青松鑄范小霞陽梓杰米小雙孫明楠　高　健　周秀蘭

1.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 2.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦3.中國石油西南油氣田公司 4.成都城市燃?xì)庥邢挢?zé)任公司

ASME B31G-2012標(biāo)準(zhǔn)在含體積型缺陷管道剩余強(qiáng)度評價中的應(yīng)用研究

青松鑄1范小霞1陽梓杰2米小雙3孫明楠1高健1周秀蘭4

1.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 2.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦3.中國石油西南油氣田公司 4.成都城市燃?xì)庥邢挢?zé)任公司

青松鑄等. ASME B31G-2012標(biāo)準(zhǔn)在含體積型缺陷管道剩余強(qiáng)度評價中的應(yīng)用研究，天然氣工業(yè)，2016,36(5):115-121.

為了確定石油天然氣輸送管道能否在規(guī)定的管道壓力下正常運行，避免油氣管道發(fā)生安全事故，必須對含體積型缺陷的管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價。以斷裂力學(xué)和工程實踐經(jīng)驗相結(jié)合的半經(jīng)驗公式作為含體積型缺陷管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被國內(nèi)外所廣泛采用。為此分析研究了ASME B31G-2012 標(biāo)準(zhǔn)的3種流變應(yīng)力計算方法，得出各管線鋼在選用不同方式計算流變應(yīng)力時，管道剩余強(qiáng)度值之間所存在的差異，剩余強(qiáng)度評價結(jié)果也會存在著不同的保守性。進(jìn)而計算了不同條件下安全系數(shù)的選取范圍，討論了地區(qū)等級變化對安全系數(shù)的影響程度；并針對ASME B31G-2012標(biāo)準(zhǔn)比較了原剩余強(qiáng)度計算公式和改進(jìn)后的剩余強(qiáng)度計算公式，認(rèn)為改進(jìn)后公式通過改變鼓脹系數(shù)和缺陷投影面積降低了剩余強(qiáng)度評價結(jié)果的保守性；最后通過實際工程運用明確了流變應(yīng)力、安全系數(shù)、剩余強(qiáng)度計算公式的選取原則。結(jié)論認(rèn)為：在實際應(yīng)用中需要綜合考慮管道使用年限、管材性質(zhì)、缺陷特征、所處地區(qū)等級、檢測技術(shù)及業(yè)主要求等多方面的因素來確定如何選取評價管道剩余強(qiáng)度的相關(guān)參數(shù)。

體積型缺陷 腐蝕缺陷 流變應(yīng)力 安全系數(shù) ASME B31G-2012標(biāo)準(zhǔn) 剩余強(qiáng)度

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.115-121,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

油氣長輸管道在生產(chǎn)、施工、服役階段都會在管壁產(chǎn)生體積型缺陷，體積型缺陷指管壁上的金屬損失，其產(chǎn)生的主要原因是腐蝕。體積缺陷可大面積減薄管道的壁厚，降低管道的承壓能力，導(dǎo)致管道穿孔或爆破，引發(fā)漏油、漏氣事故，進(jìn)一步導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸和環(huán)境污染等嚴(yán)重事故[1]。為了確定管道能否在規(guī)定的壓力下正常運行，避免事故發(fā)生，必須對含體積型缺陷的管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價。對于體積型缺陷，可采用3種方法進(jìn)行評價：①將體積型缺陷當(dāng)作裂紋型缺陷來處理，采用斷裂力學(xué)方法進(jìn)行評價；②采用斷裂力學(xué)和工程實踐經(jīng)驗相結(jié)合的半經(jīng)驗公式進(jìn)行評價；③采用以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值分析方法（極限承載能力分析）進(jìn)行評價[2]。其中，采用斷裂力學(xué)和工程實踐經(jīng)驗相結(jié)合的半經(jīng)驗公式進(jìn)行評價的方法從20世紀(jì)60年代開始推廣，多個國家頒布了相關(guān)的評價標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范[3]。在這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，由美國機(jī)械工程師協(xié)會頒布的ASME B31G-1984是各國研究腐蝕管道剩余強(qiáng)度評價最常用的標(biāo)準(zhǔn)，它同時也是一些評價標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)[4]。目前，該標(biāo)準(zhǔn)更新到ASME B31G-2012[5]，在流變應(yīng)力、安全系數(shù)和腐蝕缺陷投影面積的定義上存在著多種形式[6]，導(dǎo)致在實際工程運用中無法正確合理地選擇上述參數(shù)。因此筆者在眾多學(xué)者研究成果[7-11]和實際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對ASME B31G-2012開展了以下研究工作：分析了3種流變應(yīng)力對該剩余強(qiáng)度算法保守性的影響，結(jié)合實際工況明確了其選用范圍；提出了安全系數(shù)的取值范圍，分析了地區(qū)等級和管道壁厚變化對安全系數(shù)的影響；分析了該標(biāo)準(zhǔn)中2種剩余強(qiáng)度計算公式的保守性，結(jié)合實際工況明確了其選用范圍。

