姜曉紅，洪險峰，鄭景娜付桂英，楊靜（油氣管道輸送安全國家工程實驗室 中國石油天然氣管道局管道檢測公司，河北 廊坊 065000）

凹陷是管道中常見的幾何缺陷，它能發(fā)生在管道運營周期的各個階段［1］。管道施工建設(shè)時的凹陷主要存在于管道底部，是由于巖石擠壓產(chǎn)生的。這類凹陷通常是受約束的，當(dāng)壓力發(fā)生變化時，凹陷不會發(fā)生回彈，但是地質(zhì)沉降或是輸送壓力的變化都可能加劇凹陷的發(fā)展，嚴(yán)重時會導(dǎo)致巖石穿透管道。另外一種存在于管道頂部的凹陷，這類凹陷主要是管道施工建設(shè)或運營時機械設(shè)備碰撞產(chǎn)生的［2］。管道頂部的凹陷通常是不受約束的，當(dāng)壓力變化時，凹陷會產(chǎn)生回彈，回彈導(dǎo)致這類凹陷的深度相對較小，但是這類凹陷中還可能存在機械劃傷、溝槽、裂紋等其他缺陷，這種復(fù)合凹陷對管道存在危害更大，在今后運營中的某一時刻可能會導(dǎo)致管道發(fā)生破壞?Julia M Race，Jane V Haswell，Robert Owen，et al.UKOPA dent assessment algorithms：a strategy for prioritizing pipeline dents.Calgary，Alverta：the 8thinternational pipeline conference，2010.。管道凹陷嚴(yán)重威脅著管道的安全運行，隨著時間和壓力的變化，給管道的安全運行帶來了潛在的危害。為此，筆者對油氣管道凹陷的評價與管理進(jìn)行了分析，以期為管道凹陷的日常管理給予指導(dǎo)。

1 凹陷影響管道完整性的主要因素

1.1 凹陷應(yīng)變的影響

具有較高應(yīng)變的凹陷產(chǎn)生裂紋的可能性大大提高，如果在凹陷的高應(yīng)變點處存在缺陷，那么缺陷極有可能為裂紋，裂紋對管道會產(chǎn)生斷裂失效。有資料表明，即使凹陷深度較小，但凹陷處的應(yīng)變也可能不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此僅基于凹陷深度評價它的嚴(yán)重性是不準(zhǔn)確的。隨著輸送管道鋼管等級的不斷增加，管道鋼的韌性越來越好，凹陷應(yīng)變影響的評價也更有必要。

ASME B31.8提出了管體凹陷應(yīng)變的評判判據(jù)并在其附錄R中給出了應(yīng)變的計算方法。應(yīng)變評價主要使用變形的軸向和周向輪廓尺寸數(shù)據(jù)，計算軸向和周向2個方向的曲率半徑?Ugam U A，Kendrick D Z，Tapia S L，et al.An approach for evaluating and prioritizing dent for remediation as reported by ILI tools.Calgary，Alverta：the 8thinternational pipeline conference，2010.，并最終計算出凹陷的應(yīng)變。凹陷的輪廓數(shù)據(jù)可以通過管道智能測徑檢測數(shù)據(jù)獲得，數(shù)據(jù)的精度取決于智能測徑的探頭數(shù)量。

1.2 凹陷疲勞的影響

由于外力碰撞產(chǎn)生的非約束凹陷，在管道內(nèi)壓作用下會產(chǎn)生回彈。因此相對約束凹陷來說，非約束凹陷需考慮壓力循環(huán)導(dǎo)致疲勞的影響?Michael B J.Integrity management program delivery order DTRS56－02－D－70036dent study，2004.。凹陷疲勞是由于管道壓力波動產(chǎn)生的，當(dāng)管道運行壓力升高時，凹陷被推向外推，想努力回彈回去；而當(dāng)運行壓力降低時，凹陷又往回縮，想努力回到初始的形狀。頻繁的壓力波動，在凹陷局部產(chǎn)生很高的交變彎曲應(yīng)力，因此疲勞可能是凹陷管道失效的主要機理［3］。

