戴政

西安西北石油管道有限公司

 

摘要：為了確保油氣管道在服役期間的安全運(yùn)行，使用合適的方法評價管道剩余強(qiáng)度就顯得十分重要。分析對比了ASME B31G―2012、DNV-RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579等國內(nèi)外方法及有限元分析法，總結(jié)了各方法的異同點(diǎn)和局限性，進(jìn)行了各評價方法關(guān)于缺陷長度的保守性對比。結(jié)果表明：流變應(yīng)力隨著鋼級增高而增大；當(dāng)缺陷長度小于某一數(shù)值時，膨脹系數(shù)會隨著缺陷長度增加而增大；當(dāng)缺陷長度小于或大于某一數(shù)值時，各種方法的評價保守性從低到高不同。研究結(jié)論為工程管理人員選取管道剩余強(qiáng)度評價方法提供了參考。

關(guān)鍵詞：管道剩余強(qiáng)度；評價方法；膨脹系數(shù)；缺陷長度；保守性對比

 

油氣管道運(yùn)行期間極易受到內(nèi)部與外部雙重腐蝕，造成壁厚減薄、管道剩余強(qiáng)度降低，影響管道安全[1]。為了有效評價管道剩余強(qiáng)度，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出了多種評價方法，較為經(jīng)典的有ASME B31G―2012、DNV-RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579等選用方法，以及眾多學(xué)者提出的有限元分析方法[2-3]。由于流變應(yīng)力是根據(jù)實(shí)際材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)而定義的虛擬屈服壓力[4]，本文將各方法中所使用的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度定義為流變應(yīng)力，對各種油氣管道剩余強(qiáng)度評價方法的參數(shù)選取以及剩余強(qiáng)度計算結(jié)果進(jìn)行分析對比，并通過計算結(jié)果與爆破壓力的差值驗證各方法的保守性強(qiáng)弱，以此說明各種方法的異同點(diǎn)與保守性，為工程管理人員選取油氣管道剩余強(qiáng)度評價方法提供參考。

1  剩余強(qiáng)度評價方法

ASME B31G―2012規(guī)定可選取國際上認(rèn)可的三種流變應(yīng)力，并采用了Benjamin A.C、Andrade E.Q以及Freire J.L.F等學(xué)者最新的研究成果：相鄰腐蝕缺陷軸向間距和環(huán)向間距均小于3倍壁厚時，相鄰腐蝕缺陷相互影響；否則相鄰腐蝕缺陷之間沒有影響[5]。雖然該版本較之前的評價結(jié)果更加精確，具有更高的工程實(shí)踐價值，但仍存在一些局限：①對于部分鋼級，未規(guī)定工程人員如何選擇適當(dāng)?shù)牧髯儜?yīng)力進(jìn)行評估；②由于將有相互影響作用的眾多缺陷看成一個整體，該方法只需要兩個參數(shù)（缺陷長度和深度）來進(jìn)行評價，無法準(zhǔn)確反應(yīng)缺陷對管道強(qiáng)度的影響。

DNV RP-F101不僅考慮了內(nèi)壓作用，還考慮了管道所受的軸向和彎曲載荷[6]，對膨脹系數(shù)修正后，在許用應(yīng)力法中，采用抗拉強(qiáng)度作為流變應(yīng)力進(jìn)行管道剩余強(qiáng)度的計算公式。該方法由于開發(fā)數(shù)據(jù)庫較新，保守程度低，應(yīng)用越來越廣泛。

PCORRC是Stephens采用有限元仿真得到的一種評價方法[7]，該方法使用抗拉強(qiáng)度和膨脹系數(shù)計算管道剩余強(qiáng)度，將相鄰腐蝕缺陷視為孤立腐蝕缺陷進(jìn)行評價，但是沒有給出管道腐蝕缺陷相互作用的具體準(zhǔn)則供使用人員參考。

SY/T 6151―2009采用蝕坑深度、蝕坑軸向、環(huán)形長度等參數(shù)計算，將管道剩余強(qiáng)度分為三類，以便采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。將最小屈服強(qiáng)度極限定義為流變應(yīng)力，采用最大剪切力屈服強(qiáng)度理論計算管道剩余強(qiáng)度[8]。和ASME B31G不同的是：①該方法規(guī)定當(dāng)缺陷長度L大于管道外徑D時，取D；②該方法指出相鄰腐蝕坑之間未腐蝕區(qū)域的縱向長度小于25 mm時，環(huán)向最小長度小于6倍壁厚時，均可將相鄰腐蝕坑當(dāng)做同一腐蝕坑處理，由于忽略了相鄰蝕坑之間的相互作用，所以無法精確評價管道剩余強(qiáng)度。

API-579方法在ASME B31G的基礎(chǔ)之上，考慮了相鄰缺陷和附加載荷的影響，建立了油氣管道缺陷尺寸、管道參數(shù)以及承壓能力之間的關(guān)系，從而一定程度上改善了ASME B31G中所存在的問題，其將流變應(yīng)力定義為材料的最小屈服強(qiáng)度來進(jìn)行管道剩余強(qiáng)度的計算[9]，此方法將腐蝕缺陷分為均勻腐蝕、局部腐蝕、點(diǎn)蝕三類，但并沒有給出明確的定義加以區(qū)分。

