含凹陷及溝槽缺陷長輸管道剩余強度評價

曾凡小，徐國富，譚潤輝

（1.中南大學材料科學與工程學院， 湖南 長沙 410012）

（2.湖南省特種設備檢驗檢測研究院， 湖南 長沙 410117）

剩余強度評價是長輸管道合于使用評價的內容之一。合于使用評價是長輸管道定期檢驗規(guī)則規(guī)定的必檢項目[1]。檢驗規(guī)則中規(guī)定了需要進行剩余強度評價的情形，即須對危害管道結構完整性的缺陷進行剩余強度評價并根據(jù)評價結果提出運行維護意見[1]。

1 工程項目背景

某天然氣長輸管道全長138km，于2006年8月建成投產(chǎn)，設計壓力3.0MPa，管道規(guī)格為φ457×6.3mm，管道材質L245。2019年8月，由檢驗機構對其實施全面檢驗及合于使用評價。

2 檢驗情況

根據(jù)TSG D7003-2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則 長輸（油氣）管道》，實施的檢驗項目有管道設計、施工、竣工驗收及管道運行資料審查，宏觀檢驗、占壓及裸露檢驗、介質成分分析、土壤腐蝕性等級綜合評價、雜散電流測試、防腐層狀況不開挖檢測、陰極保護有效性檢測、附屬設施檢驗（閥室、調壓站、里程樁、標志樁、轉角樁）、開挖直接檢驗、防腐層厚度檢測、管體壁厚檢測、泄漏檢測等。

防腐層狀況不開挖檢測采用100%交流電流衰減法和交流地電位梯度法，全線共發(fā)現(xiàn)防腐層破損信號29處，使用單位對其中24處進行開挖，經(jīng)開挖驗證，所有開挖點均存在不同程度的防腐層破損。其中GPS1026號開挖點管道存在凹陷及溝槽缺陷，溝槽位于凹陷底部，如圖1、圖2所示。

圖1

圖2

依據(jù)TSG D7003-2010第二十條規(guī)定，檢驗機構須對該凹陷及溝槽復合缺陷進行剩余強度評價并根據(jù)評價結果提出運行維護意見。

3 凹陷及溝槽復合缺陷剩余強度評價

3.1 缺陷尺寸測量

經(jīng)現(xiàn)場測量，凹陷及溝槽缺陷數(shù)據(jù)如下：管道直徑D=457mm；公稱壁厚t=6.3mm；帶壓情況下凹陷最大深度ddp=25.4mm；凹陷半徑rd=32mm；溝槽處的最小壁厚tmm=2.63mm；溝槽深度dgc=3.56mm；缺陷距離焊縫距離Lw＞1000mm；缺陷距離主管道不連續(xù)處的距離Lmsd＞1000mm。

3.2 評價準則及適用條件

凹陷及溝槽缺陷剩余強度評價采用SY/T 6477-2017《含缺陷油氣管道剩余強度評價方法》進行，適用條件判別：鋼管屬于韌性材料；內壓是管道的主要載荷；管道不處于循環(huán)載荷/疲勞服役環(huán)境（在已有服役記錄以及未來計劃服役期內停輸再啟動次數(shù)不超過150次）。該管道滿足上述條件，可以采用上述標準進行剩余強度評價。

3.3 凹陷與溝槽復合缺陷一級評價

步驟1：確定評價要求的數(shù)據(jù)信息，如前述缺陷尺寸測量數(shù)據(jù)；

步驟2：根據(jù)式(1)確定實測壁厚tc：

tc=trd-FCA (1)

式中trd：遠離缺陷處的管道壁厚，實測值為6.1 9 m m；F C A：未來腐蝕裕量，F(xiàn)CA=[(t-trd)/投用年限]×下次檢驗周期=[(6.3-6.19)/13]×5=0.04mm。計算得：tc=trd-FCA=6.19-0.04=6.15mm。

步驟3：判斷Lw和Lmsd是否滿足式(2)和式(3)，以及tmm是否滿足式(4)，若全部是，則進行下一步，否則，該缺陷不能通過一級評價。

根據(jù)上文所述，式(2)式(3)式(4)均能滿足。

步驟4：根據(jù)式(5)確定管道服役環(huán)向應力。

步驟5：計算溝槽深度與壁厚比值dgc/tc=3.56/6.15=0.579，凹陷深度與直徑比ddp/D=25.4/457=0.056，將點（ddp/D,dgc/tc）繪入圖3[2]所示坐標圖中，根據(jù)管道服役環(huán)向應力σmc的大小選擇臨界曲線，若點（ddp/D,dgc/tc）位于臨界曲線下方，則進入下一步，否則缺陷不能通過一級評價。

