輸油管道腐蝕缺陷評(píng)估與剩余壽命預(yù)測(cè)

1長(zhǎng)慶油田采油八廠 2新疆油田分公司陸梁油田作業(yè)區(qū) 3新疆油田分公司石西油田作業(yè)區(qū) 4長(zhǎng)慶油田第六采氣廠 5青海油田分公司采油二廠

輸油管道腐蝕缺陷評(píng)估與剩余壽命預(yù)測(cè)

代輝1楊磊2李濤3田知密4徐方5

1長(zhǎng)慶油田采油八廠 2新疆油田分公司陸梁油田作業(yè)區(qū) 3新疆油田分公司石西油田作業(yè)區(qū) 4長(zhǎng)慶油田第六采氣廠 5青海油田分公司采油二廠

選擇局部高風(fēng)險(xiǎn)管段對(duì)某輸油管道進(jìn)行漏磁檢測(cè)作業(yè)，統(tǒng)計(jì)管線腐蝕缺陷周向位置分布，結(jié)合腐蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立了ASME-B31G腐蝕缺陷容限尺寸模型。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明，腐蝕缺陷深度和缺陷長(zhǎng)度分別滿足指數(shù)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布，采用擬合的方法得到徑向腐蝕速率計(jì)算公式。結(jié)合容限尺寸模型對(duì)腐蝕缺陷部位的剩余強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，采用概率的方法對(duì)局部管道進(jìn)行了失效概率的預(yù)測(cè)計(jì)算。結(jié)果表明：該輸油管道的腐蝕較為嚴(yán)重，在目前的工作壓力下，管段上的中度缺陷有一定的安全余量，對(duì)管道的安全操作不構(gòu)成威脅；但在設(shè)計(jì)壓力下，一些中度缺陷的剩余強(qiáng)度不能滿足要求，需要進(jìn)一步評(píng)估。

管道；腐蝕缺陷；剩余強(qiáng)度；失效概率；預(yù)測(cè)計(jì)算

某輸油管道全長(zhǎng)200.6 km，全線共5座輸油站，管線采用?368 mm×12 mm、?368 mm×9 mm兩種規(guī)格的20#鋼管。采用S52涂料對(duì)全程正常地段防腐，沼澤、低洼等地段共35 km采用鋼塑聚乙烯包復(fù)管，穿江部分1.5 km采用三層PE防腐。為保證該管道的安全運(yùn)行，對(duì)局部高風(fēng)險(xiǎn)管段進(jìn)行漏磁檢測(cè)作業(yè)，結(jié)果顯示腐蝕缺陷總數(shù)為1 254個(gè)，其中重度缺陷154個(gè)，占12.28%；中度缺陷368個(gè)，占29.35%；輕度缺陷683個(gè)，占54.47%；輕微缺陷49個(gè)，占3.91%。正是由于這些腐蝕缺陷的存在，嚴(yán)重削弱了管道強(qiáng)度。

1腐蝕缺陷統(tǒng)計(jì)

對(duì)于此次漏磁檢測(cè)結(jié)果，用以下四個(gè)等級(jí)區(qū)分缺陷的腐蝕程度[1]：輕微，腐蝕面積＜10%；輕度，腐蝕面積10%～25%；中度，腐蝕面積25%～50%；重度，腐蝕面積＞50%。

從缺陷沿管道周向位置的分布圖可以看出，在兩側(cè)缺陷非常少，即時(shí)鐘1～2點(diǎn)及10～12點(diǎn)附近，也就是在管道的上頂部附近；絕大部分缺陷集中在中間，即管道下部4～7時(shí)鐘點(diǎn)位置，這是由于底部的管道容易積水，從而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕的緣故。

2腐蝕缺陷的評(píng)估

2.1 剩余強(qiáng)度評(píng)估方法

管道的腐蝕主要受環(huán)境和結(jié)構(gòu)因素的影響，缺陷的長(zhǎng)度和深度是估算失效程度的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。圖1所示為理想缺陷的截面示意圖[2]。

圖1 理想缺陷截面示意圖

目前，對(duì)剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法較多，這里選取ASME B31G準(zhǔn)則來確定含缺陷管道的容許壓力[3]。在這個(gè)方法中，腐蝕管道的容許壓力基本公式為

其中：

式中σˉ為管材的流變應(yīng)力（MPa）；D為直徑（mm）；t為壁厚（mm）；d為缺陷深度（mm）；l為缺陷長(zhǎng)度（mm）；M為鼓脹因子；SMYS為對(duì)管材規(guī)定的最小屈服極限（MPa）。

2.2 容限尺寸曲線

管道設(shè)計(jì)壓力為6MPa，當(dāng)前工作壓力為4.6MPa，比設(shè)計(jì)壓力低。圖2為建立的管道的容限尺寸曲線，在曲線下方為安全區(qū)域，如果缺陷位置在曲線以下，說明該缺陷可在管道容忍的位置上，即正常存在；與此相反，若缺陷是在曲線以上不安全區(qū)域，應(yīng)該立即修復(fù)[4]。

