曾凡小，徐國(guó)富，譚潤(rùn)輝

（1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410012）

（2.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410117）

剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)是長(zhǎng)輸管道合于使用評(píng)價(jià)的內(nèi)容之一。合于使用評(píng)價(jià)是長(zhǎng)輸管道定期檢驗(yàn)規(guī)則規(guī)定的必檢項(xiàng)目[1]。檢驗(yàn)規(guī)則中規(guī)定了需要進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的情形，即須對(duì)危害管道結(jié)構(gòu)完整性的缺陷進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出運(yùn)行維護(hù)意見[1]。

1 工程項(xiàng)目背景

某天然氣長(zhǎng)輸管道全長(zhǎng)138km，于2006年8月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)壓力3.0MPa，管道規(guī)格為φ457×6.3mm，管道材質(zhì)L245。2019年8月，由檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)其實(shí)施全面檢驗(yàn)及合于使用評(píng)價(jià)。

2 檢驗(yàn)情況

根據(jù)TSG D7003-2010《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則 長(zhǎng)輸（油氣）管道》，實(shí)施的檢驗(yàn)項(xiàng)目有管道設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收及管道運(yùn)行資料審查，宏觀檢驗(yàn)、占?jí)杭奥懵稒z驗(yàn)、介質(zhì)成分分析、土壤腐蝕性等級(jí)綜合評(píng)價(jià)、雜散電流測(cè)試、防腐層狀況不開挖檢測(cè)、陰極保護(hù)有效性檢測(cè)、附屬設(shè)施檢驗(yàn)（閥室、調(diào)壓站、里程樁、標(biāo)志樁、轉(zhuǎn)角樁）、開挖直接檢驗(yàn)、防腐層厚度檢測(cè)、管體壁厚檢測(cè)、泄漏檢測(cè)等。

防腐層狀況不開挖檢測(cè)采用100%交流電流衰減法和交流地電位梯度法，全線共發(fā)現(xiàn)防腐層破損信號(hào)29處，使用單位對(duì)其中24處進(jìn)行開挖，經(jīng)開挖驗(yàn)證，所有開挖點(diǎn)均存在不同程度的防腐層破損。其中GPS1026號(hào)開挖點(diǎn)管道存在凹陷及溝槽缺陷，溝槽位于凹陷底部，如圖1、圖2所示。

圖1

圖2

依據(jù)TSG D7003-2010第二十條規(guī)定，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)須對(duì)該凹陷及溝槽復(fù)合缺陷進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出運(yùn)行維護(hù)意見。

3 凹陷及溝槽復(fù)合缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)

3.1 缺陷尺寸測(cè)量

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，凹陷及溝槽缺陷數(shù)據(jù)如下：管道直徑D=457mm；公稱壁厚t=6.3mm；帶壓情況下凹陷最大深度ddp=25.4mm；凹陷半徑rd=32mm；溝槽處的最小壁厚tmm=2.63mm；溝槽深度dgc=3.56mm；缺陷距離焊縫距離Lw＞1000mm；缺陷距離主管道不連續(xù)處的距離Lmsd＞1000mm。

3.2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及適用條件

凹陷及溝槽缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)采用SY/T 6477-2017《含缺陷油氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行，適用條件判別：鋼管屬于韌性材料；內(nèi)壓是管道的主要載荷；管道不處于循環(huán)載荷/疲勞服役環(huán)境（在已有服役記錄以及未來(lái)計(jì)劃服役期內(nèi)停輸再啟動(dòng)次數(shù)不超過(guò)150次）。該管道滿足上述條件，可以采用上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)。

3.3 凹陷與溝槽復(fù)合缺陷一級(jí)評(píng)價(jià)

步驟1：確定評(píng)價(jià)要求的數(shù)據(jù)信息，如前述缺陷尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)；

步驟2：根據(jù)式(1)確定實(shí)測(cè)壁厚tc：

tc=trd-FCA (1)

式中trd：遠(yuǎn)離缺陷處的管道壁厚，實(shí)測(cè)值為6.1 9 m m；F C A：未來(lái)腐蝕裕量，F(xiàn)CA=[(t-trd)/投用年限]×下次檢驗(yàn)周期=[(6.3-6.19)/13]×5=0.04mm。計(jì)算得：tc=trd-FCA=6.19-0.04=6.15mm。

步驟3：判斷Lw和Lmsd是否滿足式(2)和式(3)，以及tmm是否滿足式(4)，若全部是，則進(jìn)行下一步，否則，該缺陷不能通過(guò)一級(jí)評(píng)價(jià)。

根據(jù)上文所述，式(2)式(3)式(4)均能滿足。

步驟4：根據(jù)式(5)確定管道服役環(huán)向應(yīng)力。

步驟5：計(jì)算溝槽深度與壁厚比值dgc/tc=3.56/6.15=0.579，凹陷深度與直徑比ddp/D=25.4/457=0.056，將點(diǎn)（ddp/D,dgc/tc）繪入圖3[2]所示坐標(biāo)圖中，根據(jù)管道服役環(huán)向應(yīng)力σmc的大小選擇臨界曲線，若點(diǎn)（ddp/D,dgc/tc）位于臨界曲線下方，則進(jìn)入下一步，否則缺陷不能通過(guò)一級(jí)評(píng)價(jià)。