由于油氣管道所受載荷的復(fù)雜性，以上方法均有局限，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，眾多研究者針對這個問題提出了有限元分析法，考慮不同載荷的耦合作用，借助ANSYS軟件對管道缺陷部分進(jìn)行建模，使其更加接近實(shí)際，從而實(shí)現(xiàn)對管道剩余強(qiáng)度較為精確地評價[10]。但此方法建模分析過程較為復(fù)雜，而且由于沒有推薦使用的公式，遠(yuǎn)不如以上方法使用方便，所以本文主要圍繞上述五種方法展開討論。

2  參數(shù)選取對剩余強(qiáng)度計算結(jié)果的影響

2.1  流變應(yīng)力

引起管道剩余強(qiáng)度評價結(jié)果差異的主要原因是由于各方法中流變應(yīng)力的選值不同，而流變應(yīng)力與管道性能參數(shù)有關(guān)，故選擇X42―X80之間8種不同鋼級管道的性能參數(shù)進(jìn)行計算，見圖 1。

圖 1 流變應(yīng)力隨鋼級變化圖

由圖 1可知，上述五種方法中涉及的流變應(yīng)力均隨著管道鋼級的增高而增大。需要說明的是， ASME B31G規(guī)定X80管道只能使用（SMYS+SMTS）/2來計算流體應(yīng)力，所以圖 1中無X80管道的其他流變應(yīng)力值。

2.2  膨脹系數(shù)

采用文獻(xiàn)[11]中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別使用ASME B31G―2012、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579來對比腐蝕長度L對膨脹系數(shù)M的影響，如圖 2所示。

圖 2 不同方法中膨脹系數(shù)M隨缺陷長度L變化分析圖

由圖 2可知，ASME B31G、PCORRC以及DNV RP-F101中膨脹系數(shù)M均隨著缺陷長度L的增大而增大，但PCORRC中M的計算值只會無限趨近于1；對于API-579和SY/T 6151―2009，當(dāng)L小于某一個值時，M會隨著L的增加而增大，當(dāng)大于該值時，M 隨 L不再發(fā)生變化，這是由于API-579規(guī)定λ最大取20，SY/T 6151―2009規(guī)定當(dāng)L大于管道外徑D時，L取D值計算引起。

3  評價方法的保守性分析

通過對以上五種方法進(jìn)行分析，可得出流變應(yīng)力和膨脹系數(shù)的選取必然會引起管道剩余強(qiáng)度評價結(jié)果的不同，因此我們有必要探究不同方法對管道剩余強(qiáng)度評價的影響，故選取低強(qiáng)度鋼X42、中強(qiáng)度鋼X60、高強(qiáng)度鋼X80三種管道進(jìn)行以上五種方法隨缺陷長度變化的評價保守性對比分析，如圖 3―5所示。

圖 3 X42管道失效壓力隨缺陷長度L變化圖

圖 4 X60管道失效壓力隨缺陷長度L變化圖

圖 5 X80管道失效壓力隨缺陷長度L變化圖

由圖 3―5可知，無論低中高強(qiáng)度鋼管道，當(dāng)缺陷長度小于某一值時，上述五種方法的評價保守性從低到高依次為DNV RP-F101、PCORRC、ASME B31G－2012、SY/T 6151－2009、API-579；大于該值時，對于X42管道，評價保守性從低到高依次為ASME B13G（SMYS+69）、ASME B31G[(SMYS+SMTS)/2]、DNV RP-F101、ASME B31G（1.1SMYS）、PCORRC、SY/T 6151－2009、API-579，對于X60、X80管道，評價保守性從低到高依次為B31G、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151-2009、API-579。可以得出，在ASME B31G評價方法中，選用不同的流變應(yīng)力會導(dǎo)致其保守性與DNV RP-F101保守性比較結(jié)果的不同。

同時將各方法對于不同鋼級管道的計算結(jié)果與實(shí)驗爆破壓力相減，其差值隨缺陷長度變化如圖 6所示。

圖 6 各方法計算結(jié)果與爆破壓力差值隨缺陷長度L變化圖

通過圖 6，我們可以得出各方法計算的失效壓力大多數(shù)都低于實(shí)驗爆破壓力，均可滿足生產(chǎn)安全需要，且與圖 3―5結(jié)論基本一致。總體來說，當(dāng)缺陷長度大于該值時，評價方法的保守性從低到高依次為ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579。若使用API-579方法評價管道，對于在役時間較短的管道，可能會造成管材浪費(fèi)等問題，但對于年久失修的老管道來說，API-579無疑是最安全的一種評價方法。

4  結(jié)論

（1）以上五種方法中所使用的流變應(yīng)力均與管道性能參數(shù)有關(guān)，且隨著鋼級增高而增大；當(dāng)缺陷長度小于某一數(shù)值時，膨脹系數(shù)會隨著缺陷長度增加而增大，超出這一數(shù)值后，API-579和SY/T 6151―2009中膨脹系數(shù)會保持一定。

（2）當(dāng)缺陷長度小于某一數(shù)值時，上述五種方法的評價保守性從低到高依次為DNV RP-F101、PCORRC、ASME B31G-2012、SY/T 6151―2009、API-579；大于該值時，總體來說評價方法的保守性從低到高依次為B31G、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579。

（3）進(jìn)行評價時可根據(jù)檢測出的管道缺陷長度，結(jié)合管道使用年限、維修次數(shù)等，選用保守性適當(dāng)?shù)脑u價方法。

 

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作者簡介：戴政， 1995年生，西安石油大學(xué)油氣儲運(yùn)工程碩士研究生畢業(yè)，現(xiàn)從事管道維搶修、油氣管道運(yùn)行等工作。聯(lián)系方式：13088987401， xsydz1995@163.com。