中國石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)與安全研究中心與國際材料力學(xué)工程科學(xué)學(xué)會（IMMETS）組織國內(nèi)外多家完整性技術(shù)團隊成功開發(fā)了管道完整性與安全超級評價系統(tǒng)V4.0（Pipeline Integrity and Safety Super-Assessment System V4.0，以下簡稱超級評價系統(tǒng)）。該系統(tǒng)是目前國際上覆蓋標(biāo)準(zhǔn)最多，功能點最多，適用于各類輸送介質(zhì)的管道完整性和安全評估軟件，具有較好的界面和良好的計算精度。該軟件開發(fā)范圍包括多項評價標(biāo)準(zhǔn)，如DNVRP F101評價、ASME B31.G評價、Rstreng評價、 Modified B31.G評價、美國石油學(xué)會API 579適用性評價、英國國家標(biāo)準(zhǔn)金屬結(jié)構(gòu)可接受性BS7910適用性評價、美國石油學(xué)會API1104等標(biāo)準(zhǔn)，參考了英國中央電力局CEGB-R6、德國GKSS研究中心EFAM-ETM的工程缺陷評定方法、歐洲共同體結(jié)構(gòu)完整性評價方法SINTAP，主要模型依據(jù)是上述標(biāo)準(zhǔn)中的經(jīng)典計算算法。

1 超級評價系統(tǒng)概述

超級評價系統(tǒng)可以對油氣管道中的裂紋型、體積型和幾何缺陷進行安全評定。裂紋型缺陷又可分為長大型和非長大型缺陷。對于非長大型缺陷主要是對管道的剩余強度進行評價, 解決管道母材和焊縫在當(dāng)前運行工況條件下能否安全運行, 提供管道升壓、降壓和維修、更換指南。對于含長大型缺陷管道除按非長大型缺陷進行評價外, 則根據(jù)缺陷的長大規(guī)律對管道剩余壽命進行預(yù)測, 確定管道的檢測與維修周期。對于體積型缺陷可以進行管道結(jié)構(gòu)的極限承載能力分析和安全評價。此外，根據(jù)用戶不同要求，超級評價系統(tǒng)還可以用來確定管道母材和焊縫在不同工況下的臨界缺陷尺寸，通過疲勞強度分析，分析管道免于脆斷的韌性要求等。

本軟件系統(tǒng)同時也考慮氫致開裂斷裂完整性評價判據(jù)，通過研究氫濃度對管道斷裂的影響，重新建立了管道新的失效評定關(guān)系，并給出失效評定圖，確定一定輸送壓力和H2S含量下，含裂紋缺陷管道的安全度和安全范圍，并在軟件中給出了安全系數(shù)。

本軟件系統(tǒng)的壽命預(yù)測模塊是基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊理論，同時考慮材料疲勞模型，綜合給出缺陷內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的發(fā)展速率與疲勞擴展速率，自動剔除內(nèi)檢測數(shù)據(jù)中的不正確數(shù)據(jù)，通過整體對齊和疲勞強度理論精確的預(yù)測管道的剩余壽命。

超級評價系統(tǒng)對管道缺陷評價分四種情況處置。

(1) 對安全生產(chǎn)不造成危害的缺陷允許存在。

(2) 對安全性雖不造成危害但會進一步發(fā)展的缺陷要進行壽命預(yù)測,并允許在監(jiān)控下使用。

(3) 若含缺陷構(gòu)件降級使用時可保證安全可靠性要求，可降級使用。

(4) 對含有對安全可靠性構(gòu)成危脅的缺陷的構(gòu)件，應(yīng)立即采取措施，返修或停用。

2 軟件模塊和模型

2.1 軟件系統(tǒng)模塊

（1）管道API579適用性評價軟件/API 579 for Pipeline System。

（2）管道國際缺陷評價軟件(DNV-RP101\ASMEB31.G)/Pipeline Defects Assessment based on International Standards。

（3）管道焊縫評估系統(tǒng)軟件/Pipeline Welding Assessment System。

（4）管道BS7910 評估軟件/BS7910 Assessment Software。

（5）管道氫致開裂完整性評價與壽命預(yù)測系統(tǒng)/Pipeline HIC Assessment and Life Predict System。

（6）管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊與評價系統(tǒng)/Pipeline ILI Data Alignment and Assessment System。

（7）管道焊縫底片缺陷自動識別系統(tǒng)/Pipeline Welds Image Recognition and Assessment System。

上述模塊全部集成在一個平臺上，形成超級評價軟件包，其界面如圖1所示。

圖1  軟件系統(tǒng)界面

2.2  軟件使用模型

軟件使用模型包括斷裂評估模型，壽命疲勞模型，凹陷評估模型，腐蝕評估模型，缺陷定性評估模型，缺陷定量評估模型，ASME b31.G 評估、Rstreng評價、 Modified B31.G評價模型，DNVRP F101評價模型，氫致開裂評價模型，HIC評估模型，管道焊縫底片缺陷識別模型，基于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)的自動對齊模型，管道材料疲勞模型，管道應(yīng)力應(yīng)變場力學(xué)模型。

3 軟件功能及特點

3.1  軟件功能

 超級評價系統(tǒng)軟件可以對油氣管道中的裂紋型和體積型缺陷以及凹坑進行安全評定。主要功能包括體積型缺陷極限承載能力分析、裂紋型缺陷剩余強度評定、含缺陷管道剩余壽命預(yù)測,溫度使用范圍評估，凹坑缺陷可修復(fù)性評估，氫致開裂斷裂評估、焊縫底片缺陷自動識別評估等，具體包括以下內(nèi)容。

