戴政

西安西北石油管道有限公司

 

摘要：為了確保油氣管道在服役期間的安全運行，使用合適的方法評價(jià)管道剩余強度就顯得十分重要。分析對比了ASME B31G―2012、DNV-RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579等國內外方法及有限元分析法，總結了各方法的異同點(diǎn)和局限性，進(jìn)行了各評價(jià)方法關(guān)于缺陷長(cháng)度的保守性對比。結果表明：流變應力隨著(zhù)鋼級增高而增大；當缺陷長(cháng)度小于某一數值時(shí)，膨脹系數會(huì )隨著(zhù)缺陷長(cháng)度增加而增大；當缺陷長(cháng)度小于或大于某一數值時(shí)，各種方法的評價(jià)保守性從低到高不同。研究結論為工程管理人員選取管道剩余強度評價(jià)方法提供了參考。

關(guān)鍵詞：管道剩余強度；評價(jià)方法；膨脹系數；缺陷長(cháng)度；保守性對比

 

油氣管道運行期間極易受到內部與外部雙重腐蝕，造成壁厚減薄、管道剩余強度降低，影響管道安全[1]。為了有效評價(jià)管道剩余強度，國內外研究機構提出了多種評價(jià)方法，較為經(jīng)典的有ASME B31G―2012、DNV-RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579等選用方法，以及眾多學(xué)者提出的有限元分析方法[2-3]。由于流變應力是根據實(shí)際材料的應變硬化效應而定義的虛擬屈服壓力[4]，本文將各方法中所使用的屈服強度或抗拉強度定義為流變應力，對各種油氣管道剩余強度評價(jià)方法的參數選取以及剩余強度計算結果進(jìn)行分析對比，并通過(guò)計算結果與爆破壓力的差值驗證各方法的保守性強弱，以此說(shuō)明各種方法的異同點(diǎn)與保守性，為工程管理人員選取油氣管道剩余強度評價(jià)方法提供參考。

1  剩余強度評價(jià)方法

ASME B31G―2012規定可選取國際上認可的三種流變應力，并采用了Benjamin A.C、Andrade E.Q以及Freire J.L.F等學(xué)者最新的研究成果：相鄰腐蝕缺陷軸向間距和環(huán)向間距均小于3倍壁厚時(shí)，相鄰腐蝕缺陷相互影響；否則相鄰腐蝕缺陷之間沒(méi)有影響[5]。雖然該版本較之前的評價(jià)結果更加精確，具有更高的工程實(shí)踐價(jià)值，但仍存在一些局限：①對于部分鋼級，未規定工程人員如何選擇適當的流變應力進(jìn)行評估；②由于將有相互影響作用的眾多缺陷看成一個(gè)整體，該方法只需要兩個(gè)參數（缺陷長(cháng)度和深度）來(lái)進(jìn)行評價(jià)，無(wú)法準確反應缺陷對管道強度的影響。

DNV RP-F101不僅考慮了內壓作用，還考慮了管道所受的軸向和彎曲載荷[6]，對膨脹系數修正后，在許用應力法中，采用抗拉強度作為流變應力進(jìn)行管道剩余強度的計算公式。該方法由于開(kāi)發(fā)數據庫較新，保守程度低，應用越來(lái)越廣泛。

PCORRC是Stephens采用有限元仿真得到的一種評價(jià)方法[7]，該方法使用抗拉強度和膨脹系數計算管道剩余強度，將相鄰腐蝕缺陷視為孤立腐蝕缺陷進(jìn)行評價(jià)，但是沒(méi)有給出管道腐蝕缺陷相互作用的具體準則供使用人員參考。

SY/T 6151―2009采用蝕坑深度、蝕坑軸向、環(huán)形長(cháng)度等參數計算，將管道剩余強度分為三類(lèi)，以便采取相應措施進(jìn)行處理。將最小屈服強度極限定義為流變應力，采用最大剪切力屈服強度理論計算管道剩余強度[8]。和ASME B31G不同的是：①該方法規定當缺陷長(cháng)度L大于管道外徑D時(shí)，取D；②該方法指出相鄰腐蝕坑之間未腐蝕區域的縱向長(cháng)度小于25 mm時(shí)，環(huán)向最小長(cháng)度小于6倍壁厚時(shí)，均可將相鄰腐蝕坑當做同一腐蝕坑處理，由于忽略了相鄰蝕坑之間的相互作用，所以無(wú)法精確評價(jià)管道剩余強度。

API-579方法在A(yíng)SME B31G的基礎之上，考慮了相鄰缺陷和附加載荷的影響，建立了油氣管道缺陷尺寸、管道參數以及承壓能力之間的關(guān)系，從而一定程度上改善了ASME B31G中所存在的問(wèn)題，其將流變應力定義為材料的最小屈服強度來(lái)進(jìn)行管道剩余強度的計算[9]，此方法將腐蝕缺陷分為均勻腐蝕、局部腐蝕、點(diǎn)蝕三類(lèi)，但并沒(méi)有給出明確的定義加以區分。

由于油氣管道所受載荷的復雜性，以上方法均有局限，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，眾多研究者針對這個(gè)問(wèn)題提出了有限元分析法，考慮不同載荷的耦合作用，借助ANSYS軟件對管道缺陷部分進(jìn)行建模，使其更加接近實(shí)際，從而實(shí)現對管道剩余強度較為精確地評價(jià)[10]。但此方法建模分析過(guò)程較為復雜，而且由于沒(méi)有推薦使用的公式，遠不如以上方法使用方便，所以本文主要圍繞上述五種方法展開(kāi)討論。

