龐洪晨 楊立君

（1. 山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101；

2. 山東省中遠(yuǎn)天然氣技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 前言

天然氣長輸管道在長期運(yùn)行時(shí)，管道的內(nèi)外環(huán)境會(huì)導(dǎo)致管壁發(fā)生腐蝕，降低管道的運(yùn)行壓力[1]，從而影響管道的正常運(yùn)行。為了解管道的腐蝕情況，采用漏磁檢測技術(shù)[2]對長輸管道進(jìn)行檢測，利用檢測數(shù)據(jù)評價(jià)管道的剩余強(qiáng)度和預(yù)測管道剩余壽命，但不是所有的腐蝕缺陷都要進(jìn)行更換或維修[3]，不同的評價(jià)方法得到的剩余強(qiáng)度和剩余壽命均存在差異，因此，開展適合于天然氣長輸管道的腐蝕缺陷評估和剩余壽命預(yù)測方法日益迫切。

本文針對某天然氣長輸管道腐蝕缺陷內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，對管道整體腐蝕狀況進(jìn)行了分析，采用Modifeid B31G評價(jià)方法和Kastner評價(jià)方法，分析管道在不同壓力和厚度下剩余強(qiáng)度的變化，并預(yù)測管道的剩余壽命，定制了管道修復(fù)計(jì)劃。

1 評價(jià)方法

1.1 Modified B31G評價(jià)方法

常規(guī)評價(jià)管道的剩余強(qiáng)度，一般采用ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)，由于ASME B31G的保守性，美國燃?xì)鈪f(xié)會(huì)（AGA）對ASME B31G[4]進(jìn)行了修正，修正后的計(jì)算方法如下[5]：

式中：t 為管道壁厚，mm；D為管道直徑，mm；σs屈服強(qiáng)度，MPa；d為缺陷最大腐蝕深度，mm；M為Folias系數(shù)；Pf為缺陷管道的失效壓力，MPa。Folias的大小是根據(jù)缺陷的不同而有所差別，在Modified B31G評價(jià)方法中，將缺陷分為兩種情況，不同情況下的計(jì)算方式如公式（2）和公式（3）：

1.2 Kastner評價(jià)方法

Modified B31G評價(jià)方法主要是分析缺陷長度對管道的影響，為了解缺陷寬度對管道安全的影響，British Gas（英國燃?xì)夤荆┻M(jìn)行了大量水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明Kastner法是分析此類問題的最佳模型之一[6]。該方法的主要計(jì)算公式（4）：

式中：η為缺陷處剩余壁厚，%；c為缺陷寬度的一半，mm；R為管道半徑，mm；β為缺陷半寬度與管道半徑的比值；ρ為軸向失效應(yīng)力與流變應(yīng)力的比值；σa為操作壓力下的軸向應(yīng)力，MPa；σf為軸向失效應(yīng)力，MPa。

2 管道概況

某管道全長85.3km，管徑為508mm，管道材質(zhì)為L320，壁厚分別為6.4mm、7.9mm、9.5mm，管道設(shè)計(jì)壓力為3.9MPa，采用3PE外防腐，輸送介質(zhì)是天然氣，利用φ508三軸高清晰度漏磁檢測設(shè)備對管道進(jìn)行檢測。

3 金屬損失統(tǒng)計(jì)分析

本次檢測發(fā)現(xiàn)所有金屬損失信息如表1所示。

從表1中發(fā)現(xiàn)金屬損失有110222處，其中內(nèi)部金屬損失109742處，外部金屬損失480處。金屬損失的平均深度為管道正常壁厚的8%，最深的缺陷為內(nèi)部金屬損失，深度為管道正常壁厚的50%。

表1 金屬損失按深度統(tǒng)計(jì)表

3.1 內(nèi)部金屬損失統(tǒng)計(jì)

內(nèi)部金屬損失各類統(tǒng)計(jì)分布如圖1所示。

圖1 內(nèi)部金屬損失統(tǒng)計(jì)

通過圖1對內(nèi)部金屬損失的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：絕大多數(shù)內(nèi)部金屬損失聚集分布在4點(diǎn)至8點(diǎn)鐘的管道底部；內(nèi)部金屬損失分布形態(tài)主要聚集分布在一根或連續(xù)多根的管節(jié)上，且缺陷主要以管道底部6點(diǎn)鐘位置為軸心對稱分布，并兩端閉合。缺陷分布可能受地理環(huán)境等因素的影響，液體或其他雜質(zhì)在管道局部發(fā)生沉積，導(dǎo)致在沉積液體和氣體交界的邊緣形成腐蝕，如果未能夠進(jìn)行有效清管，破壞腐蝕生長環(huán)境，腐蝕將不斷生長。

3.2 外部金屬損失統(tǒng)計(jì)

外部金屬損失各類統(tǒng)計(jì)分布如圖2所示。

圖2 外部金屬損失統(tǒng)計(jì)

通過圖2對外部金屬損失的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：外部金屬損失主要分布在管道檢測里程38km之后的管段上，且位于管道底部的外部金屬損失數(shù)量相對 較多。

4 金屬損失剩余強(qiáng)度評價(jià)

