孔朝金，胥琴，竇志信，許小龍，祁慶芳

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司 南寧輸油氣分公司（廣西 南寧 530219）2.中油國(guó)際管道有限公司 中緬油氣管道項(xiàng)目（北京 100029）3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司 廊坊輸油氣分公司（河北 廊坊 065000）4.廊坊中油朗威工程項(xiàng)目管理有限公司（河北 廊坊 065000）5.中國(guó)石油青海油田分公司 管道處（青海 格爾木 816000）

凹陷是管道運(yùn)輸、施工、回填過(guò)程中由于碰撞、巖石擠壓和機(jī)械損傷導(dǎo)致的彈塑性變形，已成為管道斷裂、泄漏失效事故的重要原因[1]。凹陷嚴(yán)重影響管道安全運(yùn)行，造成局部應(yīng)力集中，特別是與焊縫、劃傷、裂紋及腐蝕相關(guān)的復(fù)合凹陷，降低管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，極易導(dǎo)致管道疲勞或斷裂失效。我國(guó)長(zhǎng)輸管道全面實(shí)施完整性管理程序，通過(guò)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)獲取缺陷信息，計(jì)算管道剩余強(qiáng)度，確定管道是否需要修復(fù)或換管。腐蝕缺陷機(jī)理及評(píng)價(jià)方法較成熟，但凹陷缺陷可接受準(zhǔn)則還不統(tǒng)一。為促進(jìn)管道凹陷安全評(píng)價(jià)規(guī)范化，介紹了基于凹陷深度與應(yīng)變的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，探討了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中復(fù)合凹陷安全評(píng)價(jià)的規(guī)定，以及復(fù)合凹陷可接受準(zhǔn)則的研究進(jìn)展。

1 基于深度的凹陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

目前關(guān)于凹陷評(píng)價(jià)的法規(guī)有美國(guó)法規(guī)49 CFR 192《輸送天然氣和其他氣體聯(lián)邦最低安全標(biāo)準(zhǔn)》和49 CFR195《輸送危險(xiǎn)液體管道》。凹陷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.4—2012《液體管道系統(tǒng)》、API Std 1160—2013《危險(xiǎn)液體管道完整性管理》、API Std 579-1—2016《設(shè)備適用性評(píng)價(jià)》；加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA Z662—2015《油氣管線系統(tǒng)》。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于凹陷深度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則見(jiàn)表1。

表1 基于深度的凹陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

綜合上述標(biāo)準(zhǔn)觀點(diǎn)，與劃痕、劃傷、凹槽相關(guān)的凹陷，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)立即修復(fù)；將深度大于管徑6%作為凹陷深度界定值。以往凹陷評(píng)價(jià)多基于深度，如文獻(xiàn)[2]利用有限元法對(duì)X70輸氣管道凹陷缺陷進(jìn)行受力狀態(tài)分析，得出凹陷深度相對(duì)長(zhǎng)度和寬度因素對(duì)管道強(qiáng)度影響最大，認(rèn)為缺陷深度小于5 mm且長(zhǎng)度小于100 mm是安全的。隨著制管水平和高鋼級(jí)管材性能提升，基于深度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則不能反映管材韌性、變形狀況和實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。例如歐洲天然氣管道項(xiàng)目“管道缺陷評(píng)價(jià)手冊(cè)PDAM”指出非約束凹陷臨界深度為7%管徑，約束凹陷臨界深度為10%管徑。德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN2413：2005《無(wú)縫鋼管的計(jì)算》中的ERPG 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞岢龅陌枷菰u(píng)價(jià)準(zhǔn)則是，管道運(yùn)行壓力環(huán)向應(yīng)力小于72%最小屈服極限（SMYS），且凹陷深度小于7%管徑，在一定程度上提高了凹陷深度安全臨界值。

2 基于應(yīng)變的凹陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8—2014《輸氣和配氣管道系統(tǒng)》規(guī)定凹陷應(yīng)變分量包括環(huán)向彎曲應(yīng)變?chǔ)?、軸向彎曲應(yīng)變?chǔ)?和軸向薄膜應(yīng)變?chǔ)?，分別計(jì)算內(nèi)表面總應(yīng)變?chǔ)舏和外表面總應(yīng)變?chǔ)舘，凹陷最大應(yīng)變值ε=max(εi,εo)。凹陷位于焊縫上且應(yīng)變大于4%，或者凹陷應(yīng)變大于6%應(yīng)立即修復(fù)。