2  參數選取對剩余強度計算結果的影響

2.1  流變應力

引起管道剩余強度評價(jià)結果差異的主要原因是由于各方法中流變應力的選值不同，而流變應力與管道性能參數有關(guān)，故選擇X42―X80之間8種不同鋼級管道的性能參數進(jìn)行計算，見(jiàn)圖 1。

圖 1 流變應力隨鋼級變化圖

由圖 1可知，上述五種方法中涉及的流變應力均隨著(zhù)管道鋼級的增高而增大。需要說(shuō)明的是， ASME B31G規定X80管道只能使用（SMYS+SMTS）/2來(lái)計算流體應力，所以圖 1中無(wú)X80管道的其他流變應力值。

2.2  膨脹系數

采用文獻[11]中的數據進(jìn)行分析，分別使用ASME B31G―2012、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579來(lái)對比腐蝕長(cháng)度L對膨脹系數M的影響，如圖 2所示。

圖 2 不同方法中膨脹系數M隨缺陷長(cháng)度L變化分析圖

由圖 2可知，ASME B31G、PCORRC以及DNV RP-F101中膨脹系數M均隨著(zhù)缺陷長(cháng)度L的增大而增大，但PCORRC中M的計算值只會(huì )無(wú)限趨近于1；對于A(yíng)PI-579和SY/T 6151―2009，當L小于某一個(gè)值時(shí)，M會(huì )隨著(zhù)L的增加而增大，當大于該值時(shí)，M 隨 L不再發(fā)生變化，這是由于A(yíng)PI-579規定λ最大取20，SY/T 6151―2009規定當L大于管道外徑D時(shí)，L取D值計算引起。

3  評價(jià)方法的保守性分析

通過(guò)對以上五種方法進(jìn)行分析，可得出流變應力和膨脹系數的選取必然會(huì )引起管道剩余強度評價(jià)結果的不同，因此我們有必要探究不同方法對管道剩余強度評價(jià)的影響，故選取低強度鋼X42、中強度鋼X60、高強度鋼X80三種管道進(jìn)行以上五種方法隨缺陷長(cháng)度變化的評價(jià)保守性對比分析，如圖 3―5所示。

圖 3 X42管道失效壓力隨缺陷長(cháng)度L變化圖

圖 4 X60管道失效壓力隨缺陷長(cháng)度L變化圖

圖 5 X80管道失效壓力隨缺陷長(cháng)度L變化圖

由圖 3―5可知，無(wú)論低中高強度鋼管道，當缺陷長(cháng)度小于某一值時(shí)，上述五種方法的評價(jià)保守性從低到高依次為DNV RP-F101、PCORRC、ASME B31G－2012、SY/T 6151－2009、API-579；大于該值時(shí)，對于X42管道，評價(jià)保守性從低到高依次為ASME B13G（SMYS+69）、ASME B31G[(SMYS+SMTS)/2]、DNV RP-F101、ASME B31G（1.1SMYS）、PCORRC、SY/T 6151－2009、API-579，對于X60、X80管道，評價(jià)保守性從低到高依次為B31G、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151-2009、API-579�？梢缘贸�，在A(yíng)SME B31G評價(jià)方法中，選用不同的流變應力會(huì )導致其保守性與DNV RP-F101保守性比較結果的不同。

同時(shí)將各方法對于不同鋼級管道的計算結果與實(shí)驗爆破壓力相減，其差值隨缺陷長(cháng)度變化如圖 6所示。

圖 6 各方法計算結果與爆破壓力差值隨缺陷長(cháng)度L變化圖

通過(guò)圖 6，我們可以得出各方法計算的失效壓力大多數都低于實(shí)驗爆破壓力，均可滿(mǎn)足生產(chǎn)安全需要，且與圖 3―5結論基本一致�？傮w來(lái)說(shuō)，當缺陷長(cháng)度大于該值時(shí)，評價(jià)方法的保守性從低到高依次為ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579。若使用API-579方法評價(jià)管道，對于在役時(shí)間較短的管道，可能會(huì )造成管材浪費等問(wèn)題，但對于年久失修的老管道來(lái)說(shuō)，API-579無(wú)疑是最安全的一種評價(jià)方法。

4  結論

（1）以上五種方法中所使用的流變應力均與管道性能參數有關(guān)，且隨著(zhù)鋼級增高而增大；當缺陷長(cháng)度小于某一數值時(shí)，膨脹系數會(huì )隨著(zhù)缺陷長(cháng)度增加而增大，超出這一數值后，API-579和SY/T 6151―2009中膨脹系數會(huì )保持一定。

（2）當缺陷長(cháng)度小于某一數值時(shí)，上述五種方法的評價(jià)保守性從低到高依次為DNV RP-F101、PCORRC、ASME B31G-2012、SY/T 6151―2009、API-579；大于該值時(shí)，總體來(lái)說(shuō)評價(jià)方法的保守性從低到高依次為B31G、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579。

（3）進(jìn)行評價(jià)時(shí)可根據檢測出的管道缺陷長(cháng)度，結合管道使用年限、維修次數等，選用保守性適當的評價(jià)方法。

 

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作者簡(jiǎn)介：戴政， 1995年生，西安石油大學(xué)油氣儲運工程碩士研究生畢業(yè)，現從事管道維搶修、油氣管道運行等工作。聯(lián)系方式：13088987401， xsydz1995@163.com。