基于API579準(zhǔn)則的含點(diǎn)腐蝕管道剩余強(qiáng)度分析

徐寅平,段慶全,張 宏

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

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基于API579準(zhǔn)則的含點(diǎn)腐蝕管道剩余強(qiáng)度分析

徐寅平,段慶全,張 宏

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

為了更加比較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)含點(diǎn)腐蝕管道的剩余強(qiáng)度，從而科學(xué)合理地維護(hù)管道并提高管道的利用率，比較了幾種評(píng)價(jià)點(diǎn)腐蝕管道的剩余強(qiáng)度的方法，得出API579的評(píng)價(jià)方法更適合用于點(diǎn)腐蝕缺陷管道評(píng)價(jià)的結(jié)論。以API準(zhǔn)則為理論依據(jù)，對(duì)含有點(diǎn)腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度進(jìn)行了3 個(gè)等級(jí)的評(píng)價(jià)，并且通過(guò)計(jì)算得到了在給定的點(diǎn)腐蝕缺陷下管道最大安全運(yùn)行壓力值，該壓力值反映了含點(diǎn)腐蝕缺陷管道的承壓能力，證明了API579標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)含點(diǎn)腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度的合理性。

管道；剩余強(qiáng)度；API579準(zhǔn)則；點(diǎn)蝕

腐蝕是石油天然氣運(yùn)輸行業(yè)最常見的問(wèn)題之一，每年都有大量的管道因?yàn)楦g而損壞，點(diǎn)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(diǎn)蝕的局部穿透率很高，且發(fā)生的位置具有隨機(jī)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(duì)含點(diǎn)蝕管道進(jìn)行評(píng)價(jià)是十分必要的。按點(diǎn)蝕的分布，可以將點(diǎn)蝕分為：廣布點(diǎn)蝕、廣布點(diǎn)蝕區(qū)的局部減薄腐蝕、局部點(diǎn)蝕和局部減薄區(qū)點(diǎn)蝕四種類型。

為避免對(duì)含點(diǎn)蝕缺陷管道盲目維修和更換帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，為了保證管道安全運(yùn)行,常用方法是對(duì)含缺陷的管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)估。目前國(guó)內(nèi)外含點(diǎn)蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)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(jí)社DNV RP-F101評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[4]等，我國(guó)也頒布了幾項(xiàng)關(guān)于腐蝕管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[5-7]。本工作對(duì)比了幾種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并驗(yàn)證了API579準(zhǔn)則評(píng)價(jià)含點(diǎn)蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度的合理性。

1　評(píng)價(jià)方法對(duì)比

點(diǎn)腐蝕屬于體積型腐蝕缺陷，在含體積型缺陷管道剩余強(qiáng)度計(jì)算中通常采用API 579、DNV RP-F101、ASME B31G 3種評(píng)價(jià)方法。其中，DNV RP-F101評(píng)價(jià)準(zhǔn)則針對(duì)不同的缺陷給出了2種不同評(píng)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(jìn)行計(jì)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(jí)超過(guò)X80的管道，并且沒(méi)有針對(duì)大量點(diǎn)蝕坑的評(píng)價(jià)。

對(duì)于管道上分布的點(diǎn)蝕的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，API 579和ASME B31G基本構(gòu)成相對(duì)完整的美國(guó)腐蝕管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)體系[9]。ASME B31G將腐蝕缺陷管道評(píng)價(jià)分成0～3級(jí)四個(gè)等級(jí)，適用管材的等級(jí)較低，不能滿足高強(qiáng)度等級(jí)、大口徑管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)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(zhǎng)等)時(shí)，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(méi)有對(duì)環(huán)向缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且只對(duì)單個(gè)缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，沒(méi)有考慮復(fù)合缺陷的相互影響。

API579評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是在ASME B31G基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，按照缺陷類型分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(qiáng)度評(píng)價(jià)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(qiáng)度參數(shù)三者之間的關(guān)系[11]，更加符合實(shí)際，但對(duì)使用者的專業(yè)知識(shí)水平要求相對(duì)較高。