凹陷的疲勞受很多因素影響，對于非約束凹陷，通過分析模型結(jié)果顯示，凹陷處的疲勞壽命減少與下列參數(shù)的變化有關(guān)：凹陷原始深度增加、壓力循環(huán)幅度增加、原始局部應(yīng)變增加、凹陷寬度與深度比增加、管道凹陷深度與管道壁厚比值的增加、管道最小屈服強度SMYS的增加 （對低SMYS材料較淺深度的凹陷來說，比同樣壁厚SMYS較高材料更容易塑性回彈）。

2 凹陷評價方法總結(jié)

2.1 基于深度凹陷評價方法

面對管道內(nèi)檢測所檢測報告的大量凹陷，管道運營者所要解決的問題是如何確定凹陷對管道存在的危害?，F(xiàn)有的凹陷評價標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)及推薦做法主要依據(jù)凹陷的深度、位置、是否包含金屬損失以及是否影響管道焊縫來評判凹陷對管道的影響。目前，國外許多石油天然氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對凹陷評價判據(jù)都有相關(guān)的規(guī)定，如美國機械工程師協(xié)會的ASME B31.4、ASME B31.8，美國石油協(xié)會的API 1156，加拿大工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的CSA Z662，美國聯(lián)邦法規(guī)49CFR 192，49CFR 195等［4－9］。筆者對這些標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的凹陷評價判據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，詳見表1和表2。

表1 基于深度凹陷評價方法總結(jié)及對比

表2 49CFR 192與49CFR 195對凹陷評價總結(jié)及對比

2.2 應(yīng)變計算

基于應(yīng)變的評價方法在ASME B31.8的附錄R中有詳細(xì)的介紹，并且規(guī)定管體上凹陷的應(yīng)變不應(yīng)超過6%，焊縫上凹陷的應(yīng)變不應(yīng)超過4%。凹陷處應(yīng)變計算中環(huán)向彎曲應(yīng)變ε1、軸向彎曲應(yīng)變ε2、軸向薄膜應(yīng)變ε3的計算公式分別如下：

管道內(nèi)、外表面合成應(yīng)變εi和εo的計算公式分別為：

最終凹陷處的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中，R0為管道的初始外徑；R1為管道橫截面凹陷的曲率半徑；R2為管道軸向凹陷的曲率半徑；d為凹陷深度；L為凹陷長度；t為管道壁厚。

如果凹陷是部分的扁管，R1是正數(shù)，即表示管道曲率方向和初始表面的曲率方向相同；如果凹陷是帶凹角的，R1是負(fù)數(shù)，即表示橫截面上管道曲率方向和初始表面曲率方向相反。管道軸向截面的曲率半徑R2通常是負(fù)數(shù)，如圖1所示。

圖1 凹陷應(yīng)變計算示意圖

2.3 凹陷疲勞計算模型

對于凹陷的疲勞評價并沒有相應(yīng)的法律規(guī)范和方法，有些管道公司依據(jù)不同的疲勞設(shè)計曲線開發(fā)了許多半經(jīng)驗和經(jīng)驗的模型用來預(yù)測平滑凹坑的疲勞壽命，如EPRG疲勞評價模型。

EPRG方法是建立在DIN 2413的S－N曲線基礎(chǔ)上，滿足縱向埋弧焊管道的疲勞評價。DIN標(biāo)準(zhǔn)給出了一系列S－N曲線，曲線即依賴于平均應(yīng)力也依賴于極限拉伸強度。EPRG方法是基于變形深度和管道幾何形狀的函數(shù)，模型中的凹陷深度是在零壓力下測量的，如果帶壓下測量的凹陷深度 （如變形檢測器的測量結(jié)果）需考慮凹陷回彈，并對凹陷深度進(jìn)行修正。通過工業(yè)實踐發(fā)現(xiàn)，EPRC模型給出的凹陷疲勞壽命評價結(jié)果較為保守。

