李思嘉，王 杰

（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）

我國(guó)石油天然氣管道建設(shè)規(guī)模逐漸加大，管線的斷裂事故時(shí)有發(fā)生，長(zhǎng)輸管線的安全評(píng)定工作越來(lái)越受到重視。隨著油氣長(zhǎng)輸管線使用年限的增加，受環(huán)境的影響，管道腐蝕現(xiàn)象日益嚴(yán)重。腐蝕缺陷可分為：均勻腐蝕、局部腐蝕以及點(diǎn)腐蝕三種。其中，局部腐蝕會(huì)導(dǎo)致管道壁厚減薄，局部減薄缺陷是導(dǎo)致管道失效的主要形式之一。隨著西氣東輸二線工程的開展，X80鋼管得到大量使用。在西氣東輸二線工程中，主干線全部采用X80鋼管。X80鋼管的大量使用，促使國(guó)內(nèi)形成了年產(chǎn)量150萬(wàn)t X80鋼管的產(chǎn)能，年產(chǎn)值達(dá)到150億元人民幣[1]。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍將X80列為21世紀(jì)天然氣輸送管線的首選鋼級(jí)[2]。所以準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)含局部減薄缺陷X80長(zhǎng)輸管線的剩余強(qiáng)度具有很大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)際上對(duì)含局部減薄缺陷管道的評(píng)價(jià)方法有很多，主要有美國(guó)ASME B31G[3]、API 579[4]、挪威的DNV RP F101[5]等，但是 ASME B31G、DNV RP F101等評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的材料適用范圍為X80級(jí)以下的壓力管道，對(duì)X80以上的鋼級(jí)并不適用。API579-2007則有著完整的評(píng)價(jià)體系,評(píng)價(jià)過(guò)程更為詳盡、方便，可以對(duì)含局部減薄缺陷管線的軸向和環(huán)向剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，在二級(jí)評(píng)價(jià)中可以將壁厚斷面缺陷分為若干小段，比一級(jí)評(píng)價(jià)更為準(zhǔn)確的計(jì)算管道剩余強(qiáng)度。

1 含局部減薄缺陷評(píng)價(jià)流程

在 API579標(biāo)準(zhǔn)體系中，評(píng)價(jià)分為三個(gè)等級(jí)，隨著評(píng)價(jià)等級(jí)的提高，所需要的數(shù)據(jù)越多，評(píng)價(jià)結(jié)果更為精確。一般而言，在獲得評(píng)價(jià)所需數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià)，通過(guò)一級(jí)評(píng)價(jià)則可繼續(xù)服役，否則進(jìn)行二級(jí)評(píng)價(jià)。通過(guò)二級(jí)評(píng)價(jià)則可繼續(xù)服役，否則進(jìn)行三級(jí)評(píng)價(jià)。三級(jí)評(píng)價(jià)不通過(guò)，就要對(duì)管道進(jìn)行維修、更換或者退役。API579準(zhǔn)則含局部減薄缺陷的設(shè)備，同樣分為三級(jí)。含局部減薄缺陷流程如圖1所示。

圖1 局部減薄缺陷評(píng)價(jià)流程圖Fig. 1 Assessment Procedure to Evaluate a Pipe with Local Thin Defect

2 含局部減薄缺陷X80長(zhǎng)輸管線評(píng)價(jià)

根據(jù)API579標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)含有局部減薄缺陷的管道。某段X80級(jí)長(zhǎng)輸管線，根據(jù)評(píng)價(jià)需求，應(yīng)獲得參數(shù)如下：管道內(nèi)徑D為1 182.2 mm，管道名義壁厚tnom為18.4 mm，均勻金屬損失LOSS為0 mm , 腐蝕余量FCA為0 mm，材料屈服強(qiáng)度δs為555 MPa ,設(shè)計(jì)系數(shù)為0.72，焊縫系數(shù)E為0. 9，軸向焊縫系數(shù)EL為0.9，環(huán)向焊縫系數(shù)Ec為0.9，許用剩余強(qiáng)度系數(shù)RSFa為0.9，缺陷與最近不連接處距離Lmsd為1 000 mm。根據(jù)臨界壁厚斷面圖，獲得缺陷軸向長(zhǎng)度s為200 mm，環(huán)向長(zhǎng)度c為80 mm。軸向臨界壁厚斷面圖如圖2、表1，確定測(cè)量最小壁厚tmm=9.6 mm。