圖中σy為管材屈服強度，根據(jù)GB/T 9711.1-1997《石油天然氣工業(yè) 輸送鋼管交貨技術條件第1部分：A級鋼管》，σy=245MPa。故應選擇曲線0.3σy＜σmc＜ 0.5σy，從圖3中可以看出，點（0.056,0.579）位于曲線的上方，故該凹陷與溝槽復合缺陷不能通過一級評價。

3.4 凹陷與溝槽復合缺陷二級評價

步驟1：確定評價要求的數(shù)據(jù)信息同一級評價；

步驟2：判斷Lw、Lmsd以及tmm是否滿足式(2)式(3)式(4)，經(jīng)一級評價判別，能滿足；

步驟3：判斷凹陷深度ddp是否滿足式(6)，溝槽深度dgc是否滿足式(7)；

ddp≤0.06D (6)dgc≤0.66tc(7)

經(jīng)計算，式(6)式(7)均能滿足。

步驟4：根據(jù)確定的實測壁厚作為平均壁厚，依據(jù)式(8)確定最高允許工作壓力MAWPr，如果MAWPr可以滿足現(xiàn)有的運行工況，則進入下一步，否則缺陷不能通過二級評價。

式中，MAWP為最大允許工作壓力（等于產(chǎn)生缺陷前管道設計壓力），若計算值MAWPr大于MAWP，則取MAWPr=MAWP；tam為缺陷處平均測量壁厚，取tam=(tmm+tc)/2=4.39mm；tmin為最小要求壁厚，tmin=PD/2σyFΦ（F為管道設計系數(shù)，根據(jù)GB 50251-2003《輸氣管道工程設計規(guī)范》中二級地區(qū)選取，F(xiàn)=0.6；φ為焊縫系數(shù)，該管線建設時焊縫經(jīng)100%射線檢測，φ=1），計算得tmin=4.66mm；RSFa為許用剩余強度因子，取RSFa=0.9。

計算得MAWPr=3.11MPa，大于運行最大壓力3.0MPa。

步驟5：確定缺陷的剩余強度因子RSF

式中：E為材料彈性模量，取E=2×105MPa；CVN為材料沖擊功，依據(jù)GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》，取CVN=27J；ddo為無壓力狀態(tài)下凹陷深度，取ddo=ddp/0.7=36.3mm[2]。

計算得：Y1=3.74；Y2=1.80；σ=118.66MPa；C1=39.84；C2=57.39；C3=6.79。

根據(jù)式(16)確定缺陷處管道最大允許工作壓力：

MAWPr=MAWP(RSF/RSFa) (16)

計算得：M A W Pr=M A W P(R S F/RSFa)=0.35MPa，不能滿足管道運行要求，故該凹陷與溝槽復合缺陷不允許存在，必須考慮維修或者更換該管段。

4 凹陷及溝槽缺陷處理

根據(jù)剩余強度評價結果，該處凹陷與溝槽復合缺陷不滿足管道在設計壓力下安全運行，不允許存在，必須維修或者更換管段。檢驗機構建議管道使用單位根據(jù)GB∕T 36701-2018《埋地鋼質管道管體缺陷修復指南》的規(guī)定，采用復合材料補強方法對該處缺陷進行修復[3]。

5 結語

剩余強度評價是長輸管道檢驗項目之一，需要進行剩余強度評價的情形多種多樣，如體積型缺陷、裂紋型缺陷、彌散損傷型缺陷、分層缺陷、錯邊缺陷、凹陷及溝槽缺陷等等。剩余強度評價的理論、標準、方法也比較多，長輸管道檢驗規(guī)則并未指定采用何種標準方法。本文針對實際檢驗中發(fā)現(xiàn)的具體缺陷，采用行業(yè)標準SY/T 6477-2017的有關規(guī)定，對發(fā)現(xiàn)的凹陷及溝槽缺陷剩余強度評價進行了實例演算，并對缺陷管段的維修提出了建議，可供同行參考。