海底管道腐蝕后剩余強度評估方法研究

孫國民，雷震名，劉偉，鄭羽，崔少敏

(海洋石油工程股份有限公司，天津300451)

海底管道在運行期間，由于海洋環(huán)境條件、輸送介質(zhì)性質(zhì)等原因，海底管道的強度會因為腐蝕而降低，會不同程度影響海底管道系統(tǒng)運行的安全性。為了預(yù)測腐蝕對管道的損傷程度，分析管道的運行條件，需要對管道的剩余強度進行評估。海底管道腐蝕后剩余強度的評估，是海底管道完整性評價的重要內(nèi)容，其目的是為了研究帶有腐蝕缺陷的海底管道能否在規(guī)定的壓力下正常運行，確定當前腐蝕缺陷下管道的最大失效壓力，為管道的安全運行方案制定提供合理的依據(jù)。

國際上對腐蝕管道剩余強度評價方法的研究始于20世紀60年代末，隨著研究的不斷深入，目前已經(jīng)形成了許多評價標準規(guī)范和方法，具有代表性的主要有 ASME B31G［1］、API 579［2］、PCORRC［3］以及 DNV RP F101［4］等。其中DNV RP F101是主要用于海底管道剩余強度的評價，提供了分項安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法兩種評估方法，是目前國際上針對腐蝕海底管道剩余強度評估的主流作法。文中對DNV RP F101(2010)規(guī)范中的評估方法作了全面詳細的闡述，對海底管道剩余強度的評估流程、分項安全系數(shù)和許用應(yīng)力評價方法進行了詳細說明，并通過計算實例將兩種方法作了對比分析，可為海底管道剩余強度的評估提供參考。

1 腐蝕缺陷評價簡述

DNV RP F101規(guī)范主要適用于對以下缺陷的評估:內(nèi)外表面腐蝕、焊縫腐蝕、相互作用腐蝕缺陷群、由于打磨修理引起的金屬損失。該規(guī)范考慮了相鄰腐蝕缺陷之間相互作用的影響，將腐蝕類型分為單個腐蝕缺陷、相互作用腐蝕缺陷、復(fù)雜形狀腐蝕缺陷，根據(jù)缺陷的類型按照對應(yīng)的評估方法進行評估。

在對海底管道進行剩余強度評估時，其評估流程如下:(1)判斷海底管道所受載荷情況，除受內(nèi)壓外，若還承受不可忽略的軸向壓應(yīng)力作用 (軸力、彎矩等載荷)，按照單個缺陷進行評估;(2)當海底管道主要承受內(nèi)壓作用時，判斷單個腐蝕缺陷是否產(chǎn)生相互作用，從而選擇相應(yīng)腐蝕缺陷類型的評估方法，給出安全工作壓力;(3)當步驟 (2)中的安全工作壓力大于設(shè)計壓力時，并且可獲取缺陷詳細剖面形狀時，按照復(fù)雜形狀缺陷進行評估，給出安全工作壓力。對腐蝕海底管道剩余強度評估的總體流程如圖1所示。

圖1 腐蝕海底管道剩余強度評估總體流程圖

2 不同類型腐蝕缺陷的評估思路

由于考慮了腐蝕缺陷之間的相互作用，將腐蝕類型分為單個腐蝕缺陷、相互作用腐蝕缺陷、復(fù)雜形狀腐蝕缺陷，根據(jù)缺陷的類型按照對應(yīng)的評估方法進行評估。

2.1 單個腐蝕缺陷

單個缺陷即與周圍相鄰缺陷不存在相互作用，其失效壓力是與管道中其他缺陷相互獨立的，圖2為相鄰腐蝕缺陷的示意圖。

圖2 相鄰腐蝕缺陷尺寸示意圖

將腐蝕缺陷歸類作為單一缺陷時，需要滿足一定的條件，否則應(yīng)將其作為相互作用的缺陷形式進行評估。當滿足下列兩條件之一時，即作為單獨缺陷評估:

(1)相鄰缺陷環(huán)向角φ

(2)相鄰缺陷縱向間距s

式中:t為海底管道的名義壁厚，mm;D為海底管道的名義外徑，mm。

2.2 相互作用腐蝕缺陷

當腐蝕管道上某一區(qū)域內(nèi)的各個腐蝕缺陷不滿足第2.1節(jié)中單個腐蝕缺陷條件時，應(yīng)考慮這些腐蝕點之間產(chǎn)生影響管道失效壓力的相互作用。