（1）含體積型缺陷管道結(jié)構(gòu)的極限承載能力分析和安全評價。

（2）確定管道在不同工況下的臨界缺陷尺寸，分析管道免于脆斷的韌性。

（3）含體積型缺陷管道極限承載能力分析。

（4）含裂紋型缺陷管道剩余強度評定。

（5）含缺陷管道剩余壽命預(yù)測（疲勞）。

（6）幾何變形評價。

（7）DNVRP F101許用應(yīng)力法和分安全系數(shù)體積型方法評價。

（8）ASME B31.G方法體積型缺陷評價。

（9）Rstreng方法體積型缺陷評價。

（10）Modified B31.G體積型缺陷評價。

（11）焊縫NDT缺陷評價。

（12）服役溫度下材料性能評價。

（13）焊縫底片識別與評價。

（14）基于數(shù)據(jù)對齊的腐蝕壽命預(yù)測評價。

3.1.1  體積型缺陷極限承載能力分析

含體積型缺陷管道一般是塑性失穩(wěn)失效，極限承載能力（或極限載荷）是衡量該類結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。評價點(Kr，Lr)一般落在接近評價曲線右下角的區(qū)域（即塑性失穩(wěn)區(qū)）。

極限承載能力與管道參數(shù)以及管材性能有關(guān)。缺陷尺寸和分布形態(tài)（位置、走向）的影響很大。一般缺陷尺寸越大，管道的極限承載能力越低，結(jié)構(gòu)的安全性越低。

3.1.2  裂紋型缺陷剩余強度評定分析

含裂紋型缺陷管道隨著服役條件變化，容易發(fā)生斷裂失效事故。評價點(Kr，Lr)一般落在評價曲線左上角或中部區(qū)域（即單純斷裂以及斷裂/塑性失穩(wěn)混合區(qū)）。

對于非長大型缺陷或者是長大型缺陷的現(xiàn)狀可以進行管道的剩余強度評價, 解決管道在當(dāng)前運行工況條件下能否安全運行, 提供管道升壓和降壓、維修和更換指南。

3.1.3 含缺陷管道剩余壽命預(yù)測分析

對于含長大型缺陷管道,可以根據(jù)缺陷的長大規(guī)律對管道剩余壽命進行預(yù)測, 確定管道的檢測與維修周期。

（1）剩余壽命可用合理的確定性參數(shù)加以計算。如均勻腐蝕時能計算出FCA (金屬管道未來腐蝕裕度)，而剩余壽命就等于用假定的腐蝕速度除以未來的腐蝕裕量。該腐蝕速度是根據(jù)過去的壁厚數(shù)據(jù)、腐蝕設(shè)計曲線；或按相同服役條件下，構(gòu)件的腐蝕經(jīng)驗確定出來的。

（2） 沒有或幾乎沒有剩余壽命。為了后續(xù)操作，可采用一些必要的補救措施，如對已損害的構(gòu)件進行修復(fù)、使用襯里或涂層以隔絕環(huán)境，以及實時監(jiān)測等。

（3）針對母材和焊縫裂紋擴展的壽命評價，軟件提供了三種裂紋擴展機理：疲勞、環(huán)境裂紋、蠕變裂紋增長，可以計算管道壽命，也可以計算臨界裂紋尺寸。

3.2  軟件特點

3.2.1  形成評價數(shù)據(jù)庫

軟件系統(tǒng)將評價計算基本情況寫入數(shù)據(jù)庫中，便于統(tǒng)計查詢。評價要素如下：管線名稱、管線外徑、管線起點位置、管線終點位置、建設(shè)時間、管段評價位置樁號、評價人員、輸入評價日期、結(jié)構(gòu)類型、材料類型、母材或焊縫、分析類型、缺陷深度、缺陷長度,、缺陷寬度、安全評價結(jié)論等。

3.2.2   評價報告自動輸出

本軟件系統(tǒng)可自動生成完整性評價報告，給出評價輸入數(shù)據(jù)表格、評價參數(shù)使用過程、評價報告結(jié)論等，方便評價人員編制報告時使用。

3.2.3  評價人員易入門

該系統(tǒng)是一款適用于自學(xué)的軟件系統(tǒng)，入門操作簡單，無需操作人員了解斷裂力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)專門知識，只需知道材料、缺陷尺寸、運行壓力、設(shè)計壓力、管體尺寸即可進行完整性評價，

4 未來展望

通過近5年的推廣應(yīng)用，超級評價系統(tǒng)正逐步發(fā)展完善。隨著內(nèi)檢測精度的提高，以及焊縫底片識別模型、內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊模型等自動壽命分析模塊功能不斷提升，未來向著大數(shù)據(jù)、人工智能方向發(fā)展，最終形成全球領(lǐng)先的智能化管道完整性評價分析系統(tǒng)，應(yīng)用前景非常廣闊。

董紹華教授： 1972年生，中國石油大學(xué)（北京）教授，博士生導(dǎo)師，管道技術(shù)與安全研究中心主任。管道完整性與安全技術(shù)專家；第五屆國家安全生產(chǎn)專家組成員；國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備壓力管道技術(shù)委員會委員； NACE STAG 75 完整性技術(shù)專家委員會主席；北京石油學(xué)會理事兼石油應(yīng)用與儲運專業(yè)委員會主任；擔(dān)任2017年國家重點研發(fā)計劃“公共安全專項”國家儲備庫安全項目首席。主要研究方向為管道完整性管理技術(shù)、管道安全評價技術(shù)、管道信息大數(shù)據(jù)工程技術(shù)等。曾獲省部級獎勵25項，參與編制行業(yè)、企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)40余部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇。