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(yùn)行，使用合適的方法評(píng)價(jià)管道剩余強(qiáng)度就顯得十分重要。分析對(duì)比了ASME B31G―2012、DNV-RP-F101、PCORRC、SY/T 6151―2009、API-579等國(guó)內(nèi)外方法及有限元分析法，總結(jié)了各方法的異同點(diǎn)和局限性，進(jìn)行了各評(píng)價(jià)方法關(guān)于缺陷長(zhǎng)度的保守性對(duì)比。結(jié)果表明：流變應(yīng)力隨著鋼級(jí)增高而增大；當(dāng)缺陷長(zhǎng)度小于某一數(shù)值時(shí)，膨脹系數(shù)會(huì)隨著缺陷長(zhǎng)度增加而增大；當(dāng)缺陷長(zhǎng)度小于或大于某一數(shù)值時(shí)，各種方法的評(píng)價(jià)保守性從低到高不同。研究結(jié)論為工程管理人員選取管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法提供了參考。

關(guān)鍵詞：管道剩余強(qiáng)度；評(píng)價(jià)方法；膨脹系數(shù)；缺陷長(zhǎng)度；保守性對(duì)比

油氣管道運(yùn)行期間極易受到內(nèi)部與外部雙重腐蝕，造成壁厚減薄、管道剩余強(qiáng)度降低，影響管道安全[1]。為了有效評(píng)價(jià)管道剩余強(qiáng)度，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出了多種評(píng)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(yīng)力是根據(jù)實(shí)際材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)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(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度定義為流變應(yīng)力，對(duì)各種油氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法的參數(shù)選取以及剩余強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，并通過(guò)計(jì)算結(jié)果與爆破壓力的差值驗(yàn)證各方法的保守性強(qiáng)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(qiáng)度評(píng)價(jià)方法提供參考。

1  剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法

ASME B31G―2012規(guī)定可選取國(guó)際上認(rèn)可的三種流變應(yīng)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(píng)價(jià)結(jié)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(duì)于部分鋼級(jí)，未規(guī)定工程人員如何選擇適當(dāng)?shù)牧髯儜?yīng)力進(jìn)行評(píng)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(shù)（缺陷長(zhǎng)度和深度）來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)缺陷對(duì)管道強(qiáng)度的影響。

DNV RP-F101不僅考慮了內(nèi)壓作用，還考慮了管道所受的軸向和彎曲載荷[6]，對(duì)膨脹系數(shù)修正后，在許用應(yīng)力法中，采用抗拉強(qiáng)度作為流變應(yīng)力進(jìn)行管道剩余強(qiáng)度的計(jì)算公式。該方法由于開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)較新，保守程度低，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

PCORRC是Stephens采用有限元仿真得到的一種評(píng)價(jià)方法[7]，該方法使用抗拉強(qiáng)度和膨脹系數(shù)計(jì)算管道剩余強(qiáng)度，將相鄰腐蝕缺陷視為孤立腐蝕缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是沒(méi)有給出管道腐蝕缺陷相互作用的具體準(zhǔn)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(zhǎng)度等參數(shù)計(jì)算，將管道剩余強(qiáng)度分為三類，以便采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。將最小屈服強(qiáng)度極限定義為流變應(yīng)力，采用最大剪切力屈服強(qiáng)度理論計(jì)算管道剩余強(qiáng)度[8]。和ASME B31G不同的是：①該方法規(guī)定當(dāng)缺陷長(zhǎng)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(qū)域的縱向長(zhǎng)度小于25 mm時(shí)，環(huán)向最小長(zhǎng)度小于6倍壁厚時(shí)，均可將相鄰腐蝕坑當(dāng)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(píng)價(jià)管道剩余強(qiáng)度。

API-579方法在ASME B31G的基礎(chǔ)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(shù)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(yīng)力定義為材料的最小屈服強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行管道剩余強(qiáng)度的計(jì)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，但并沒(méi)有給出明確的定義加以區(qū)分。