1　流變應(yīng)力分析

流變應(yīng)力是考慮了實際材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)而定義的一個虛擬屈服應(yīng)力，材料達(dá)到該應(yīng)力即發(fā)生失效。有學(xué)者指出，引起失效壓力預(yù)測結(jié)果差異的主要因素在于流變應(yīng)力的定義[12]。針對流變應(yīng)力選取，ASME B31G-2012采用了國際上認(rèn)可的3種流變應(yīng)力：

長輸管道使用的管材和相應(yīng)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、3種流變應(yīng)力的計算結(jié)果及最大流變應(yīng)力值與最小流變應(yīng)力值的差如表1所示。管線鋼屈服強(qiáng)度與3種流變應(yīng)力值的關(guān)系如圖1 所示。

表1　長輸管道使用的管材和相應(yīng)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、流變應(yīng)力表

圖1　3種流變應(yīng)力值與管線鋼屈服強(qiáng)度的關(guān)系圖

對于低強(qiáng)度管線鋼，不同流變應(yīng)力之間的差距較大，隨著管線鋼鋼級的增大，這種差距逐漸減小。這也說明，當(dāng)管線鋼鋼級較低時，選擇不同的流變應(yīng)力對評價結(jié)果影響較大，當(dāng)管線鋼強(qiáng)度升高時（低于或等于L485或X70），選擇不同的流變應(yīng)力對評價結(jié)果影響較小。將上述管線鋼的3種流變應(yīng)力按大小進(jìn)行排序，由于長輸管道材料的變化，3種流變應(yīng)力的大小排序?qū)⒂兴淖儯ū?）。

ASME B31G-2012以Folias 提出的半經(jīng)驗公式和NG-18表面缺陷計算公式為研究基礎(chǔ)，定義了管道的預(yù)測環(huán)向失效應(yīng)力，即

表2　管線鋼3種流變應(yīng)力排序表

將式（4）等式兩端乘以2t/D，得到：

對Sfl ow進(jìn)行求導(dǎo)計算得到結(jié)果如下：

由于公式（6）中的t、D的值均大于0，且0＜A/ A0＜1、M＞1，可以得出(p)’＞0，因此根據(jù)求導(dǎo)公式的意義，得出管道的pF與流變應(yīng)力Sflow成正比。但由于對體積型缺陷進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價時有3種流變應(yīng)力值可以選擇，導(dǎo)致pF的計算結(jié)果不同：①選擇較大的流變應(yīng)力值會使該缺陷的失效壓力較高，缺陷的保守性較小，即預(yù)留較少的安全裕量；②選擇較小的流變應(yīng)力值會使該缺陷的失效壓力較低，缺陷的保守性較大，即預(yù)留較多的安全裕量。將管線鋼的3種流變應(yīng)力對體積型缺陷剩余強(qiáng)度評價保守性的影響進(jìn)行排序，結(jié)果如表3所示。

表3　管線鋼三種流變應(yīng)力對缺陷剩余強(qiáng)度評價保守性的影響表

2　安全系數(shù)分析

目前，長輸管道普遍使用許用應(yīng)力法對管道壁厚進(jìn)行設(shè)計[13-14]，許用應(yīng)力等于考慮各種影響因素后經(jīng)適當(dāng)修正的材料失效應(yīng)力（靜強(qiáng)度設(shè)計中用屈服極限或強(qiáng)度極限，疲勞強(qiáng)度設(shè)計中用疲勞極 限）除以安全系數(shù)。塑性材料（大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金）以屈服極限為基準(zhǔn)，除以安全系數(shù)后得許用應(yīng)力，即[σ]=SMYS/SF。

ASME B31G-2012定義SF為安全系數(shù)，但未給出該參數(shù)的具體取值范圍，僅僅建議安全系數(shù)的最小值取管道的最小水壓試驗壓力與最大允許操作壓力（MAOP）之比，通常不小于1.25，對于長輸管道完成體積型缺陷剩余強(qiáng)度評價需要明確安全系數(shù)的取值范圍以及選擇方法。