式中：t為管道壁厚，mm；R0為管道初始半徑，mm；R1為管道橫截面凹陷的曲率半徑，mm；d為凹陷深度，mm；L為凹陷軸向長(zhǎng)度，mm。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.8—2014 規(guī)定凹陷應(yīng)變臨界值為6%，該數(shù)值是工程經(jīng)驗(yàn)值，仍需理論或試驗(yàn)驗(yàn)證。隨著X80 以上高鋼級(jí)管材廣泛應(yīng)用，管道均使用相同臨界應(yīng)變值值得商榷。ASME B31.8—2014不足之處在于未給出等效應(yīng)變確定依據(jù)；未考慮環(huán)向薄膜應(yīng)變和切應(yīng)變，相關(guān)學(xué)者提出L-C 公式和Gao 公式。相對(duì)L-C 公式，ASME B31.8—2014 計(jì)算的內(nèi)、外表面等效應(yīng)變減少50%和25%；相對(duì)Gao公式，ASME B31.8—2014 計(jì)算的內(nèi)、外表面等效應(yīng)變減少50%和20%[3]。中石油管道研究中心提出一套專(zhuān)業(yè)、規(guī)范的管道凹陷開(kāi)挖驗(yàn)證程序，包括應(yīng)用三維激光掃描法測(cè)量凹陷深度、長(zhǎng)度和整體輪廓，解決凹陷位置與時(shí)鐘方位定位、凹陷曲率測(cè)量和管道彎頭修正量等關(guān)鍵技術(shù)[4]。在此基礎(chǔ)上，建立了基于內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的凹陷應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)技術(shù)路線和分析方法，根據(jù)ASME B31.8—2014 的應(yīng)變計(jì)算方法，提出采用高斯低通濾波方法對(duì)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)降噪處理和數(shù)據(jù)平滑處理，可得到較一致的應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。研究成果為提高內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)利用率和實(shí)現(xiàn)凹陷評(píng)價(jià)精細(xì)化奠定了基礎(chǔ)[5]。

3 復(fù)合凹陷評(píng)價(jià)方法

單純凹陷不會(huì)顯著降低管道剩余強(qiáng)度，應(yīng)關(guān)注與焊縫、劃傷、裂紋及腐蝕相關(guān)的復(fù)合凹陷。2018年中石油西部管道實(shí)施內(nèi)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)凹陷3196處，81.5%是管體凹陷，最大凹陷深度為管徑12.4%，18.5%是與焊縫、腐蝕、劃傷相關(guān)的復(fù)合凹陷?；谏疃鹊陌枷菰u(píng)價(jià)準(zhǔn)則多數(shù)是不可接受缺陷，復(fù)合凹陷開(kāi)挖驗(yàn)證后建議修復(fù)或換管。從凹陷類(lèi)型、工作量和經(jīng)濟(jì)性方面看，這種保守做法缺乏科學(xué)性，造成資源浪費(fèi)，甚至管道二次傷害。復(fù)合凹陷完整性評(píng)價(jià)研究還處于初步階段，主要開(kāi)展了含劃傷凹陷（溝槽型凹陷）、裂紋凹陷和雙凹坑評(píng)定方法研究[6]。

3.1 焊縫凹陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

焊縫凹陷可能存在氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷，相對(duì)于普通凹陷更易造成應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響在役管道安全運(yùn)行。PDAM、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)API Std 579-1—2016規(guī)定立即更換。ASME B31.8—2014規(guī)定脆性焊縫凹陷需立即更換，延性焊縫凹陷深度不大于管徑2%，或應(yīng)變不大于4%。49 CFR 192 規(guī)定管徑大于304.80 mm，焊縫凹陷不大于管徑的2%；管道直徑小于304.80 mm，焊縫凹陷深度不大于6.35 mm。加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA Z662—2015 規(guī)定管徑大于323.9 mm，焊縫凹陷不大于管徑2%；管徑小于323.9 mm時(shí)，焊縫凹陷深度不大于6 mm。