由于油氣管道所受載荷的復(fù)雜性，以上方法均有局限，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，眾多研究者針對(duì)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(duì)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(xiàn)對(duì)管道剩余強(qiáng)度較為精確地評(píng)價(jià)[10]。但此方法建模分析過(guò)程較為復(fù)雜，而且由于沒(méi)有推薦使用的公式，遠(yuǎn)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(shù)選取對(duì)剩余強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的影響

2.1  流變應(yīng)力

引起管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果差異的主要原因是由于各方法中流變應(yīng)力的選值不同，而流變應(yīng)力與管道性能參數(shù)有關(guān)，故選擇X42―X80之間8種不同鋼級(jí)管道的性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，見圖 1。

圖 1 流變應(yīng)力隨鋼級(jí)變化圖

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

2.2  膨脹系數(shù)

采用文獻(xiàn)[11]中的數(shù)據(jù)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(duì)比腐蝕長(zhǎng)度L對(duì)膨脹系數(shù)M的影響，如圖 2所示。

圖 2 不同方法中膨脹系數(shù)M隨缺陷長(zhǎng)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(shù)M均隨著缺陷長(zhǎng)度L的增大而增大，但PCORRC中M的計(jì)算值只會(huì)無(wú)限趨近于1；對(duì)于API-579和SY/T 6151―2009，當(dāng)L小于某一個(gè)值時(shí)，M會(huì)隨著L的增加而增大，當(dāng)大于該值時(shí)，M 隨 L不再發(fā)生變化，這是由于API-579規(guī)定λ最大取20，SY/T 6151―2009規(guī)定當(dāng)L大于管道外徑D時(shí)，L取D值計(jì)算引起。

3  評(píng)價(jià)方法的保守性分析

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

圖 3 X42管道失效壓力隨缺陷長(zhǎng)度L變化圖

圖 4 X60管道失效壓力隨缺陷長(zhǎng)度L變化圖

圖 5 X80管道失效壓力隨缺陷長(zhǎng)度L變化圖

由圖 3―5可知，無(wú)論低中高強(qiáng)度鋼管道，當(dāng)缺陷長(zhǎng)度小于某一值時(shí)，上述五種方法的評(píng)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(duì)于X42管道，評(píng)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(duì)于X60、X80管道，評(píng)價(jià)保守性從低到高依次為B31G、DNV RP-F101、PCORRC、SY/T 6151-2009、API-579�？梢缘贸觯�在ASME B31G評(píng)價(jià)方法中，選用不同的流變應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致其保守性與DNV RP-F101保守性比較結(jié)果的不同。

同時(shí)將各方法對(duì)于不同鋼級(jí)管道的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)爆破壓力相減，其差值隨缺陷長(zhǎng)度變化如圖 6所示。

圖 6 各方法計(jì)算結(jié)果與爆破壓力差值隨缺陷長(zhǎng)度L變化圖

通過(guò)圖 6，我們可以得出各方法計(jì)算的失效壓力大多數(shù)都低于實(shí)驗(yàn)爆破壓力，均可滿足生產(chǎn)安全需要，且與圖 3―5結(jié)論基本一致。總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)缺陷長(zhǎng)度大于該值時(shí)，評(píng)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(píng)價(jià)管道，對(duì)于在役時(shí)間較短的管道，可能會(huì)造成管材浪費(fèi)等問(wèn)題，但對(duì)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(píng)價(jià)方法。

4  結(jié)論

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

（2）當(dāng)缺陷長(zhǎng)度小于某一數(shù)值時(shí)，上述五種方法的評(píng)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(píng)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(píng)價(jià)時(shí)可根據(jù)檢測(cè)出的管道缺陷長(zhǎng)度，結(jié)合管道使用年限、維修次數(shù)等，選用保守性適當(dāng)?shù)脑u(píng)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(chǔ)運(yùn)工程碩士研究生畢業(yè)，現(xiàn)從事管道維搶修、油氣管道運(yùn)行等工作。聯(lián)系方式：13088987401， xsydz1995@163.com。