3 凹陷管理

3.1 凹陷管理原則

管道智能測徑檢測技術(shù)可以檢測到凹陷的詳細(xì)信息，如凹陷的長、寬、深尺寸，凹陷是否影響焊縫以及凹陷的軸向和周向位置，高分辨率的智能測徑檢測器還能獲得計算凹陷曲率半徑的輪廓信息。如果結(jié)合高分辨率的管道漏磁檢測技術(shù)，還能檢測到凹陷中是否含有金屬損失。管道運營者能夠依據(jù)內(nèi)檢測技術(shù)所獲得的信息對凹陷進(jìn)行管理，通常可將凹陷進(jìn)行如下分類：

1）需要開挖檢查的凹陷 主要包括含有金屬損失的凹陷，尤其是位于管道頂部并含有金屬損失的凹陷；深度超過6%OD的凹陷；影響管道焊縫的凹陷且深度超過2%OD。開挖檢查主要解決下列可能存在的問題：①去除巖石凹陷中的巖石；②測量凹陷的長、寬、深尺寸和凹陷的曲率半徑，然后進(jìn)行評價確認(rèn)是否需要維修；③如果凹陷中存在腐蝕，測量腐蝕缺陷的尺寸，并進(jìn)行剩余強度評價，確定是否需要維修；④檢查凹陷中的溝槽是否含有裂紋；⑤檢查凹陷表面是否存在疲勞裂紋或是應(yīng)力腐蝕開裂；⑥消除凹陷中存在的裂紋；⑦修復(fù)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的凹陷；⑧修復(fù)凹陷處的防腐層，避免日后環(huán)境對凹陷處影響。

2）需要進(jìn)一步評價的凹陷 主要包括凹陷深度沒有超過6%OD的平滑凹陷，但是如果凹陷處有尖銳的曲率，可以通過計算其應(yīng)變或疲勞壽命預(yù)測評價凹陷是否需要維修。

3）需監(jiān)控處理的凹陷 主要包括深度小于6%OD的平滑凹陷并且沒有尖銳的曲率改變，也沒有影響到焊縫，這些凹陷可進(jìn)行監(jiān)控處理，并作為下一次檢測結(jié)果數(shù)據(jù)對比的基礎(chǔ)。對于存在凹陷的管道，應(yīng)該進(jìn)行周期性的智能測徑檢測，周期性的檢測不但可以監(jiān)控凹陷的發(fā)展情況，同時也能檢測到運營期間由于地質(zhì)移動或是第三方施工產(chǎn)生的新凹陷，新發(fā)生的凹陷可能對管道的危害更大。

3.2 凹陷開挖的現(xiàn)場管理

1）初步開挖和測量 ①降壓至凹陷發(fā)現(xiàn)時運行壓力的80%；②開挖暴露凹陷處的管道表面，手工清理去除凹陷表面污垢和松散材料，凹陷兩邊至少暴露2倍管徑的長度；③目測凹陷區(qū)域防腐層是否破損，凹陷處是否存在腐蝕、溝槽、裂紋。如果發(fā)現(xiàn)，詳細(xì)記錄缺陷的尺寸、形狀和位置；④對凹陷進(jìn)行全方位的拍照，留下圖形資料；⑤測量記錄詳細(xì)的凹陷尺寸，包括凹陷的軸向長度、凹陷最深尖端的深度、凹陷周向?qū)挾?、凹陷軸向和周向方向上的最大曲率半徑、最深處凹陷頂點到焊縫上的距離。

2）去除防腐層 ①去除凹陷區(qū)域的防腐層，兩邊留有充分的距離便于對變形進(jìn)行檢測、測量；②清理暴露管道表面接近白色。

3）詳細(xì)檢測 ①防腐層去除之后目測整個凹陷區(qū)域，檢查是否含有溝槽、劃痕、裂紋、焊縫或者其他應(yīng)力集中的缺陷；②使用超聲無損檢測設(shè)備檢測凹陷處是否含有金屬損失或者裂紋；對凹陷處進(jìn)行磁粉或滲透檢測；④如果凹陷明顯，凹陷處需進(jìn)行剪切波超聲檢測，如果檢測發(fā)現(xiàn)可能存在裂紋，需使用射線檢測進(jìn)行驗證；⑤如果需要，可記錄凹陷等高線，計算凹陷的曲率半徑并評估凹陷的應(yīng)力。