圖中σy為管材屈服強(qiáng)度，根據(jù)GB/T 9711.1-1997《石油天然氣工業(yè) 輸送鋼管交貨技術(shù)條件第1部分：A級(jí)鋼管》，σy=245MPa。故應(yīng)選擇曲線0.3σy＜σmc＜ 0.5σy，從圖3中可以看出，點(diǎn)（0.056,0.579）位于曲線的上方，故該凹陷與溝槽復(fù)合缺陷不能通過(guò)一級(jí)評(píng)價(jià)。

3.4 凹陷與溝槽復(fù)合缺陷二級(jí)評(píng)價(jià)

步驟1：確定評(píng)價(jià)要求的數(shù)據(jù)信息同一級(jí)評(píng)價(jià)；

步驟2：判斷Lw、Lmsd以及tmm是否滿足式(2)式(3)式(4)，經(jīng)一級(jí)評(píng)價(jià)判別，能滿足；

步驟3：判斷凹陷深度ddp是否滿足式(6)，溝槽深度dgc是否滿足式(7)；

ddp≤0.06D (6)dgc≤0.66tc(7)

經(jīng)計(jì)算，式(6)式(7)均能滿足。

步驟4：根據(jù)確定的實(shí)測(cè)壁厚作為平均壁厚，依據(jù)式(8)確定最高允許工作壓力MAWPr，如果MAWPr可以滿足現(xiàn)有的運(yùn)行工況，則進(jìn)入下一步，否則缺陷不能通過(guò)二級(jí)評(píng)價(jià)。

式中，MAWP為最大允許工作壓力（等于產(chǎn)生缺陷前管道設(shè)計(jì)壓力），若計(jì)算值MAWPr大于MAWP，則取MAWPr=MAWP；tam為缺陷處平均測(cè)量壁厚，取tam=(tmm+tc)/2=4.39mm；tmin為最小要求壁厚，tmin=PD/2σyFΦ（F為管道設(shè)計(jì)系數(shù)，根據(jù)GB 50251-2003《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中二級(jí)地區(qū)選取，F(xiàn)=0.6；φ為焊縫系數(shù)，該管線建設(shè)時(shí)焊縫經(jīng)100%射線檢測(cè)，φ=1），計(jì)算得tmin=4.66mm；RSFa為許用剩余強(qiáng)度因子，取RSFa=0.9。

計(jì)算得MAWPr=3.11MPa，大于運(yùn)行最大壓力3.0MPa。

步驟5：確定缺陷的剩余強(qiáng)度因子RSF

式中：E為材料彈性模量，取E=2×105MPa；CVN為材料沖擊功，依據(jù)GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》，取CVN=27J；ddo為無(wú)壓力狀態(tài)下凹陷深度，取ddo=ddp/0.7=36.3mm[2]。

計(jì)算得：Y1=3.74；Y2=1.80；σ=118.66MPa；C1=39.84；C2=57.39；C3=6.79。

根據(jù)式(16)確定缺陷處管道最大允許工作壓力：

MAWPr=MAWP(RSF/RSFa) (16)

計(jì)算得：M A W Pr=M A W P(R S F/RSFa)=0.35MPa，不能滿足管道運(yùn)行要求，故該凹陷與溝槽復(fù)合缺陷不允許存在，必須考慮維修或者更換該管段。

4 凹陷及溝槽缺陷處理

根據(jù)剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果，該處凹陷與溝槽復(fù)合缺陷不滿足管道在設(shè)計(jì)壓力下安全運(yùn)行，不允許存在，必須維修或者更換管段。檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)建議管道使用單位根據(jù)GB∕T 36701-2018《埋地鋼質(zhì)管道管體缺陷修復(fù)指南》的規(guī)定，采用復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)方法對(duì)該處缺陷進(jìn)行修復(fù)[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)是長(zhǎng)輸管道檢驗(yàn)項(xiàng)目之一，需要進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的情形多種多樣，如體積型缺陷、裂紋型缺陷、彌散損傷型缺陷、分層缺陷、錯(cuò)邊缺陷、凹陷及溝槽缺陷等等。剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的理論、標(biāo)準(zhǔn)、方法也比較多，長(zhǎng)輸管道檢驗(yàn)規(guī)則并未指定采用何種標(biāo)準(zhǔn)方法。本文針對(duì)實(shí)際檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的具體缺陷，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6477-2017的有關(guān)規(guī)定，對(duì)發(fā)現(xiàn)的凹陷及溝槽缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)進(jìn)行了實(shí)例演算，并對(duì)缺陷管段的維修提出了建議，可供同行參考。