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        含局部減薄缺陷X80長輸管線的安全評定

        2014-11-05 12:39:36李思嘉
        當(dāng)代化工 2014年1期
        關(guān)鍵詞:長輸環(huán)向管線

        李思嘉,王 杰

        (中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院,北京 102249)

        我國石油天然氣管道建設(shè)規(guī)模逐漸加大,管線的斷裂事故時有發(fā)生,長輸管線的安全評定工作越來越受到重視。隨著油氣長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、局部腐蝕以及點腐蝕三種。其中,局部腐蝕會導(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,促使國內(nèi)形成了年產(chǎn)量150萬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)國家普遍將X80列為21世紀(jì)天然氣輸送管線的首選鋼級[2]。所以準(zhǔn)確地評價含局部減薄缺陷X80長輸管線的剩余強度具有很大的社會及經(jīng)濟效益。

        國際上對含局部減薄缺陷管道的評價方法有很多,主要有美國ASME B31G[3]、API 579[4]、挪威的DNV RP F101[5]等,但是 ASME B31G、DNV RP F101等評價準(zhǔn)則的材料適用范圍為X80級以下的壓力管道,對X80以上的鋼級并不適用。API579-2007則有著完整的評價體系,評價過程更為詳盡、方便,可以對含局部減薄缺陷管線的軸向和環(huán)向剩余強度進(jìn)行評價,在二級評價中可以將壁厚斷面缺陷分為若干小段,比一級評價更為準(zhǔn)確的計算管道剩余強度。

        1 含局部減薄缺陷評價流程

        在 API579標(biāo)準(zhǔn)體系中,評價分為三個等級,隨著評價等級的提高,所需要的數(shù)據(jù)越多,評價結(jié)果更為精確。一般而言,在獲得評價所需數(shù)據(jù)后,先進(jìn)行一級評價,通過一級評價則可繼續(xù)服役,否則進(jìn)行二級評價。通過二級評價則可繼續(xù)服役,否則進(jìn)行三級評價。三級評價不通過,就要對管道進(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。含局部減薄缺陷流程如圖1所示。

        圖1 局部減薄缺陷評價流程圖Fig. 1 Assessment Procedure to Evaluate a Pipe with Local Thin Defect

        2 含局部減薄缺陷X80長輸管線評價

        根據(jù)API579標(biāo)準(zhǔn)評價含有局部減薄缺陷的管道。某段X80級長輸管線,根據(jù)評價需求,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,材料屈服強度δs為555 MPa ,設(shè)計系數(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,獲得缺陷軸向長度s為200 mm,環(huán)向長度c為80 mm。軸向臨界壁厚斷面圖如圖2、表1,確定測量最小壁厚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 檢查點位置壁厚Table 1 Thickness of Checking Point

        2.1 含局部減薄缺陷一級評價

        根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行含局部減薄缺陷的一級評級。

        1)計算遠(yuǎn)離局部減薄缺陷的壁厚tc。

        將參數(shù)代入,得tc=18.4 mm。

        2)計算剩余厚度比Rt,軸向缺陷長度系數(shù)l,環(huán)向缺陷長度系數(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)一級評價;若不滿足,則按一級、二級評價,此缺陷均不可接受。

        將參數(shù)代入,條件均得到滿足。

        4)計算剩余強度系數(shù)RSF。先計算 Folias 因子Mt,再求出剩余強度系數(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)一級評價;若不滿足,則按一級評價,此缺陷不可接受,進(jìn)入二級評價。

        將參數(shù)代入,條件均得到滿足。

        6)計算拉伸強度系數(shù)TSF。

        將參數(shù)代入,TSF=0.825。

        7)判斷缺陷環(huán)向尺寸是否滿足評價。根據(jù)計算得到的TSF,選擇公式如下的曲線,以評價中獲得的剩余厚度比Rt為橫坐標(biāo),環(huán)向缺陷長度系數(shù)cl為縱坐標(biāo)形成坐標(biāo)點帶入曲線計算,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,一級評價結(jié)束,進(jìn)入二級評價。

