田野 朱麗霞 丁融 高濤 羅金恒 宋成立

1中石油管道有限責任公司西部分公司

2中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院

3石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室

石油和天然氣是國家能源命脈，作為儲運主體的油氣管道，其安全可靠性一直是各國關注的焦點。據(jù)美國運輸部門報道，機械損傷是造成油氣管道失效的主要原因[1]。其中，凹陷作為機械損傷的外部表現(xiàn)，是管道表面發(fā)生典型塑性變形產(chǎn)生的[2]，嚴重影響管道的服役安全。DAWSON等人[3-4]針對歐洲管道的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行分析，在長7 022 km的管道上發(fā)現(xiàn)凹陷9 851處；國內(nèi)某機構(gòu)在長120 km的管段上檢測出凹陷193處，最大凹陷深度為15%[5-6]。2018年，項目研究者對西部管道下屬所有管道的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，共計發(fā)現(xiàn)凹陷3 196處，最大凹陷深度為12.4%，其中81.48%為管體凹陷，其余18.52%為與焊縫和金屬損失相關（包括腐蝕、劃傷）的復合凹陷。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)和學者通過試驗、理論分析及有限元模擬計算等對管道凹陷的形成機理和力學特性進行了分析，但研究還主要局限在管體單純凹陷方面，對復合型凹陷研究還較少。復合凹陷一方面會造成管道承載面積減小，使管道承載能力下降；另一方面還會加大凹陷處的應力集中，降低管道抗疲勞載荷的能力，比單純凹陷對管道服役安全的危害更大。因此，研究含復合凹陷管道的安全性，對焊縫、劃傷、腐蝕與凹陷疊加的復合凹陷進行合理的預測及評價，提出完善的完整性評價方法已成為石油和天然氣管道相關部門的重要任務。

1 凹陷的評估方法

當前，加拿大、澳大利亞、美國等國家已初步形成管道凹陷評價的多項標準及行業(yè)規(guī)范。如CSA Z662—2007[7]及其輔助手冊 CSA Z662.1—2007[8]、AS 2885.3—2001[9]、 ASME B31.8—2007[10]和 ASME B31.4—2001[11]、 API 1160—2001[12]、 API 579-1—2007[13]、 API PUBL 1156—1999[14]及 49 CFR 192—2007[15]、49 CFR 195—2007[16]等。另外，歐洲多家國際石油天然氣公司聯(lián)合制定了管道缺陷評價手冊PDAM （Pipeline Defect Assessment Manual），歸納總結(jié)了油氣管道凹陷缺陷的現(xiàn)階段研究成果，并通過大量的已知全尺寸試驗驗證了一些評價方法。我國在這方面起步較晚，較早關注凹陷缺陷的是中石油管材研究所，該研究所采用有限元法和FAD失效評估圖對管道凹陷進行了安全評價，并起草發(fā)布了SY/T 6477—2000《含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》，但由于試驗數(shù)據(jù)不足而未給出凹陷評價方法；此后，我國國家能源局于2014年發(fā)布了SY/T 6996—2014《鋼質(zhì)油氣管道凹陷評價方法》，該方法為我國首個針對在役鋼質(zhì)油氣管道凹陷檢測與評價的標準。

目前，國內(nèi)外形成的管道凹陷評價的相關規(guī)范和標準，一般采用基于凹陷深度的準則評估含單純凹陷的管道，而對于含有劃傷、裂紋、焊縫及腐蝕等缺陷的凹陷管道基本采取直接修復或更換的措施。這種保守的判據(jù)勢必會導致不必要的管線停輸和維護費用開支，造成資源浪費和成本增加，甚至對管道產(chǎn)生二次傷害。

2 復合凹陷研究現(xiàn)狀分析

2.1 焊縫凹陷

焊縫處存在凹陷會使應力集中的影響更加顯著，而且焊縫處往往存在氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，因此，焊縫凹陷對管道的服役安全影響很大。

國外對于液體管道的焊縫凹陷，AS 2885.3—2001及API 579—2007都要求立即更換；ASMEB31.8—2007建議脆性焊縫與凹陷疊加時需要立即更換，而延性焊縫與凹陷疊加時，取管道直徑的2%或取應變的4%作為邊界條件；CSA Z662—2001要求管道直徑＞323.90 mm時，以外徑的2%作為評價的邊界條件，而直徑＜323.90 mm時，取凹陷深度6.00 mm作為邊界條件；49 CFR 192—2007要求管道直徑＞304.80 mm時，以外徑的2%作為評價的邊界條件，管道直徑＜304.80 mm時，以凹陷深度6.35 mm作邊界條件。