2.1輸氣管道取值范圍分析

根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》[15]對水壓試驗的壓力進(jìn)行了如下規(guī)定：①一級地區(qū)內(nèi)的管段不應(yīng)小于設(shè)計壓力的1.1倍；②二級地區(qū)內(nèi)的管段不應(yīng)小于設(shè)計壓力的1.25倍；③三級地區(qū)內(nèi)的管段不應(yīng)小于設(shè)計壓力的1.4倍；④四級地區(qū)內(nèi)的管段不應(yīng)小于設(shè)計壓力的1.5倍。同時，根據(jù)ASME B31G-2012規(guī)定：當(dāng)pF≥ (SF×p0)時，認(rèn)為缺陷可以在規(guī)定的管道壓力下安全運行，此時其計算公式如下：

p0為固定值，在管壁未發(fā)生腐蝕且不考慮流變應(yīng)力強(qiáng)化效果的情況下得到pF的極限最大值為：

將公式（8）帶入公式（7）中，得到SF的最大值為：

因此一級地區(qū)內(nèi)的輸氣管道安全系數(shù)的取值范圍為：二級地區(qū)內(nèi)的輸氣管道安全系數(shù)的取值范圍為：三級地區(qū)內(nèi)的輸氣管道安全系數(shù)的取值范圍為：四級地區(qū)內(nèi)的輸氣管道安全系數(shù)的取值范圍為：

選擇較大的安全系數(shù)會導(dǎo)致更多的缺陷不可接受，使計算結(jié)果偏于保守。在實際評價中，常常遇到地區(qū)等級升高的情況，這時仍然需要按照設(shè)計時的地區(qū)等級選擇相應(yīng)的安全系數(shù)，若按照升高后的地區(qū)等級選擇更大安全系數(shù)，會導(dǎo)致整個管段均不滿足壁厚要求。同時，在實際評價中，還常常遇到管道實際壁厚大于設(shè)計壁厚，對于這種情況，應(yīng)該根據(jù)實際壁厚計算該管道的理論設(shè)計壓力，然后計算輸氣管道安全系數(shù)。

目前，國內(nèi)天然氣長輸管道大多以設(shè)計壓力作為其最大允許操作壓力，在這種情況下，一級地區(qū)內(nèi)的安全系數(shù)取值范圍為：

二級地區(qū)內(nèi)的安全系數(shù)取值范圍為：三級地區(qū)內(nèi)的安全系數(shù)取值范圍為：四級地區(qū)內(nèi)的安全系數(shù)取值范圍為：

2.2輸油管道取值范圍分析

輸油管道的地區(qū)級別和設(shè)計壁厚變化分析方法與輸氣管道一致。GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》[16]對水壓試驗的壓力進(jìn)行了如下規(guī)定：①一般地區(qū)內(nèi)的管段不應(yīng)小于設(shè)計壓力的1.25倍；②大中型穿跨越及人口稠密的管段不應(yīng)小于設(shè)計壓力的1. 5倍。

因此，一般地區(qū)管段的安全系數(shù)取值范圍為：

處于城鎮(zhèn)中心區(qū)、市郊居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、規(guī)劃區(qū)等人口稠密管段的安全系數(shù)為：

當(dāng)最大允許操作壓力為設(shè)計壓力時，一般地區(qū)輸油管道安全系數(shù)的取值范圍為：

處于城鎮(zhèn)中心區(qū)、市郊居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、規(guī)劃區(qū)等人口稠密管段的安全系數(shù)為：

3　原公式與改進(jìn)公式對比分析

在ASME B31G-2012中提出了兩個含有體積性缺陷的剩余強(qiáng)度計算公式（即原公式和改進(jìn)公式），但該標(biāo)準(zhǔn)未給出如何選用它們，因此筆者通過將原公式和改進(jìn)公式進(jìn)行對比分析，從而找出其中規(guī)律。

首先分析鼓脹系數(shù)（M）對公式(4)的影響[17]，以M為變量，對公式(4)進(jìn)行求導(dǎo)：

其中

得出SF與M成正比。

1）原公式

當(dāng)z≤20時，有

其中當(dāng)z＞20時，有

2）改進(jìn)后的公式[18]當(dāng)z≤50時，有當(dāng)z＞50時，有

在 z≤20時，原公式的鼓脹系數(shù)明顯比改進(jìn)公式的鼓脹系數(shù)值大。為了比較原公式與改進(jìn)公式的保守性，假設(shè)兩者的鼓脹系數(shù)為一樣，聯(lián)立公式（23）及式（28）可得：