4）巖石凹陷的開挖處理 如果凹陷是由于巖石擠壓造成的，那么就不能立即按照上述凹陷開挖的操作步驟進(jìn)行操作。因為去除約束物時，由于壓力的作用可能會導(dǎo)致凹陷回彈，回彈過程對管道可能存在二次的損壞，因此去除巖石時應(yīng)按照如下要求處理：①盡可能降低巖石所處管段的操作壓力，至少降至發(fā)現(xiàn)變形時壓力的80%；②在去除巖石前，對巖石2側(cè)管段使用龍門架、枕木或其他支撐物對管道進(jìn)行豎直方向的支撐，避免去除巖石過程中的壓力回彈導(dǎo)致管道沉降而使凹陷曲率增大，增大管道失效風(fēng)險；③在去除巖石過程中如果使用施工工具，如手提鉆時，應(yīng)該小心避免施工工具損傷管道。

3.3 凹陷修復(fù)

PRCI L52047和國內(nèi)油氣鋼制管道管體缺陷修復(fù)規(guī)范Q／SY GD0192—2009對凹陷的修復(fù)都有相應(yīng)的方法和規(guī)定，根據(jù)凹陷的嚴(yán)重程度，通?？刹扇?fù)合材料、環(huán)氧套筒、B型套筒等方法對凹陷進(jìn)行修復(fù)。通常，對于普通凹陷或?qū)Π橛袆澓邸⒘鸭y或金屬損失的凹陷可以使用復(fù)合材料進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)前需打磨凹陷處的金屬損失缺陷，減小局部應(yīng)力集中，并使用快速固化的填充材料填平凹陷；對于不含裂紋或含有不能發(fā)展為泄漏缺陷的凹陷可以使用環(huán)氧套筒進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)前應(yīng)在管體和套筒之間填充可硬化材料；B型套筒可以修復(fù)各種類型的凹陷，并可預(yù)防凹陷失效導(dǎo)致的泄漏，修復(fù)前在管體和套筒之間填充可硬化材料。

4 結(jié)語

由于凹陷存在形式的復(fù)雜性，目前存在的凹陷評價方法相對寬泛保守，還需要進(jìn)行深入研究。國內(nèi)對管道凹陷的研究，如凹陷的力學(xué)行為、形成機理等與國外相比存在很大的差異，在凹陷評價方法上也沒有形成相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)各專業(yè)管道公司對凹陷評價也只是參照國外的標(biāo)準(zhǔn)和方法，這種做法可能造成了一些不必要的維修。為了保證管道運營安全，合理經(jīng)濟地對凹陷進(jìn)行評價維修，還需要國內(nèi)科研人員進(jìn)行大量深入的研究，并形成具有指導(dǎo)意義的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

［1］焦忠良，帥健 .含缺陷管道的完整性評價 ［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版）2011，33④157～163.

［2］楊瓊，帥健，左尚志 .管道凹陷研究現(xiàn)狀 ［J］.油氣儲運，2009，28（6）10～15.

［3］帥健 .管線力學(xué) ［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［4］ASME B31.8－2010，Gas Transmission and Distribution Piping Systems，published by ASME International［S］.

［5］ASME B31.4－2009，Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids［S］.

［6］CSA Z662－07，Oil and Gas Pipeline Systems，published by the Canadian Standards Association［S］.

［7］API 1156－1999，Effects of Smooth and Rock Dents on Liquid Petroleum Pipelines［S］.

［8］49CFR 192－2004，Transportation of natural and other gas by pipeline：minimum federal safety standards ［S］.

［9］49CFR 195－2004，Transportation of hazardous liquids by pipeline ［S］.