對于輸氣管道的要求更加嚴格，PDAM、ASME B31.4—2001及EPRG都要求一旦發(fā)現(xiàn)焊縫凹陷則立即更換；APIPUBL 1156—1999要求脆性焊縫需要立即更換，延性焊縫取直徑的2%作為邊界條件；49 CFR 195—2007規(guī)定直徑的6%作為立即修復的邊界條件，直徑的3%作為半年內(nèi)修復的邊界條件，直徑的2%作為繼續(xù)觀察的邊界條件。

我國標準SY/T 6996—2014對于陸地及海底油氣管道，均規(guī)定深度大于直徑2%或應變大于4%的焊縫凹陷應修復?？梢姡瑢τ诤缚p凹陷，國內(nèi)外普遍采取謹慎保守的處理方式。

目前還沒有可靠的方法預測位于焊縫的平滑凹陷管道的殘余應力和疲勞壽命，對焊縫凹陷的評價是基于全爆破試驗的測試結(jié)果。DAWSON等人[3]統(tǒng)計了含有焊縫凹陷壓力容器的全尺寸爆破試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)含焊縫凹陷的管道爆破壓力非常低，較單純凹陷相比結(jié)果相差很大，分析認為是焊縫和凹陷產(chǎn)生了較大的殘余應力，應力集中使焊縫凹陷區(qū)的強度進一步下降，導致失效加快。COSHAM等人[2]將焊縫引入了微觀缺陷，大幅降低了凹陷區(qū)管道的疲勞壽命，并且對環(huán)焊縫的影響更加明顯。

2.2 劃傷凹陷

凹陷使管道的曲率發(fā)生變化，劃傷和凹陷的疊加使管道同時具備管壁的曲率變形和壁厚減薄。含劃傷凹陷的失效包含高塑性應變、壁厚減薄、裂紋形成及擴展、塑性流動等復雜力學行為[17]。在國內(nèi)外標準及規(guī)范方面，API 579-1—2007規(guī)定輸油管道根據(jù)情況分析進行進一步詳細評估，但并沒有給出評價方法，其余標準及規(guī)范均規(guī)定油氣管道一旦發(fā)現(xiàn)劃傷凹陷，均需立即更換。

對于劃傷凹陷，通常利用經(jīng)驗公式預測其失效壓力[2]。然而，試驗中管道上的劃傷大多為機械制造的劃傷，和實際劃傷有一定的差別，因而，基于這些實驗所得的評估方法存在明顯的局限。ALLOUTI M[18]發(fā)現(xiàn)無論凹陷是否含有劃傷缺陷，管道的爆破強度相對于單純凹陷并無顯著影響。然而，他們的試驗并非基于長輸管道中的常用管線鋼，其結(jié)論對管線鋼的適用性還有待驗證。GHAEDNIA和DAS等人[19-21]對含裂紋及凹陷的X65和X70鋼管進行了爆破試驗以及有限元分析，研究表明，除非裂紋深度達到一定值，否則凹坑深度和工作壓力對管道爆破強度影響不大，而劃傷深度對爆破強度有顯著影響。在有限元分析中，他們提出了一種有限元分析的失效準則，但由于缺乏足夠的有限元計算，結(jié)論僅限適用于其研究的管道試樣。

英國燃氣公司建立了一個巧測含劃傷凹陷管道失效壓力的半經(jīng)驗斷裂模型[22]，此模型相比其他經(jīng)驗模型的預測值更加準確，然而，它不適用于高鋼級管道，且無法預測爆破強度的下界。英國Battelle實驗室基于30個全尺寸爆破試驗的結(jié)果，提出經(jīng)驗Q因子法[23]，該方法采用經(jīng)驗系數(shù)Q作為含劃傷凹陷管道失效應力的參數(shù)，綜合考慮了管材的力學性能、劃傷長度、管道直徑和壁厚、凹陷深度等因素，建議基于凹陷區(qū)深度和應變的雙標準，對含劃傷凹陷的管道進行綜合評價。TIAN Xiao和ZHANG Hong[24]對含有劃傷復合凹陷的CT80鋼板進行拉伸試驗和有限元數(shù)值模擬，分析了劃傷深度、凹陷深度和壓頭直徑對拉伸強度的影響規(guī)律，提出劃傷復合凹陷材料的強度失效準則，即當缺陷中心沿剩余厚度方向的中間節(jié)點的等效應力達到材料的真實抗拉強度時發(fā)生失效?；诖藦姸葴蕜t，TIAN Xiao和ZHANG Hong[25]以中高強度鋼為研究對象，進一步研究凹坑深度、劃傷長度、劃傷深度等參數(shù)對含劃傷凹陷管道的失效壓力的影響，并利用非線性回歸方法得到了含劃傷凹陷管道失效壓力的預測公式，但研究是基于一定管徑的管材、一定尺寸和形狀的壓頭進行失效壓力與劃傷尺寸的回歸公式的推導，研究結(jié)果仍存在一定的局限性，仍需要進一步的研究。