其中

在假設(shè)鼓脹系數(shù)一樣的條件下可得：

由于鼓脹系數(shù)與管道的失效應(yīng)力為正比關(guān)系，因此采用各自的鼓脹系數(shù)仍能得到相同結(jié)果。

當(dāng) z＞20時，聯(lián)立公式（25）及（28）可得：

其中由此得到：

綜上所述，在 z≤20時，改進(jìn)后的公式通過減少鼓脹系數(shù)的值和改變?nèi)毕萃队懊娣e增加了保守性；在 z＞20時，改進(jìn)后的公式通過減少鼓脹系數(shù)的值和改變?nèi)毕萃队懊娣e降低了保守性（圖2）。

圖2　原公式與改進(jìn)后公式對比圖

4　體積型缺陷評價實例

使用ASME B31G-2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價時，由于流變應(yīng)力、安全系數(shù)、公式有多種形式可供選擇，需要參考管道使用年限、管材性質(zhì)、缺陷特征、所處地區(qū)等級、檢測技術(shù)及業(yè)主要求等多方面的因素來確定如何選擇上述參數(shù)。由于評價標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)的取值不同，導(dǎo)致評價結(jié)果存在一定的差異。

以某天然氣輸送管道為例進(jìn)行分析，管道于

1995年 7月建成投產(chǎn)，全長 21 km，管道材質(zhì)為L360無縫鋼管，管道規(guī)格為?273 mm×8 mm，設(shè)計輸氣量 130×104m3/d，管道防腐采用石油瀝青防腐和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)措施。管線的最大允許操作壓力為8.5 MPa，輸送天然氣的硫化氫含量為 20.3 g/ m3，目前為三級地區(qū)。該管道于2015年4月完成了漏磁檢測，共發(fā)現(xiàn)1 211處金屬腐蝕特征（表4）。

表4　缺陷統(tǒng)計表

發(fā)現(xiàn)其中1處內(nèi)腐蝕，該缺陷深度與管道壁厚之比為23%，軸向長度為133 mm，利用ASME B31G-2012剩余強(qiáng)度評價方法分析該缺陷對管道安全影響。現(xiàn)有以下兩組參數(shù)可供選擇。

1）選擇原公式，流變應(yīng)力為：

安全系數(shù)為：

2）選擇改進(jìn)后的公式，流變應(yīng)力為：

安全系數(shù)為：

根據(jù)上述參數(shù)要求，該缺陷的剩余強(qiáng)度評價結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，第一組參數(shù)得到的曲線保守性明顯高于第二組參數(shù)。該腐蝕缺陷點使用第一組參數(shù)進(jìn)行評價得到該缺陷不可接受，威脅管道安全，需要立即處理；但使用第二組參數(shù)進(jìn)行評價得到該缺陷目前可接受，暫時處于安全狀態(tài)。由于該管道檢測出較多的腐蝕缺陷，檢測到113處腐蝕深度30%以上的缺陷，表明管線安全面臨嚴(yán)重的內(nèi)外腐蝕威脅；管道服役時間長達(dá)到20年，已進(jìn)入老齡期，防腐層面臨老化等威脅，安全狀況不容忽視；加上該管道輸送原料氣，硫化氫含量高達(dá) 20.3 g/m3，一旦破損會嚴(yán)重危害周圍人民群眾的生命財產(chǎn)安全。綜上所述，選擇第一組參數(shù)得到的評價結(jié)果更符合實際情況。

圖3　某管道內(nèi)腐蝕剩余強(qiáng)度分析圖

5　結(jié)論

鑒于油氣長輸管道重要的戰(zhàn)略地位、發(fā)生事故危害的嚴(yán)重性以及高昂的維修費用，對含有體積型缺陷的管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價非常必要，評價的目的就是研究含缺陷管道所容許的最大操作壓力以及在某一操作壓力下允許存在的最大缺陷尺寸，從而做出正確的決策，從而獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[19]。通過分析目前最重要的剩余強(qiáng)度評價標(biāo)準(zhǔn)ASME B31G-2012得出以下結(jié)論：

1）對于低強(qiáng)度管線鋼，不同定義流變應(yīng)力之間的差距較大，隨著管線鋼級的增大，這種差距逐漸減小。這也說明，當(dāng)管線鋼鋼級較低時，流變應(yīng)力的定義對評價結(jié)果影響較大，當(dāng)管線鋼強(qiáng)度升高時（低于或等于L485(X70)），流變應(yīng)力的定義對評價結(jié)果影響較小。

2）該標(biāo)準(zhǔn)采用了3種流變應(yīng)力，其值大小排序隨著管線鋼級的變化而不同：①選擇較大的流變應(yīng)力值會使該缺陷的失效壓力較高，缺陷的保守性較小，即預(yù)留較少的安全裕量；②選擇較小的流變應(yīng)力值會使該缺陷的失效壓力較低，缺陷的保守性較大，即預(yù)留較多的安全裕量。