API 579準(zhǔn)則是以許用應(yīng)力和剩余強(qiáng)度系數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)價(jià)的，因此并未克服其自身固有的保守性。

針對(duì)DNV RP-F101和ASME B31G準(zhǔn)則不適用的高鋼級(jí)管材，PCORRC方法 (Pipeline Corrosion Criterion)是用于評(píng)價(jià)中高強(qiáng)度等級(jí)管道缺陷剩余強(qiáng)度的方法，該方法認(rèn)為管子的失效由極限拉伸強(qiáng)度決定，而不是屈服強(qiáng)度或流變應(yīng)力。試驗(yàn)證實(shí)，該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)于高強(qiáng)度鋼級(jí)含缺陷管道安全性的評(píng)價(jià)結(jié)果較準(zhǔn)確，但在評(píng)價(jià)低強(qiáng)度鋼級(jí)管道時(shí)誤差較大[12]。

我國(guó)也頒布了幾項(xiàng)關(guān)于腐蝕管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，但基本是參照國(guó)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(píng)價(jià)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(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》[6]是從API RP579-2000準(zhǔn)則基礎(chǔ)上修訂而來(lái)，可以視為該準(zhǔn)則的簡(jiǎn)化版，但該準(zhǔn)則未考慮點(diǎn)蝕群的相互影響。SY/T 10048-2003《腐蝕管道評(píng)估的推薦做法》[7]與挪威船級(jí)社DNV RP-F101-1999準(zhǔn)則相近。

幾種常用點(diǎn)腐蝕缺陷管道評(píng)價(jià)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(diǎn)腐蝕缺陷管道的評(píng)價(jià)

用AP1579準(zhǔn)則評(píng)價(jià)點(diǎn)蝕的評(píng)價(jià)流程圖如圖1所示。某含廣布點(diǎn)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(lái)腐蝕裕量FCA為0 mm，金屬損失量L為0 mm，管道的設(shè)計(jì)運(yùn)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(qiáng)度系數(shù)RSF為0.9，檢查的點(diǎn)腐蝕對(duì)數(shù)據(jù)見表2。以API579準(zhǔn)則理論為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)含有廣布點(diǎn)腐蝕缺陷的管道，評(píng)價(jià)流程如圖2所示。

2.1含廣布點(diǎn)腐蝕1級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)檢查數(shù)據(jù)對(duì)含點(diǎn)腐蝕管道進(jìn)行1級(jí)評(píng)價(jià)，該級(jí)別評(píng)定所需參數(shù)少，評(píng)價(jià)結(jié)果較為保守，其步驟如下：

1) 計(jì)算遠(yuǎn)離廣布點(diǎn)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(diǎn)蝕損害區(qū)域最大點(diǎn)蝕深度wmax。由表2可知wmax為19.05 mm。

3) 計(jì)算剩余壁厚比Rwt并校核。如果Rwt<0.2，則1級(jí)評(píng)價(jià)不滿足。

(2)

將參數(shù)代入得Rwt=0.281，符合要求，繼續(xù)評(píng)價(jià)。

4) 計(jì)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(diǎn)腐蝕對(duì)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(jì)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(diǎn)蝕的數(shù)量查找管道上點(diǎn)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(gè)含有與組件實(shí)際損害大致相同的表面損害程度的點(diǎn)蝕圖，如圖3所示，并計(jì)算剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF。

表3為對(duì)應(yīng)圖3的點(diǎn)腐蝕構(gòu)件剩余強(qiáng)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(jí)評(píng)價(jià)理論，計(jì)算管道允許的最大安全運(yùn)行壓力PAWr。

(6)

將參數(shù)代入式(4)中，通過(guò)計(jì)算得到：PMAWr=9.94 MPa。

因?yàn)楣艿涝O(shè)計(jì)壓力為12 MPa，而管道允許的最大安全運(yùn)行壓力PMAWr為9.94 MPa，此管道的等級(jí)1評(píng)價(jià)不滿足。

2.2含廣布點(diǎn)腐蝕2級(jí)評(píng)價(jià)