在相互作用的缺陷群內(nèi)，須逐個評估該腐蝕區(qū)域內(nèi)所有單個缺陷以及所有相鄰缺陷的組合。在計算各組合缺陷的失效壓力時，選用組合的總長度 (包括間距)和有效深度，采用單個缺陷公式進行評估。

針對腐蝕區(qū)域內(nèi)各腐蝕點分布的無規(guī)律性，為了使評估合理，分別在縱向和環(huán)向劃分區(qū)域，評估縱向分段內(nèi)的環(huán)向各個劃分區(qū)內(nèi)所有組合的缺陷，以環(huán)向評估所得的最小失效壓力作為該縱向分段的許用壓力，然后繼續(xù)下一縱向分段的評估，如此循環(huán)，直至整個腐蝕管段評估完成?？v向劃分以5.0為步長，與相鄰分段至少應(yīng)有2.5的重疊部分，環(huán)向劃分以的角度為步長。

當評估中出現(xiàn)缺陷重疊的情況時，此時應(yīng)將此作為復(fù)合缺陷處理，選取組合的長度和最深缺陷深度進行計算。如果復(fù)合缺陷由管內(nèi)和管外缺陷迭加而成，則應(yīng)選用管內(nèi)和管外缺陷的最大深度之和。

2.3 復(fù)雜形狀缺陷

復(fù)雜形狀缺陷是由相互作用缺陷或單個缺陷聯(lián)合群體組成的缺陷。在對復(fù)雜形狀缺陷進行評估時，必須具有復(fù)雜形狀缺陷長度和深度剖面圖，否則無法進行評估。

對復(fù)雜形狀缺陷的評估采用深度增量的方法:(1)按最大腐蝕深度將腐蝕缺陷分成許多增量dj，在每個腐蝕深度增量上，通過多個含有“腐蝕點”的“腐蝕斑”將腐蝕缺陷模型化;(2)分別對“腐蝕斑”、“腐蝕點”進行評估，按照單個缺陷進行評估，同時根據(jù)相互作用的評估方法對腐蝕點進行評估;(3)將整個腐蝕區(qū)域等效為以腐蝕總長度和平均腐蝕深度的單個腐蝕缺陷進行評估;(4)比較上述各評估結(jié)果，最小的失效壓力值即為該腐蝕深度增量下管道許用壓力;(5)對所有深度增量重復(fù)上述過程，進而確定腐蝕管道的許用壓力。圖3為腐蝕深度增量為dj時復(fù)雜缺陷模型示意圖。

由于篇幅原因，對復(fù)雜形狀缺陷的評估計算方法只作簡要介紹，分項安全系數(shù)法和許用應(yīng)力的詳細評估計算方法可參考文獻 ［4］。

圖3 腐蝕深度增量為dj時的復(fù)雜腐蝕缺陷模型示意圖

3 腐蝕缺陷評估的計算方法

針對單個腐蝕缺陷、相互作用腐蝕缺陷兩種類型缺陷，分別對分項安全系數(shù)和許用應(yīng)力這兩種評估計算方法進行了詳細闡述。

3.1 分項安全系數(shù)法

分項安全系數(shù)法是根據(jù)DNV OS-F101海底管道系統(tǒng)規(guī)范確定的安全準則［5］，是基于LRFD(載荷和抗力系數(shù)設(shè)計)的評估方法。考慮了腐蝕缺陷尺寸測量精度、材料性質(zhì)、管子制造誤差等不確定因素，能客觀地反映管道存在腐蝕缺陷后的剩余強度。根據(jù)DNV OS-F101劃分的不同安全等級，規(guī)范中給出了不同可靠度水平 (高、正常、低)、不同檢測精度以及相對測量和絕對測量兩種檢測方法下的分項安全系數(shù)。

3.1.1 單個腐蝕缺陷剩余強度評估

在對單個腐蝕缺陷進行評估時，將腐蝕管道分為兩類進行考慮:(1)管道主要承受內(nèi)壓作用;(2)海底管道除了承受內(nèi)壓外，在運行期間還承受不可忽略的軸力、彎矩以及溫度荷載等外部載荷而產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力。

(1)僅考慮內(nèi)壓作用

僅考慮內(nèi)壓作用時，腐蝕海底管道的失效壓力計算方法如下:

