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。
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
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
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。
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。
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。
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
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。
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