本文使用Modified B31G和Kastner評價(jià)方法對金屬損失進(jìn)行了剩余強(qiáng)度評價(jià)及剩余壽命預(yù)測。評價(jià)中只考慮內(nèi)壓對管道的影響，不考慮其它載荷的 影響。

4.1 預(yù)估維修比（ERF）

預(yù)估維修比（ERF，Estimated Repair Factor）是管道最大允許操作壓力（MAOP）與缺陷處安全操作壓力（Ps）的比值[7,8]，如公式（9）。

ERF為預(yù)估維修比；MAOP為管道最大允許操作壓力或評價(jià)壓力；PS為利用評價(jià)方法計(jì)算得到的缺陷處的安全操作壓力。采用ERF曲線是來描述缺陷尺寸與壓力的關(guān)系。在ERF曲線圖中，橫坐標(biāo)描述的是缺陷的長度（或?qū)挾龋v坐標(biāo)描述的是缺陷的深度；曲線上任意一點(diǎn)所對應(yīng)的缺陷，在其長度和深度下，缺陷的PS等于最大允許操作壓力，即曲線上任意一點(diǎn)的缺陷尺寸稍有增長就不能滿足最大允許操作壓力下的要求[9]。

4.2 剩余強(qiáng)度評價(jià)-長度

根據(jù)缺陷長度和深度尺寸，使用Modified B31G方法對本次檢測發(fā)現(xiàn)的110222處金屬損失進(jìn)行評價(jià)，ERF曲線圖詳如圖3所示。

圖3 不同壁厚下ERF曲線圖（金屬損失深度與長度）

通過Modified B31G方法評價(jià)，在參考?jí)毫?.5MPa、3.3MPa、3.0MPa下，沒有金屬損失的ERF值≤1，所有金屬損失均不需要立即維修；在評價(jià)壓力3.9MPa下，共有1464處金屬損失ERF≤1，其中14處金屬損失的ERF值＜1，依據(jù)評價(jià)結(jié)果，需要對14處的金屬損失立即維修。

4.3 剩余強(qiáng)度評價(jià)-寬度

根據(jù)缺陷深度和寬度尺寸，使用Kastner方法對本次檢測發(fā)現(xiàn)的110222處金屬損失進(jìn)行評價(jià)，ERF曲線圖詳如圖4所示。通過Kastner方法評價(jià)，在評價(jià)壓力3.9MPa下，沒有金屬損失需要立即維修。

圖4 不同壁厚下ERF曲線圖（金屬損失深度與寬度）

4.4 壓力圖

壓力圖表示每一處金屬損失處的安全操作壓力與評價(jià)壓力及設(shè)計(jì)壓力之間的關(guān)系，如圖5表示兩種不同方法計(jì)算的操作壓力與設(shè)計(jì)壓力之間的關(guān)系。

圖5 壓力圖

如果金屬損失位于壓力線上方，說明在該壓力下是安全的，不需要立即維修；反之，需要立即維修。通過圖5表明管線在不同壓力下是安全的，不需要立即維修。

5 管道剩余壽命預(yù)測

為了保證管道安全，本次剩余壽命預(yù)測假設(shè)檢測發(fā)現(xiàn)的所有金屬損失全部為腐蝕缺陷。本次內(nèi)檢測為首次檢測，依據(jù)金屬損失生長速率估算保守的原則，根據(jù)缺陷所處管段壁厚不同以及缺陷內(nèi)外部位置不同，選擇生長最快的金屬損失速率進(jìn)行壽命預(yù)測；金屬損失生長速率采用半壽命法進(jìn)行計(jì)算。半壽命法金屬損失生長速率計(jì)算公式如公式（10）：

式中：RML：金屬損失的生長速率，mm/y；Depth：金屬損失深度，mm；InspDate：管道檢測日期，y；CommDate：管道投產(chǎn)日期，y。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 金屬損失生長速率計(jì)算結(jié)果

表3 每年需維修的金屬損失缺陷數(shù)量統(tǒng)計(jì)

依據(jù)Modified B31G方法的評價(jià)結(jié)果，在評價(jià)壓力3.9MPa下，有18處金屬損失需要在5年內(nèi)計(jì)劃維修。預(yù)測每年需維修的金屬損失數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表3所示，5年內(nèi)需計(jì)劃維修的金屬損失沿里程分布如圖6（a）所示；5年內(nèi)需計(jì)劃維修的金屬損失沿里程統(tǒng)計(jì)如圖6（b）所示。

圖6 5年內(nèi)需計(jì)劃維修圖

6 結(jié)論

（1）根據(jù)Modified B31G評價(jià)方法的剩余強(qiáng)度評價(jià)結(jié)果，在評價(jià)壓力3.9MPa下，有14處金屬損失的ERF值＜1，依據(jù)評價(jià)結(jié)果，需要對此14處金屬損失立即維修；

（2）根據(jù)Kastner評價(jià)方法的剩余強(qiáng)度評價(jià)結(jié)果，在評價(jià)壓力3.9MPa和參考評價(jià)壓力3.5MPa、3.3MPa、3.0MPa下，沒有金屬損失需要立即維修；

（3）根據(jù)Modified B31G評價(jià)方法的剩余壽命預(yù)測結(jié)果，在評價(jià)壓力3.9MPa下，管段有18處金屬損失需要在5年內(nèi)計(jì)劃維修。