API579準(zhǔn)則的2級(jí)評(píng)價(jià)提供了比1級(jí)評(píng)價(jià)更加精確的評(píng)價(jià)結(jié)果。點(diǎn)腐蝕2級(jí)評(píng)價(jià)中步驟1)和步驟4)與1級(jí)評(píng)價(jià)完全相同。

1) 確定遠(yuǎn)離廣布點(diǎn)腐蝕區(qū)域的壁厚tc為26.5 mm。

2) 計(jì)算點(diǎn)腐蝕對(duì)的平均坑深wavg。

(7)

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

3) 計(jì)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(jì)算得到σ1和σ2分別為271.2 MPa和129.6 MPa。

4) 計(jì)算管道的許用工作壓力PMAW為12.21 MPa。

5) 計(jì)算點(diǎn)腐蝕對(duì)1的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF1。需要先進(jìn)行計(jì)算該點(diǎn)蝕對(duì)中點(diǎn)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(jì)算式(10)～式(17)，得到第一組點(diǎn)腐蝕對(duì)的剩余強(qiáng)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(diǎn)腐蝕對(duì)數(shù)據(jù)，求出其他點(diǎn)腐蝕對(duì)的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF1，并計(jì)算平均值RSFpit。

(18)

計(jì)算得到平均剩余強(qiáng)度系數(shù)RSFpit為0.866。

7) 對(duì)于含廣布點(diǎn)蝕缺陷管道，按式(4)計(jì)算得到管道允許的最大安全運(yùn)行壓力PMAWr=11.75 MPa。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)壓力為12 MPa，而PMAWr=11.75 MPa，此管道不能滿足2級(jí)評(píng)價(jià)。由于計(jì)算出點(diǎn)腐蝕缺陷不滿足條件。因此，給出以下建議：對(duì)管道進(jìn)行降壓運(yùn)行、修理、退役替換或進(jìn)行3級(jí)評(píng)價(jià)。

2.3含廣布點(diǎn)腐蝕3級(jí)評(píng)價(jià)

當(dāng)點(diǎn)腐蝕缺陷不能滿足1級(jí)評(píng)價(jià)和2級(jí)評(píng)價(jià)時(shí)，需要對(duì)管道進(jìn)行3級(jí)評(píng)價(jià)，3級(jí)評(píng)價(jià)是最高水平的評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)步驟復(fù)雜，需要更詳盡的點(diǎn)腐蝕檢測(cè)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(guò)使用有效彈性常數(shù)加以近似點(diǎn)腐蝕缺陷管道剛度的降低，或者通過(guò)制定一個(gè)當(dāng)量壁厚加以近似，該評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)點(diǎn)腐蝕管道的剩余強(qiáng)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(diǎn)腐蝕缺陷的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)提供了更為準(zhǔn)確的方法，更加符合實(shí)際，得出API579的評(píng)價(jià)方法更適合用于點(diǎn)腐蝕缺陷管道評(píng)價(jià)的結(jié)論，但對(duì)使用者的專業(yè)知識(shí)水平要求相對(duì)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(duì)含有點(diǎn)腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，確立了3級(jí)評(píng)價(jià)體系，通過(guò)理論研究與實(shí)際計(jì)算得出：滿足1級(jí)評(píng)價(jià)的管道允許的最大安全運(yùn)行壓力PMAWr為9.94 MPa，滿足2級(jí)評(píng)價(jià)的管道允許的最大安全運(yùn)行壓力PMAWr為11.75 MPa。管道允許的最大安全運(yùn)行壓力值反應(yīng)了管道的極限承載能力，表明API579準(zhǔn)則對(duì)含點(diǎn)腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)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(bào)，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(píng)價(jià)方法[S]．

[6]SY/T 6477-2000含缺陷油氣輸送管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法[S]．

[7]SY/T 10048-2003腐蝕管道評(píng)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(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)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(qiáng)度評(píng)價(jià)的保守性分析[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008,27(1):36-40．

[12]何東升，郭簡(jiǎn)，張鵬． 腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用[J]． 石油學(xué)報(bào)，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(guó)石油大學(xué)(北京)青年教師專項(xiàng)培養(yǎng)基金項(xiàng)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