圖2 軸向臨界壁厚斷面圖Fig. 2 Critical Thickness Profile (CTP) - Longitudinal Plane

表1 檢查點(diǎn)位置壁厚Table 1 Thickness of Checking Point

2.1 含局部減薄缺陷一級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行含局部減薄缺陷的一級(jí)評(píng)級(jí)。

1）計(jì)算遠(yuǎn)離局部減薄缺陷的壁厚tc。

將參數(shù)代入，得tc=18.4 mm。

2）計(jì)算剩余厚度比Rt，軸向缺陷長(zhǎng)度系數(shù)l，環(huán)向缺陷長(zhǎng)度系數(shù)cl。

將參數(shù)代入，得Rt= 0.522，l=1.743，cl=0.697。

3）校核缺陷尺寸。如果滿足下列要求，則繼續(xù)一級(jí)評(píng)價(jià)；若不滿足，則按一級(jí)、二級(jí)評(píng)價(jià)，此缺陷均不可接受。

將參數(shù)代入，條件均得到滿足。

4）計(jì)算剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF。先計(jì)算 Folias 因子Mt，再求出剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF。

將參數(shù)代入，得Mt=1.5，RSF=0.766。

5）校核缺陷尺寸。如果滿足下列要求，則繼續(xù)一級(jí)評(píng)價(jià)；若不滿足，則按一級(jí)評(píng)價(jià)，此缺陷不可接受，進(jìn)入二級(jí)評(píng)價(jià)。

將參數(shù)代入，條件均得到滿足。

6）計(jì)算拉伸強(qiáng)度系數(shù)TSF。

將參數(shù)代入，TSF=0.825。

7）判斷缺陷環(huán)向尺寸是否滿足評(píng)價(jià)。根據(jù)計(jì)算得到的TSF，選擇公式如下的曲線，以評(píng)價(jià)中獲得的剩余厚度比Rt為橫坐標(biāo)，環(huán)向缺陷長(zhǎng)度系數(shù)cl為縱坐標(biāo)形成坐標(biāo)點(diǎn)帶入曲線計(jì)算，若位于曲線上方，則判斷缺陷環(huán)向尺寸安全。若位于曲線下方，則缺陷環(huán)向尺寸不安全，一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)束，進(jìn)入二級(jí)評(píng)價(jià)。

將參數(shù)代入，坐標(biāo)位于曲線上方，缺陷環(huán)向尺寸滿足評(píng)價(jià)。

8）計(jì)算管道最大運(yùn)行壓力MAWP。先求出滿足環(huán)向要求的最大運(yùn)行壓力 MAWPC和滿足環(huán)向要求的最大運(yùn)行壓力 MAWPL的值，選擇他們中較小的一個(gè)作為管道最大運(yùn)行壓力。S為許用應(yīng)力，材料屈服強(qiáng)度ss乘以設(shè)計(jì)系數(shù)0.72，為399.6 MPa。

將參數(shù)代入，得 MAWPC= 10.99 MPa，MAWPL=22.67 MPa， MAWP=min(MAWPC,MAWPL)= 10.99 MPa。

9）判斷管道能否在最大運(yùn)行壓力MAWP下運(yùn)行，若不能計(jì)算在該缺陷下的最大安全工作壓力MAWPr。以評(píng)價(jià)中獲得的剩余厚度比Rt為縱坐標(biāo)，l為橫坐標(biāo)形成坐標(biāo)點(diǎn)，帶入下式所表示的曲線計(jì)算，若位于曲線上方，則可以最大運(yùn)行壓力下運(yùn)行。若位于曲線下方，但是剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF大于許用剩余強(qiáng)度系數(shù)RSFa，仍然可以在最大運(yùn)行壓力MAWP下運(yùn)行。

將參數(shù)代入，坐標(biāo)位于曲線下方，而且根據(jù)前面計(jì)算出的 RSFa，故管道無(wú)法在最大運(yùn)行壓力MAWP下運(yùn)行。計(jì)算在該缺陷下的最大安全工作壓力 MAWPr。

將參數(shù)帶入，得到該缺陷下的最大安全工作壓力MAWPr=9.354 MPa。

2.2 含局部減薄缺陷二級(jí)評(píng)價(jià)

二級(jí)評(píng)價(jià)可以得到比一級(jí)評(píng)價(jià)更加準(zhǔn)確的結(jié)果。含局部減薄缺陷二級(jí)級(jí)評(píng)價(jià)步驟1) ～ 3)、5）～9）與一級(jí)評(píng)價(jià)相同。在二級(jí)評(píng)價(jià)中，步驟4）將壁厚斷面缺陷分為若干小段，分別計(jì)算剩余強(qiáng)度系數(shù)，可以比一級(jí)評(píng)價(jià)更為準(zhǔn)確的計(jì)算管道剩余強(qiáng)度，得到更為準(zhǔn)確的最大安全工作壓力 MAWPr。

圖3 壁厚斷面分段示意圖Fig.3 Subdivision Process for Determining the RSF

1）計(jì)算遠(yuǎn)離局部減薄缺陷的壁厚tc，得tc= 18.4 mm。

2）計(jì)算剩余厚度比Rt，軸向缺陷長(zhǎng)度系數(shù)l，環(huán)向缺陷長(zhǎng)度系數(shù)cl。經(jīng)計(jì)算得Rt= 0.522，l=1.743，cl=0.697。

3）校核缺陷尺寸，滿足要求。

4）計(jì)算剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF。首先按照金屬損失大小按升序排列壁厚值。把評(píng)價(jià)的起始點(diǎn)設(shè)置在最大金屬損失的位置上，即點(diǎn)壁厚讀數(shù)最小處，依次計(jì)算。在當(dāng)前評(píng)價(jià)的起點(diǎn)處，把壁厚斷面分為一系列的子段，如圖 3。對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)點(diǎn)，用下列方程計(jì)算每個(gè)子段的剩余強(qiáng)度系數(shù) RSFi，其中 si為每子段的長(zhǎng)度，為每子段的起點(diǎn)位置，為每子段的終點(diǎn)位置，λi為每個(gè)子段的軸向缺陷長(zhǎng)度系數(shù)，為每個(gè)子段的 Folias 因子，為每子段的原始面積，為每子段的金屬損失面積。剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF是所有子組剩余強(qiáng)度系數(shù) RSFi中的最小值。表2是以點(diǎn)壁厚讀數(shù)最小處點(diǎn)6為起點(diǎn)，將管道壁厚斷面圖平均劃分為10段，進(jìn)行評(píng)價(jià)所得到數(shù)據(jù)，以其它點(diǎn)為起點(diǎn)的同理可得。通過(guò)計(jì)算確定最小的剩余強(qiáng)度系數(shù)為0.9，故RSF=0.9。

表2 剩余強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算Table 2 The Calculation of Remaining Strength Factor

5）校核缺陷尺寸，得到滿足。

6）計(jì)算拉伸強(qiáng)度系數(shù)TSF，得TSF=0.969。

7）判斷缺陷環(huán)向尺寸是否滿足，帶入?yún)?shù)，得到滿足。

8）計(jì)算管道最大運(yùn)行壓力MAWP，得MAWP=10.99 MPa。

9）判斷管道能否在最大運(yùn)行壓力MAWP下運(yùn)行，若不能計(jì)算在該缺陷下的最大安全工作壓力MAWPr。根據(jù)計(jì)算，得RSF=0.9， RSF= RSFa，所以可以在最大運(yùn)行壓力10.99 MPa下安全運(yùn)行，二級(jí)評(píng)價(jià)得到滿足，評(píng)價(jià)結(jié)束。二級(jí)評(píng)價(jià)得到了比一級(jí)評(píng)價(jià)更為準(zhǔn)確的最大安全運(yùn)行壓力，與二級(jí)評(píng)價(jià)相比，一級(jí)評(píng)價(jià)較為保守。

2.3 含局部減薄缺陷三級(jí)評(píng)價(jià)

