腐蝕海底管道剩余強度評估與應(yīng)用

劉極莉 劉偉

摘 ?要：在海上油氣田調(diào)整項目中，由于絕大多數(shù)老海管缺少腐蝕檢測數(shù)據(jù)，因此強度校核都是基于設(shè)計時期的腐蝕裕量。然而海管出現(xiàn)的局部腐蝕，可能缺陷深度更深、面積更大，成為老海管安全運行的隱患。文章介紹了兩種基于規(guī)范的腐蝕海底管道剩余強度評估方法，并通過工程實例，將其與腐蝕裕量校核方法進行比較。針對腐蝕海底管道評估的建議，對已建海底管道的結(jié)構(gòu)校核和新建海底管道完整性設(shè)計及管理都具有參考意義。

關(guān)鍵詞：腐蝕;海底管道;強度

中圖分類號：TE988.2 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）06-0169-03

目前，我國有很多海上油氣田都已到達了調(diào)整期，在一些調(diào)整項目中，由于絕大多數(shù)老海管缺少腐蝕檢測數(shù)據(jù)，因此老海管的結(jié)構(gòu)校核都是基于設(shè)計時期的均勻腐蝕裕量。然而經(jīng)過多年的服役，內(nèi)部介質(zhì)溫度和壓力的作用、波流等外界環(huán)境的作用、啟動關(guān)停等人為操作的不斷變化等因素，往往使海底管道出現(xiàn)的局部腐蝕，可能缺陷深度更深、面積更大，成為老海管繼續(xù)安全運行的隱患。雖然海上油氣田調(diào)整中，絕大多數(shù)老海管仍是在壽命期內(nèi)，但僅依據(jù)設(shè)計階段的均勻腐蝕裕量對其進行強度評估，就會忽略其局部腐蝕缺陷所帶來的風(fēng)險。

DNV-RP-F101針對腐蝕海底管道的剩余強度評估推薦了兩種評估方法，分別是許用應(yīng)力法（allowable stress approach）和安全系數(shù)法（calibrated safety factor），對海管管材的內(nèi)表面腐蝕和外表面腐蝕、焊縫腐蝕等均適用。許用應(yīng)力法延用許用應(yīng)力（ASD）的設(shè)計模式，采用該方法可以計算得到海管腐蝕缺陷的失效壓力，并將失效壓力乘以一個與海管初始設(shè)計有關(guān)的安全系數(shù)，得到海管的安全工作壓力。與安全系數(shù)法相比，不同之處為許用應(yīng)力法沒有考慮海管規(guī)格、材質(zhì)等級和腐蝕缺陷尺度等因素的不確定性，這些不確定性需要工程師在實際的評估中加以考慮。安全系數(shù)法可以作為海底管道系統(tǒng)設(shè)計主規(guī)范DNV-OS-F101的補充，適用于不同的海管管材、海管壁厚和輸送壓力。計算腐蝕海管的允許操作壓力時，對海管規(guī)格、材質(zhì)等級和腐蝕缺陷尺度等因素的不確定性都予以特別考慮。

1 ?腐蝕海管剩余強度評估方法

1.1 ?許用應(yīng)力法

存在一個腐蝕缺陷的海管，僅在內(nèi)壓的作用下，其失效壓力計算公式如下：

Pf=■（1）

其中，Q=■，D為海管外徑，mm;t為海管名義壁厚，mm;l為腐蝕缺陷長度，mm;d為腐蝕缺陷深度，mm;fu為設(shè)計階段的最小拉伸強度，MPa;由此得到安全工作壓力PSW=FPt。

其中，安全系數(shù)F=F1×F2，模型安全系數(shù)F1=0.9，操作安全系數(shù)F2通常取海管初始設(shè)計相關(guān)的值。應(yīng)用公式（1）時，需要額外考慮海管幾何尺寸測量和腐蝕缺陷測量過程中的不確定因素，因為公式中沒有加以考慮。需要說明的是，如果測量得到的腐蝕缺陷深度d達到壁厚的85%及以上，是不可接受的。

存在一個腐蝕缺陷的海管，在內(nèi)壓和縱向壓應(yīng)力聯(lián)合作用下，其安全工作壓力計算步驟如下：

①計算外部荷載引起的縱應(yīng)力下限？滓1，將其與海管的組合名義縱應(yīng)力？滓L進行比較。

？滓1=-0.5fu■（2）

如果？滓L>？滓1（壓應(yīng)力為負值），則不考慮步驟③。

②計算僅在內(nèi)壓的作用下，存在一個腐蝕缺陷海管的失效壓力Ppress。

Ppress=■（3）

其中，Q=■。

③計算海管發(fā)生縱向開裂的失效壓力Pcomp。

Pcomp=■H1（4）

其中，H1=■，Ar=（1-■？夼），？夼=c/（？仔D），

c為腐蝕缺陷沿管道圓周方向的長度，mm;？滓L為組合名義縱應(yīng)力，MPa。

④得到安全工作壓力PSW=Fmin（Ppress，Pcomp）。

1.2 ?安全系數(shù)法

①存在一個腐蝕缺陷的海管，僅在內(nèi)壓的作用下，其最大允許操作壓力計算公式如下：

Pcorr=？酌m■■（5）

其中，Q=■，（d/t）*=（d/t）means+？著dStD[d/t]，StD[d/t]為可信度水平，？著d為分位值，？酌m，？酌d為安全系數(shù)。如果，？酌d（d/t）*≥1，Pcorr=0。該公式適用于海管出現(xiàn)縱向腐蝕缺陷（即沿海管圓周方向的長度小于沿海管軸向長度的腐蝕缺陷），如圖1所示。

