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和局限性，進行了各評價方法關于缺陷長度的保守性對比。結果表明：流變應力隨著鋼級增高而增大；當缺陷長度小于某一數值時，膨脹系數會隨著缺陷長度增加而增大；當缺陷長度小于或大于某一數值時，各種方法的評價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方法提供了參考。

關鍵詞：管道剩余強度；評價方法；膨脹系數；缺陷長度；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]。為了有效評價管道剩余強度，國內外研究機構提出了多種評價方法，較為經典的有ASME B31G―2012、DNV-RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579等選用方法，以及眾多學者提出的有限元分析方法[2-3]。由于流變應力是根據實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方法的參數選取以及剩余強度計算結果進行分析對比，并通過計算結果與爆破壓力的差值驗證各方法的保守性強弱，以此說明各種方法的異同點與保守性，為工程管理人員選取油氣管道剩余強度評價方法提供參考。

1  剩余強度評價方法

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等學者最新的研究成果：相鄰腐蝕缺陷軸向間距和環向間距均小于3倍壁厚時，相鄰腐蝕缺陷相互影響；否則相鄰腐蝕缺陷之間沒有影響[5]。雖然該版本較之前的評價結果更加精確，具有更高的工程實踐價值，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行評估；②由于將有相互影響作用的眾多缺陷看成一個整體，該方法只需要兩個參數（缺陷長度和深度）來進行評價，無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行管道剩余強度的計算公式。該方法由于開發數據庫較新，保守程度低，應用越來越廣泛。

PCORRC是Stephens采用有限元仿真得到的一種評價方法[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行評價，但是沒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、環形長度等參數計算，將管道剩余強度分為三類，以便采取相應措施進行處理。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度L大于管道外徑D時，取D；②該方法指出相鄰腐蝕坑之間未腐蝕區域的縱向長度小于25 mm時，環向最小長度小于6倍壁厚時，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，所以無法精確評價管道剩余強度。

API-579方法在ASME 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系，從而一定程度上改善了ASME B31G中所存在的問題，其將流變應力定義為材料的最小屈服強度來進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、點蝕三類，但并沒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，隨著計算機技術的發展，眾多研究者針對這個問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行建模，使其更加接近實際，從而實現對管道剩余強度較為精確地評價[10]。但此方法建模分析過程較為復雜，而且由于沒有推薦使用的公式，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，故選擇X42―X80之間8種不同鋼級管道的性能參數進行計算，見圖 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管道鋼級的增高而增大。需要說明的是， ASME B31G規定X80管道只能使用（SMYS+SMTS）/2來計算流體應力，所以圖 1中無X80管道的其他流變應力值。

2.2  膨脹系數

采用文獻[11]中的數據進行分析，分別使用ASME B31G―2012、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579來對比腐蝕長度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均隨著缺陷長度L的增大而增大，但PCORRC中M的計算值只會無限趨近于1；對于API-579和SY/T 6151―2009，當L小于某一個值時，M會隨著L的增加而增大，當大于該值時，M 隨 L不再發生變化，這是由于API-579規定λ最大取20，SY/T 6151―2009規定當L大于管道外徑D時，L取D值計算引起。

3  評價方法的保守性分析

通過對以上五種方法進行分析，可得出流變應力和膨脹系數的選取必然會引起管道剩余強度評價結果的不同，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X80三種管道進行以上五種方法隨缺陷長度變化的評價保守性對比分析，如圖 3―5所示。

圖 3 X42管道失效壓力隨缺陷長度L變化圖

圖 4 X60管道失效壓力隨缺陷長度L變化圖

圖 5 X80管道失效壓力隨缺陷長度L變化圖

由圖 3―5可知，無論低中高強度鋼管道，當缺陷長度小于某一值時，上述五種方法的評價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，對于X42管道，評價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ASME B31G評價方法中，選用不同的流變應力會導致其保守性與DNV RP-F101保守性比較結果的不同。

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

圖 6 各方法計算結果與爆破壓力差值隨缺陷長度L變化圖

通過圖 6，我們可以得出各方法計算的失效壓力大多數都低于實驗爆破壓力，均可滿足生產安全需要，且與圖 3―5結論基本一致�？傮w來說，當缺陷長度大于該值時，評價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方法評價管道，對于在役時間較短的管道，可能會造成管材浪費等問題，但對于年久失修的老管道來說，API-579無疑是最安全的一種評價方法。

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，且隨著鋼級增高而增大；當缺陷長度小于某一數值時，膨脹系數會隨著缺陷長度增加而增大，超出這一數值后，API-579和SY/T 6151―2009中膨脹系數會保持一定。

（2）當缺陷長度小于某一數值時，上述五種方法的評價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，總體來說評價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）進行評價時可根據檢測出的管道缺陷長度，結合管道使用年限、維修次數等，選用保守性適當的評價方法。

 

參考文獻：

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