隨著評(píng)價(jià)的逐漸深入,如果不滿足一級(jí)和二級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的含局部減薄缺陷管道，則應(yīng)使用三級(jí)評(píng)價(jià)方法或者退役、更換、維修。三級(jí)評(píng)價(jià)是最高水平和最復(fù)雜的評(píng)價(jià)，需要更加詳盡的壁厚數(shù)據(jù)、幾何詳圖、材料性質(zhì)以及在此區(qū)域附近的附加載荷，是最高水平的評(píng)價(jià)，整個(gè)過(guò)程完全建立在定量分析的基礎(chǔ)上，沒(méi)有固定成熟的方法，可以采用應(yīng)力分析，運(yùn)用有限元建模等方法，確定結(jié)構(gòu)連續(xù)服役適應(yīng)性。

3 評(píng)價(jià)軟件開發(fā)

通過(guò)實(shí)例計(jì)算，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行對(duì)含局部減薄缺陷管線的安全評(píng)定需要大量計(jì)算量，存在一定難度。為了解決這一問(wèn)題，根據(jù)本文優(yōu)化的 API579標(biāo)準(zhǔn)含局部減薄缺陷管道剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法，開發(fā)了含局部減薄缺陷管道安全評(píng)價(jià)軟件。

評(píng)價(jià)軟件采用Visual Studio 2010開發(fā)平臺(tái)，C#編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了含局部減薄缺陷管道的安全評(píng)價(jià)，可以準(zhǔn)確計(jì)算出管道的最大安全運(yùn)行壓力，界面友好，易于操作，功能全面。在二級(jí)評(píng)價(jià)模塊中，可以根據(jù)需要任意添加點(diǎn)壁厚讀數(shù)個(gè)數(shù)，自動(dòng)判別最小剩余強(qiáng)度系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更精確的評(píng)價(jià)。該軟件大大減少了安全評(píng)定過(guò)程中計(jì)算的工作量，提高了長(zhǎng)輸管線的安全評(píng)定工作效率，降低了評(píng)定的難度。圖4為結(jié)合本文算例進(jìn)行計(jì)算時(shí)的界面，結(jié)果準(zhǔn)確，方便易用。

圖4 含局部減薄缺陷管線的安全評(píng)定軟件界面Fig.4 Program Interface for the Assessment of Pipeline with Local Thin Defect

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了API579-2007標(biāo)準(zhǔn)含局部減薄缺陷管道剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法，針對(duì)長(zhǎng)輸管線，對(duì)評(píng)價(jià)流程進(jìn)行了優(yōu)化。選擇X80長(zhǎng)輸管線為研究對(duì)象，完成了對(duì)含局部減薄缺陷管線的安全評(píng)定，得到了給定局部減薄缺陷下管道最大運(yùn)行壓力，二級(jí)評(píng)價(jià)比一級(jí)評(píng)價(jià)更為精確，證明了 API579標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)含局部減薄缺陷管道的剩余強(qiáng)度的合理性。開發(fā)出含局部減薄缺陷的長(zhǎng)輸管線安全評(píng)定軟件，該軟件大大減少了安全評(píng)定過(guò)程中計(jì)算的工作量，提高了長(zhǎng)輸管線的安全評(píng)定工作效率，降低了評(píng)定的難度，進(jìn)而使在役長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行與管理水平得到進(jìn)一步的改善和提高。

［1］王澤恒,等. 基于BS 7910標(biāo)準(zhǔn)含埋藏裂紋缺陷X80長(zhǎng)輸管線的二級(jí)安全評(píng)定 [J].焊管,2013 (04) ：61-65.

［2］DOLGIAS G S.高溫軋制工藝（HTP）在高強(qiáng)度油氣輸送管線鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].南鋼技術(shù)與管理，2006（3）：58-62.

［3］ASME B31G-2009,Manual for determining the remaining strength of corroded pipe lines[S]. American Society of Mechanical Engineers,2009.

［4］The American Society of Mechanical Engineers. API579-1 /ASME FFS-1-2007 fitness-for-service second edition [S]. Washington DC:API，2007.

［5］DNV RP F101-2004,Recommended practice for corroded Pipelines [S].Norway, 2004.