②存在一個腐蝕缺陷的海管，在內(nèi)壓和縱向壓應(yīng)力聯(lián)合作用下，其最大允許操作壓力計算公式如下：

Pcorr，comp=？酌m■■H1（6）

其中，H1=■，Ar=（1-■？夼），

？滓L-組合名義縱應(yīng)力，MPa;？孜為縱應(yīng)力使用系數(shù)。Pcorr，comp不允許大于Pcorr。公式（6）僅適用于海管的一個單獨腐蝕缺陷的評估。

2 ?工程實例

渤海中部某油田調(diào)整項目，需要對一條已服役13 a的雙層混輸海底管道進行剩余強度的評估，評估對象為該條海管的內(nèi)管。具體參數(shù)見表1。

被評估海底管道目前仍在運行，因此承受內(nèi)壓和縱向壓應(yīng)力聯(lián)合作用。根據(jù)安全系數(shù)法b評估，安全等級選“高”。該混輸海底管道的腐蝕缺陷數(shù)據(jù)來源于提取的內(nèi)腐蝕檢測數(shù)據(jù)，缺陷深度的測量精度為±10%，由此確定可信度水平StD[d/t]為80%。根據(jù)安全系數(shù)法b得到的計算結(jié)果見表2。

因此，調(diào)整后該腐蝕海底管道的最大允許操作壓力為6.406 MPa。

根據(jù)許用應(yīng)力法b，得到的計算結(jié)果見表3。

結(jié)果表明，調(diào)整后該腐蝕海底管道的安全工作壓力為13.07 MPa。

由于油田調(diào)整后該海管的操作壓力將達到6.91 MPa，高于最大允許操作壓力6.406 MPa，因此，在腐蝕缺陷存在的條件下，繼續(xù)運行該海管時必須卸壓，不允許超過6.406 MPa，直至腐蝕缺陷被修復(fù)。

如果依據(jù)設(shè)計階段的3 mm腐蝕裕量，根據(jù)設(shè)計規(guī)范DNV-

OS-F101，需要在調(diào)整后的操作壓力下，對該腐蝕海管的內(nèi)管進行承壓能力、熱膨脹、組合荷載作用（包括地震工況）的校核。

承壓能力應(yīng)滿足如下準則：

Pli-Pe≤■（7）

其中，Pli為局部偶然內(nèi)壓，MPa;Pe為外壓，MPa;Pb（t1）為承壓抗力，MPa;t1為考慮腐蝕裕量和制造公差的管道最小壁厚，mm;？酌SC為安全等級抗力因子，？酌m為材料抗力因子。

經(jīng)受彎矩、有效軸力和內(nèi)部超壓海管的所有橫截面應(yīng)滿足的組合荷載準則-荷載控制條件如下：

？酌SC？酌m■■+？酌SC？酌m■

+■≤1（8）

D/t≤45，Pi≥Pe

其中，？酌SC為安全等級抗力因子;？酌m為材料抗力因子;ac為考慮應(yīng)變硬化的流動應(yīng)力參數(shù);Sd為設(shè)計有效軸向力，MPa;Sp為特征塑性軸向抗力，MPa;Md為設(shè)計彎矩，MPa;Mp為塑性彎矩抗力，MPa;？駐P■為設(shè)計壓力差，MPa;pb（t2）為承壓抗力，MPa;D為管道外徑，mm;t2為考慮腐蝕裕量的管道最小壁厚，mm;Pi為內(nèi)壓，MPa;Pe為外壓，MPa。

校核結(jié)果見表4。

校核結(jié)果顯示，該腐蝕海底管道剩余強度仍然滿足設(shè)計規(guī)范的要求，與上述腐蝕評估的結(jié)果存在差異。

3 ?結(jié) ?語

①經(jīng)過對比，僅依據(jù)設(shè)計階段的均勻腐蝕裕量進行已建海管的強度校核，存在工程風(fēng)險。為保證整個油田的成功調(diào)整，內(nèi)腐蝕檢測數(shù)據(jù)作為已建海底管道剩余強度評估的重要數(shù)據(jù)，不能忽視。建議實際應(yīng)用中，把基于設(shè)計規(guī)范的校核方法和DNV-RP-F101推薦的評估方法相結(jié)合。

②本文推薦的方法對于腐蝕缺陷的實際發(fā)展無法做進一步評估，僅根據(jù)海管實際的腐蝕情況，判斷其在工藝參數(shù)調(diào)整之后的剩余強度。如果在腐蝕缺陷不被修復(fù)的情況下繼續(xù)使用被評估的海管，必須采取措施確保腐蝕不繼續(xù)發(fā)展。

③DNV-RP-F101的評估方法與海底管道設(shè)計規(guī)范相輔相承，比其它腐蝕管道評估標準更適用于海底管道，但存在局限性。包括不適用于應(yīng)力腐蝕開裂的評估、只適用于腐蝕缺陷深度低于85%壁厚的海管、只適用于低于X80等級的碳鋼等，在實際應(yīng)用中還有待于更深入的研究和修正。

參考文獻：

[1] CORRODED PIPELINES [R].DNV-RP-F101，OCTOBER 2010.

[2] SUBMARINE PIPELINE SYSTEMS[R].DNV-OS-F101，JANUARY

2000（AMENDED OCTOBER 2005）.