針對(duì)焊縫凹陷，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)采取謹(jǐn)慎的處理方式，焊縫缺陷立即更換；深度大于管徑2%或應(yīng)變大于4%應(yīng)修復(fù)。因管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫質(zhì)量和破壞程序難以檢測(cè)，還沒(méi)有可靠的方法預(yù)測(cè)焊縫凹陷的剩余強(qiáng)度和疲勞壽命，只能參考爆破試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[7]分析含焊縫凹陷壓力容器的全尺寸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證含焊縫凹陷管道的疲勞壽命遠(yuǎn)低于單獨(dú)凹陷管道，且環(huán)焊縫凹陷疲勞壽命低于直焊縫凹陷。文獻(xiàn)[8]研究了壓力容器焊縫缺陷爆破試驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)獨(dú)立凹陷，爆破壓力值顯著降低（最小值僅為SMYS的7%），分析原因是焊縫和凹陷產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力導(dǎo)致加速失效。

3.2 劃傷凹陷剩余強(qiáng)度計(jì)算

劃傷凹陷加劇管壁曲率變化和壁厚減少，伴隨塑性應(yīng)變、裂紋擴(kuò)展等。一般做法是管道存在劃傷凹陷，需立即更換。英國(guó)Battelle 研究所基于30 項(xiàng)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出經(jīng)驗(yàn)Q 因子法，計(jì)算含劃傷凹陷管道的失效應(yīng)力?？紤]管材力學(xué)參數(shù)、劃傷長(zhǎng)度、管徑及壁厚、凹陷深度等因素，對(duì)劃傷凹陷進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

式中：σf為凹陷處應(yīng)力，MPa；σ′為流變應(yīng)力，MPa；σy為管材屈服應(yīng)力，MPa；Q為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Cv為2/3倍夏比沖擊功，J；R為管道外徑，mm；c為劃傷長(zhǎng)度，mm；d為劃傷深度，mm。

文獻(xiàn)[9]以某海底天然氣管道為例（管徑711 mm、壁厚17.1 mm、管材X65、劃傷深度25 mm），采用有限元方法，管道損傷可承受內(nèi)壓為7.95 MPa（低于設(shè)計(jì)壓力15.5 MPa），提出更換損傷管段的建議。

3.3 裂紋凹陷斷裂失效

文獻(xiàn)[10]提出與焊縫、劃傷、裂紋相關(guān)的復(fù)合凹陷，可采用彈塑性斷裂理論計(jì)算剩余強(qiáng)度。選取螺旋縫埋弧焊鋼管6 種規(guī)格（管徑324 mm、660 mm 和1016 mm、凹陷深度5～30 mm），韌性失效損傷因子為1 時(shí)，臨界等效應(yīng)變?cè)?.217～0.248，差別僅為0.03。文獻(xiàn)[11]提出韌性斷裂損傷指數(shù)（DFDI），描述管材拉伸變形時(shí)的連續(xù)破壞程度，定量表征管道凹陷損傷程度，預(yù)測(cè)凹陷處產(chǎn)生裂紋可能性。DFDI數(shù)值越大表明損傷程度越大，管道失效判定準(zhǔn)則為DFDI＞1，表征凹陷缺陷造成管壁韌性裂紋開(kāi)裂失效。以X60管道、管徑660 mm為例進(jìn)行凹陷應(yīng)變?cè)u(píng)估，在內(nèi)壓4 MPa，損傷失效因子接近1時(shí)發(fā)生失效；在內(nèi)壓8 MPa和12 MPa下，出現(xiàn)損傷失效因子大于1也未發(fā)生失效的情形。損傷失效因子為1時(shí)，臨界失效應(yīng)變約為0.19。

式中：εo為管材臨界應(yīng)變值；εeq為管材斷裂時(shí)的等效應(yīng)變；σm為三向應(yīng)力平均值，MPa；σeq為等效應(yīng)力，MPa。