(2)內(nèi)壓與縱向壓應(yīng)力組合作用下的縱向腐蝕評估

縱向腐蝕缺陷海底管道的失效壓力計算如下:

環(huán)向腐蝕缺陷海底管道的失效壓力計算如下:

式中:γm為縱向腐蝕預(yù)測模型的分項安全系數(shù);γd為腐蝕深度的分項安全系數(shù)，是標準偏差StD［d/t］的函數(shù);εd為腐蝕深度的分位數(shù)值，是標準偏差StD［d/t］的函數(shù);fSMTS為管材的最小拉伸強度，MPa;fu，temp為由于溫度引起的管材拉伸強度折減，MPa;d為腐蝕缺陷深度，mm;l為腐蝕缺陷長度，mm;Q為腐蝕長度的修正系數(shù);StD［d/t］為 d/t的標準偏差，與檢測設(shè)備的精度和置信水平有關(guān);γmc為環(huán)向腐蝕預(yù)測模型的分項安全系數(shù);H1為縱向壓應(yīng)力系數(shù);Ar=1－dθ/t為環(huán)向面積折減系數(shù);ξ為縱向應(yīng)力利用系數(shù);θ=c/(πD)為腐蝕區(qū)環(huán)向長度與管道外周長的比;c為腐蝕環(huán)向長度，mm。文中的各分英安全系數(shù)取值參見規(guī)范DNV RP F101(2010)。

當γd(d/t)*＞1時，失效壓力pcorr=0;另外，當腐蝕深度超過管道名義壁厚的85%時，此評估方法不再適用。

3.1.2 具有相互作用腐蝕缺陷剩余強度評估

在針對具有相互作用的腐蝕缺陷進行評估時，根據(jù)第2.2節(jié)的評估思路和區(qū)域劃分方法，在腐蝕區(qū)域內(nèi)分別在縱向和環(huán)向劃分區(qū)域，分別對單個和組合缺陷的失效壓力進行計算。

單個缺陷的失效壓力計算:

組合缺陷的失效壓力計算:

腐蝕管道的失效壓力:

其中:

式中:dmn為組合缺陷的有效深度，mm;lmn為組合缺陷的總長，包含缺陷間的間隙，mm;StD［dmn/t］為dmn/t的標準偏差。

3.2 許用應(yīng)力法

許用應(yīng)力法是基于許用應(yīng)力設(shè)計方法，先計算出具有腐蝕缺陷管道的失效壓力，然后再將該項失效壓力乘以一安全系數(shù)F得到最終安全工作壓力。該安全系數(shù)F計算如下:

式中:F1為模型安全系數(shù)，取0.9;F2為許用操作壓力安全系數(shù)，取初始設(shè)計安全系數(shù)。

3.2.1 單個腐蝕缺陷剩余強度評估

(1)僅考慮內(nèi)壓作用

(2)內(nèi)壓與縱向壓應(yīng)力組合作用下的縱向腐蝕評估

其中:

3.2.2 具有相互作用的腐蝕缺陷剩余強度評估

單個缺陷的失效壓力計算:

組合缺陷的失效壓力計算:

式中:H2為縱向壓應(yīng)力系數(shù);Ar=1－dθ/t為環(huán)向面積折減系數(shù);σL外部荷載產(chǎn)生的名義縱向應(yīng)力，MPa;為軸向力F在管道名義壁厚x上產(chǎn)生的縱向應(yīng)力，MPa;為彎矩My在管道壁厚上產(chǎn)生的縱向應(yīng)力，MPa;θ=c/(πD)為腐蝕區(qū)環(huán)向長度與管道外周長的比;c為腐蝕環(huán)向長度，mm。

4 分項安全系數(shù)法與許用應(yīng)力法對比研究

分項安全系數(shù)與許用應(yīng)力兩種評估方法的主要區(qū)別在于采用的安全準則不同。前者是基于DNV-OSF101的安全準則，充分考慮了管材性質(zhì)、管材制造誤差以及腐蝕缺陷測量精度等一系列不確定因素，更能客觀反映海底管道腐蝕后的剩余強度;而后者是基于許用應(yīng)力設(shè)計準則，沒有考慮各種不確定因素，但計算方法簡潔，便于操作。