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

        8)計算管道最大運行壓力MAWP。先求出滿足環(huán)向要求的最大運行壓力 MAWPC和滿足環(huán)向要求的最大運行壓力 MAWPL的值,選擇他們中較小的一個作為管道最大運行壓力。S為許用應(yīng)力,材料屈服強度ss乘以設(shè)計系數(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行壓力MAWP下運行,若不能計算在該缺陷下的最大安全工作壓力MAWPr。以評價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,帶入下式所表示的曲線計算,若位于曲線上方,則可以最大運行壓力下運行。若位于曲線下方,但是剩余強度系數(shù)RSF大于許用剩余強度系數(shù)RSFa,仍然可以在最大運行壓力MAWP下運行。

        將參數(shù)代入,坐標(biāo)位于曲線下方,而且根據(jù)前面計算出的 RSFa,故管道無法在最大運行壓力MAWP下運行。計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評價

        二級評價可以得到比一級評價更加準(zhǔn)確的結(jié)果。含局部減薄缺陷二級級評價步驟1) ~ 3)、5)~9)與一級評價相同。在二級評價中,步驟4)將壁厚斷面缺陷分為若干小段,分別計算剩余強度系數(shù),可以比一級評價更為準(zhǔn)確的計算管道剩余強度,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)計算遠(yuǎn)離局部減薄缺陷的壁厚tc,得tc= 18.4 mm。

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

        3)校核缺陷尺寸,滿足要求。

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

        表2 剩余強度系數(shù)計算Table 2 The Calculation of Remaining Strength Factor

        5)校核缺陷尺寸,得到滿足。

        6)計算拉伸強度系數(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)計算管道最大運行壓力MAWP,得MAWP=10.99 MPa。

        9)判斷管道能否在最大運行壓力MAWP下運行,若不能計算在該缺陷下的最大安全工作壓力MAWPr。根據(jù)計算,得RSF=0.9, RSF= RSFa,所以可以在最大運行壓力10.99 MPa下安全運行,二級評價得到滿足,評價結(jié)束。二級評價得到了比一級評價更為準(zhǔn)確的最大安全運行壓力,與二級評價相比,一級評價較為保守。

        2.3 含局部減薄缺陷三級評價

        隨著評價的逐漸深入,如果不滿足一級和二級評價準(zhǔn)則的含局部減薄缺陷管道,則應(yīng)使用三級評價方法或者退役、更換、維修。三級評價是最高水平和最復(fù)雜的評價,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,是最高水平的評價,整個過程完全建立在定量分析的基礎(chǔ)上,沒有固定成熟的方法,可以采用應(yīng)力分析,運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 評價軟件開發(fā)

        通過實例計算,發(fā)現(xiàn)進(jìn)行對含局部減薄缺陷管線的安全評定需要大量計算量,存在一定難度。為了解決這一問題,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度的評價方法,開發(fā)了含局部減薄缺陷管道安全評價軟件。

        評價軟件采用Visual Studio 2010開發(fā)平臺,C#編程語言,實現(xiàn)了含局部減薄缺陷管道的安全評價,可以準(zhǔn)確計算出管道的最大安全運行壓力,界面友好,易于操作,功能全面。在二級評價模塊中,可以根據(jù)需要任意添加點壁厚讀數(shù)個數(shù),自動判別最小剩余強度系數(shù),可以實現(xiàn)更精確的評價。該軟件大大減少了安全評定過程中計算的工作量,提高了長輸管線的安全評定工作效率,降低了評定的難度。圖4為結(jié)合本文算例進(jìn)行計算時的界面,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定軟件界面Fig.4 Program Interface for the Assessment of Pipeline with Local Thin Defect

        4 結(jié) 語

        本文研究了API579-2007標(biāo)準(zhǔn)含局部減薄缺陷管道剩余強度的評價方法,針對長輸管線,對評價流程進(jìn)行了優(yōu)化。選擇X80長輸管線為研究對象,完成了對含局部減薄缺陷管線的安全評定,得到了給定局部減薄缺陷下管道最大運行壓力,二級評價比一級評價更為精確,證明了 API579標(biāo)準(zhǔn)評價含局部減薄缺陷管道的剩余強度的合理性。開發(fā)出含局部減薄缺陷的長輸管線安全評定軟件,該軟件大大減少了安全評定過程中計算的工作量,提高了長輸管線的安全評定工作效率,降低了評定的難度,進(jìn)而使在役長輸管道安全運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長輸管線的二級安全評定 [J].焊管,2013 (04) :61-65.

        [2]DOLGIAS G S.高溫軋制工藝(HTP)在高強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.

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