圖2 管道的容限尺寸曲線

從圖2可以看出，缺陷的深度大于壁厚50%時(shí)，都位于容限曲線斷裂比=0.5（設(shè)計(jì)壓力）以下，這表明管段上只允許存在一些較短長(zhǎng)度的腐蝕缺陷；而在目前操作壓力下，不能簡(jiǎn)單地通過位于容限曲線斷裂比=0.5以上來確定單個(gè)嚴(yán)重的缺陷位置，也不一定是所有的嚴(yán)重缺陷都需要進(jìn)行維護(hù)，應(yīng)根據(jù)操作壓力下有缺陷的部件的位置和具體尺寸，來確定其是否可以通過檢驗(yàn)。對(duì)于輕微缺陷，深度小于壁厚50%，都可容忍它們的存在；但對(duì)于防腐涂層導(dǎo)致的局部腐蝕缺陷，在條件成熟時(shí)，需要選擇性地挖掘一些管段，進(jìn)行防腐蝕涂層修復(fù)。

2.3 剩余強(qiáng)度評(píng)估

為了準(zhǔn)確地了解各腐蝕缺陷部位，分別評(píng)估了每個(gè)缺陷部位的剩余強(qiáng)度和剩余壽命。

含缺陷管道的剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)過程為：確定腐蝕區(qū)域的最大深度并與公稱壁厚相比。對(duì)于比值＞80%，直接選擇修理或更換；比值＜10%，繼續(xù)留用；而對(duì)于比值為10%～80%，先確定腐蝕區(qū)域的縱向長(zhǎng)度，分別計(jì)算得到缺陷點(diǎn)處的最大操作壓力p1，運(yùn)行壓力p2，剩余強(qiáng)度MAOP，從而得到安全系數(shù)K，若K＜1，則修理或更換。

3失效概率預(yù)測(cè)

3.1 基本方法

一般不需考慮腐蝕缺陷在周向的寬度，因?yàn)槠鋵?duì)管線的承壓能力影響很小，故缺陷的深度和長(zhǎng)度被看作是描述管線腐蝕缺陷的兩個(gè)基本參數(shù)。由于缺陷的范圍會(huì)隨著腐蝕作用而逐年擴(kuò)大，因此取最近一次（T0）檢測(cè)的缺陷深度（d0）、長(zhǎng)度（l0）、徑向腐蝕速率（Rd）、軸向腐蝕速率（Rl）來計(jì)算服役若干年（T）后腐蝕缺陷的深度和長(zhǎng)度，分別為

缺陷管線的爆破壓力方程為

由上述公式可知，參數(shù)分布的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差均已知，因此，建立極限狀態(tài)函數(shù)為

式中pL為工作壓力（MPa）。

用式（5）確定的極限狀態(tài)計(jì)算管道的失效概率。

3.2 腐蝕速率

由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明，腐蝕缺陷深度和缺陷長(zhǎng)度分別滿足指數(shù)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布。通過缺陷的深度和長(zhǎng)度與管道的運(yùn)行時(shí)間的比值，求得管道腐蝕速率基本數(shù)據(jù)，利用擬合方法得到其計(jì)算公式。其中，在整個(gè)管段進(jìn)腐蝕缺陷統(tǒng)計(jì)的是軸向腐蝕速率，每公里內(nèi)進(jìn)行徑向腐蝕率統(tǒng)計(jì)。

3.3 失效概率預(yù)測(cè)

基于可靠性的評(píng)定方法要求失效概率應(yīng)該等于或小于規(guī)定的目標(biāo)失效概率，也稱為目標(biāo)安全水平。目標(biāo)安全水平定義為對(duì)于一個(gè)可以為公眾接受的最大失效概率，它是一個(gè)與管道安全程度的概率描述相聯(lián)系的名義參考值。API579推薦的目標(biāo)失效概率見表1，對(duì)超過這一目標(biāo)失效概率值的管道，應(yīng)采取措施改善管道的安全狀況。

表1 API579推薦的目標(biāo)失效概率

采用上述方法對(duì)該輸油管道局部約60 km管段進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算，包括5年、10年后管道的失效概率預(yù)測(cè)情況，結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 檢測(cè)時(shí)管道失效概率

圖4 5年后管道失效概率

圖3表明，在檢測(cè)的當(dāng)時(shí)，管道的失效概率低于中風(fēng)險(xiǎn)地段的目標(biāo)值，但高于高風(fēng)險(xiǎn)地段的目標(biāo)值，表明管道的安全狀況基本符合要求，但仍存在發(fā)生失效的風(fēng)險(xiǎn)。圖4表明，5年后，大部分地段上管道的失效概率接近或超過2.3×10-2的目標(biāo)值，管道失效概率太高，不符合要求，應(yīng)采取措施維修出現(xiàn)腐蝕缺陷的管段；圖5示意性地給出了10年后管道失效概率的預(yù)測(cè)結(jié)果。

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.008