對腐蝕缺陷進行評估時，無論是單個腐蝕缺陷、相互作用腐蝕缺陷，還是復(fù)雜形狀腐蝕缺陷，均是通過對腐蝕深度以及長度的相應(yīng)處理，最終歸結(jié)到單個腐蝕缺陷的評估上來，故作者針對僅考慮內(nèi)壓作用的單個缺陷計算評估，分別應(yīng)用分項安全系數(shù)法與許用應(yīng)力法進行計算評估。

在計算中選取基礎(chǔ)參數(shù)如下:鋼管等級X65，鋼管外徑323.9 mm，鋼管壁厚11.1 mm，腐蝕缺陷軸向長度250 mm。在以上基礎(chǔ)條件下，分別以文中的公式 (3)和公式 (18)，即分項安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法進行評估，考慮該規(guī)范規(guī)定當d/t＞85%時，失效壓力為0即管道完全失效，故計算在d/t為0～85%的范圍內(nèi)不同深度腐蝕缺陷的失效壓力。兩種方法中 γm、γd、εd、StD［d/t］以及 F 等參數(shù)，根據(jù)DNV RP F101(2010)規(guī)范選取或計算得出［4］。對于分項安全系數(shù)法，假設(shè)置檢測結(jié)果的置信水平為85%，對4種不同檢測精度條件下的腐蝕缺陷進行了評估。圖4為采用兩種方法對不同深度腐蝕缺陷剩余強度評估結(jié)果。

從圖4可以看出:

圖4 分項安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法評估結(jié)果

(1)對于分項安全系數(shù)評估方法，檢測精度對評估結(jié)果影響較大，而且腐蝕深度越深，這種影響越明顯，檢測精度越差，其評估結(jié)果也越保守?？梢娞岣邫z測設(shè)備的精度，有利于更客觀地評估腐蝕海底管的道剩余強度。

(2)通過對兩種方法評估所得曲線的比較可以看出:許用應(yīng)力法評估的曲線與各檢測精度下 (檢測精度為0除外)評估的曲線均出現(xiàn)了交叉，記此交叉點處的相對腐蝕深度為d/t，檢測精度越差，該交叉點的值越小。檢測精度為0時，不存在此交叉點，許用應(yīng)力法評估結(jié)果更保守。檢測精度不為0，即設(shè)備存在測量誤差:當d/t＜(d/t)0時，許用應(yīng)力法評估結(jié)果更保守;當d/t＞(d/t)0時，分項安全系數(shù)法評估結(jié)果更保守。

在(d/t)0處，兩種方法對海底管道的剩余強度評估結(jié)果一致，即pcorr=psw，從而可求出 (d/t)0。其求解過程如下:

由pcorr=psw，結(jié)合公式 (4)和公式 (5)整理可得:

將公式 (7)代入上式:

令f(d/t)=0，即可求得(d/t)0。由公式 (27)可以看出:(d/t)0僅是標準偏差 StD［d/t］的函數(shù)，即(d/t)0與檢測設(shè)備的精度與置信水平有關(guān)。

5 結(jié)論

(1)闡述了分項安全系數(shù)和許用應(yīng)力兩種腐蝕海底管道剩余強度的評估方法。

(2)當檢測設(shè)備存在誤差時，在某一條件下對同一腐蝕海底管道進行剩余強度評估時，存在一個相對腐蝕深度(d/t)0，分項安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法的評估結(jié)果相同。當相對腐蝕深度d/t＜(d/t)0時，許用應(yīng)力法評估結(jié)果更保守;當d/t＞(d/t)0時，分項安全系數(shù)法評估結(jié)果更保守。

(3)對于分項安全系數(shù)評估方法，用于檢測腐蝕尺寸的設(shè)備精度和設(shè)備置信水平對評估結(jié)果有較大影響。提高檢測設(shè)備的性能，如精度、置信水平，可更客觀對海底管道剩余強度進行評估。

【1】ASME B31G-2009:Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines［S］．

【2】API 579:Fitness-for-service［S］，2007．

【3】STEPHENS D R，LEIS B N，KURRE M D，et al．Development of Alternative Criterion for Residual Strength of Corrosion Defects in Moderater to higt toughness Pipe［R］．Catalog No．L51794e，1999．

【4】DNV-PR-F101:Corroded Pipelines［S］，2010．

【5】DNV Offshore Standard OS-F101:Submarine Pipelines Systems［S］，2005．

【6】Rules for Submarine Pipelines Systems，DNV 1981．