標(biāo)準(zhǔn)。ASME B31G—2012中的零級和一級評價方法需要的缺陷數(shù)據(jù)較少，評價過程和計算方法也較為簡單。API 579—2016中評價方法需要的缺陷數(shù)據(jù)較多，評價過程和計算方法也較復(fù)雜，但評價過程中考慮到的因素多，評價結(jié)果相對更為可靠。DNV RP F101—2015不適于材質(zhì)等級較低的老管道缺陷的安全評價。

在進(jìn)行安全評價時，應(yīng)熟悉安全評價所需的參數(shù)、數(shù)據(jù)及其相互聯(lián)系，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和步驟進(jìn)行評價。通過軟件化可將評價方法固化，有利于提高工作效率和避免評價過程中的人為疏漏或計算錯誤。對于基礎(chǔ)信息資料不完整的海底管道，進(jìn)行安全評價時應(yīng)按照保守原則取值，以確保安全評價的進(jìn)行和評價結(jié)果的可靠性，防止因參數(shù)取值不當(dāng)導(dǎo)致不保守或錯誤的評價結(jié)果，致使本來應(yīng)該維修、更換或降壓運(yùn)行的海底管道仍然按照正常設(shè)計運(yùn)行而發(fā)生事故。