3.4 腐蝕凹陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

腐蝕體積型缺陷與凹陷共生是嚴(yán)重的管道損傷形式。腐蝕凹陷的疊加作用顯著減少管道承載能力和使用壽命。腐蝕凹陷主要依據(jù)含腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法。例如美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強(qiáng)度的手冊(cè)》、DNV-RPF101 規(guī)范和美國(guó)Battle 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)PCORRC（Pipeline Corroosion Criterion）計(jì)算工具。ASME B31G—2012指出針對(duì)含腐蝕凹陷的管道評(píng)價(jià)時(shí)，凹陷處存在外腐蝕且剩余壁厚小于87.5%的設(shè)計(jì)壁厚時(shí)需要修復(fù)。該數(shù)值為經(jīng)驗(yàn)值，且未給出詳細(xì)的評(píng)價(jià)結(jié)果。研究表明，ASME B31G—2012對(duì)于中高鋼級(jí)管道評(píng)價(jià)較保守。PDAM、EPRG 和49CFR 195等標(biāo)準(zhǔn)要求腐蝕凹陷需要立即更換。文獻(xiàn)[12]應(yīng)用有限元彈塑性法模擬了不同尺寸腐蝕缺陷和內(nèi)壓對(duì)凹陷極限承載力的關(guān)系（管材X60、管徑660 mm、壁厚14.3 mm、內(nèi)壓6.4 MPa），基于PCORRC 法提出了含腐蝕凹陷管道的失效評(píng)價(jià)公式。結(jié)果表明，除缺陷寬度外，缺陷長(zhǎng)度、深度、壓頭直徑、下壓深度和初始內(nèi)壓對(duì)極限內(nèi)壓影響均較大。但計(jì)算數(shù)據(jù)有限，還需大量爆破試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)案例驗(yàn)證。

3.5 凹陷疲勞壽命預(yù)測(cè)

含凹陷管道疲勞失效易造成凹陷應(yīng)力集中。在管道內(nèi)壓作用下，因頻繁壓力波動(dòng)循環(huán)，凹陷產(chǎn)生裂紋進(jìn)而導(dǎo)致疲勞失效問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]以管徑762 mm規(guī)格為例，采用有限元法得出無(wú)約束凹陷對(duì)管道爆破壓力無(wú)影響，凹陷深度超過(guò)20%管徑的受約束凹陷對(duì)管道爆破壓力影響較大。德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 2413：2015 提出了埋弧焊直縫管基于S-N 疲勞曲線的EPRG經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

式中：N為管道疲勞壽命，年；SL為疲勞壽命調(diào)整因子；Rm為管材抗拉強(qiáng)度，MPa；σa為名義應(yīng)力，MPa；Kd為管道凹陷應(yīng)力集中因子；Kg為劃傷應(yīng)力集中因子。

4 結(jié)論

1）機(jī)械損傷及凹陷是管道系統(tǒng)失效的重要原因之一，凹陷評(píng)價(jià)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)管道工程大多采用基于深度評(píng)價(jià)法，復(fù)合凹陷保守采用更換措施，管道修復(fù)缺乏科學(xué)性。

2）為促進(jìn)凹陷評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，應(yīng)多方面開(kāi)展研究工作，包括改進(jìn)內(nèi)檢測(cè)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，確定凹陷準(zhǔn)確信息；改進(jìn)應(yīng)變測(cè)試方法，描述管材塑性流變行為；借助有限元等數(shù)學(xué)分析方法；加強(qiáng)凹陷腐蝕機(jī)理研究等。

3）針對(duì)復(fù)合凹陷，一般認(rèn)為焊縫凹陷對(duì)管道性能影響較大，爆破壓力和疲勞壽命顯著低于單獨(dú)凹陷和焊縫缺陷；相對(duì)凹陷深度和運(yùn)行壓力，劃傷深度對(duì)管道爆破強(qiáng)度影響顯著；腐蝕凹陷可參考含腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法，但對(duì)于高鋼級(jí)管道較為保守。

4）管道管理者應(yīng)掌握管道系統(tǒng)中凹陷分布情況和變化趨勢(shì)，制定管道修復(fù)方案時(shí)，除依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，還應(yīng)按照現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行測(cè)算，并利用全尺寸爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，避免凹陷修復(fù)的、盲目性和資源浪費(fèi)。