3）地區(qū)等級變化仍然需要按照設(shè)計時的地區(qū)等級選擇相應(yīng)的安全系數(shù)，若按照升高后的地區(qū)等級選擇更大安全系數(shù)會導(dǎo)致整個管段均不滿足壁厚要求。管道實際壁厚大于設(shè)計壁厚時，應(yīng)該根據(jù)實際壁厚計算該管道的理論設(shè)計壓力，然后計算輸氣管道安全系數(shù)。

4）通過公式推導(dǎo)得到：①管道的失效應(yīng)力與鼓脹系數(shù)成正比；②在z≤20時，改進(jìn)后的公式通過減少鼓脹系數(shù)的值和改變?nèi)毕萃队懊娣e增加了保守性；③在z＞20時，改進(jìn)后的公式通過減少鼓脹系數(shù)的值和改變?nèi)毕萃队懊娣e降低了保守性。

5）使用ASME B31G-2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價時，由于流變應(yīng)力、安全系數(shù)、公式有多種形式可供選擇，需要參考管道使用年限、管材性質(zhì)、缺陷特征、所處地區(qū)等級、檢測技術(shù)及業(yè)主要求等多方面的因素來確定如何選擇上述參數(shù)。

符號說明

Sflow表示流變應(yīng)力，MPa；SMYS表示最小屈服強(qiáng)度，MPa；SMTS表示最小抗拉強(qiáng)度，MPa；SF表示評估的失效應(yīng)力，MPa；A表示縱向投影的局部金屬損失面積，mm2；A0表示原有的金屬面積，mm2； M表示鼓脹應(yīng)力放大系數(shù)，無量綱；D表示管道外徑，mm；t表示管道壁厚，mm；pF表示評估的失效壓力，MPa；σ表示許用應(yīng)力，MPa ；SF表示安全系數(shù)，無量綱；p0表示操作壓力，可以為最高允許操作壓力（MAOP），MPa；MAOP是最高允許操作壓力，MPa；p是在實測壁厚下的計算壓力，MPa；F是設(shè)計時的設(shè)計系數(shù)，無量綱；d是金屬損失深度，mm；z=L2/Dt，無量綱；L是缺陷長度，mm。

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（修改回稿日期 2016-03-25編 輯 陳嵩）

Application of ASME B31G-2012 to the residual strength evaluation of pipelines with volumetric defects

Qing Songzhu1, Fan Xiaoxia1, Yang Zijie2, Mi Xiaoshuang3, Sun Mingnan1, Gao Jian1, Zhou Xiulan4
(1. Institute of Safety, Environmental Protection and Technical Supervision, PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 610041, China; 2. Chongqing Division of PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chongqing 400021, China; 3. Petrochina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 610056,China; 4. Chengdu City Gas Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610041, China)

Accidents of oil and gas pipelines can be avoided if safe and normal functioning of the pipelines under the stipulated pressure is guaranteed, so it is necessary to evaluate the residual strength of the pipelines with volumetric defects. The semi-empirical formula which combines fracturing mechanics with practical engineering experience is widely used around the world as the standard for the residual strength evaluation of pipelines with volumetric defects. In this paper, three calculation methods of flow stress presented in ASME B31G-2012 were analyzed and studied. According to the results, when the flow stress of pipeline steels is calculated by using different methods, the calculated residual strength of pipelines is different and its conservative degree of evaluation results is also different. Then, the value range of safety factor under different conditions was calculated and the effect of location class change on the safety factor was discussed. As per the ASME B31G-2012, the original residual strength formula was compared with the improved one. It is shown that the conservative degree of residual strength evaluation results is decreased by changing the expansion coefficient and the defect projection area after the formula is improved. Finally, the selection principles on the calculation formula of flow stress, safety factor and residual strength were confirmed in reference to actual projects. As for actual application, it is recommended to analyze multiple factors comprehensively (e.g. pipeline service life, pipe material properties, defect characteristics, local rating, detection technologies and clients’ requirements) so as to select the correct parameters for the residual strength evaluation of pipelines.

Volumetric defects; Corrosion defects; Flow stress; Safety factor; ASME B31G-2012; Residual strength

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.017

青松鑄，1983年生，工程師，碩士；主要從事管道檢測、評價、修復(fù)及完整性管理相關(guān)的研究與應(yīng)用工作。地址：（610041）四川省成都市天府大道北段12號。ORCID: 0000-0002-3347-737X。E-mail:qingsz@petrochina.com.cn