2.3 腐蝕凹陷

管道上體積缺陷與凹陷共同存在是管道損傷中非常嚴重的破壞形式。受服役環(huán)境的影響，油氣管道容易發(fā)生腐蝕，形成腐蝕與凹陷疊加的復合缺陷，導致管道的承載能力降低，使用壽命下降。目前對于腐蝕凹陷的評價主要是對剩余強度的評估，針對腐蝕和凹陷同時存在的情況，國內(nèi)外的評價方法并不多。

評價含腐蝕缺陷管道剩余強度主要依據(jù)ASME B31G—2012、DNV RP-F101—2010和PCORRC法（Pipeline Corrosion Criterion）。 AMSE B31G—2012是管道腐蝕評價的基礎，但在對含有腐蝕＋凹陷的復合缺陷的管道評價時，ASEM B31G—2012標準只是根據(jù)經(jīng)驗指出：管道凹陷處存在外腐蝕且殘余壁厚小于87.5%設計壁厚時需要修復，并沒有給出具體的評價公式，且對中高強度鋼管道的評價偏于保守。

對于輸油管道，49 CFR 192—2007規(guī)定不允許出現(xiàn)腐蝕凹陷；澳大利亞國家標準中指出，腐蝕凹陷須進行進一步詳細評估，但并沒有給出評價方法，其余國外標準一律建議參考AMSE B31G—2012標準的要求。對于輸氣管道，PDAM、EPRG、49 CFR 195—2007均要求一旦出現(xiàn)腐蝕凹陷，管道需要立即更換，ASME B31.4—2001建議參考AMSE B31G—2012標準的要求。

我國標準SY/T 6996—2014對于陸地及海底油氣管道，均規(guī)定深度或應變大于6%，或者腐蝕坑深度大于40%管道壁厚時應修復；而當腐蝕坑深度為10%～40%管道壁厚時，則按SY/T 6151—2009標準評價該復合凹陷是否需要修復。

為了分析腐蝕缺陷對凹陷的影響，馬欣[26]等人針對含內(nèi)腐蝕凹陷的管道，用Abaqus軟件研究了管道凹陷深度、管道內(nèi)壓、腐蝕長度以及深度對管道凹陷區(qū)域應力分布和應變的影響，并提出當管道內(nèi)壓超過6 MPa時，腐蝕深度越大其等效應變增長的幅度越大，研究結(jié)果可為X60壓力管道的安全評估提供相應的參考。劉維洋[27]等人采用有限元法模擬了不同尺寸的腐蝕缺陷和不同內(nèi)壓對凹陷管道極限載荷的關系，并基于PCORRC法提出了含腐蝕凹陷管道的失效評價公式，但是計算數(shù)據(jù)有限，還需進行大量不同參數(shù)的數(shù)值計算和爆破試驗的研究。薛濤[28]研究了腐蝕凹陷尺寸和壓力等對應力狀態(tài)的影響，提出了基于內(nèi)腐蝕凹陷條件下管道服役安全評價流程，實現(xiàn)了對內(nèi)腐蝕凹陷過程的安全評價，但并未探討該方法對外腐蝕與凹陷疊加時的適用性。

3 結(jié)束語

油氣管道復合凹陷的現(xiàn)階段研究取得了一定的成果。研究表明，焊縫對管道凹陷區(qū)性能影響較大，爆破壓力和疲勞壽命低于同等條件下的單純凹陷和含焊縫管道；劃傷深度對爆破強度有顯著影響，相對劃傷深度，凹陷深度和工作壓力對管道爆破強度影響較小；腐蝕缺陷的長度和深度顯著影響含該類復合凹陷管道的極限內(nèi)壓，但該類復合凹陷的評價還應該注意區(qū)分凹陷與內(nèi)腐蝕和外腐蝕疊加的不同情況?，F(xiàn)階段國內(nèi)外管道凹陷評價的相關規(guī)范和標準中，對于含焊縫、劃傷和腐蝕缺陷的復合凹陷的評價還相對保守，需要進一步加大研究力度，結(jié)合數(shù)值模擬及爆破試驗驗證，進一步改進行業(yè)標準及規(guī)范，避免資源浪費和成本增加。