含體積型缺陷油氣管道剩余強度評價標準對比分析研究

張　奕，高富超，楊鋒平,3，王　琴，張　良,3，王　珂

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院　陜西　西安　710077；2.中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司　新疆　烏魯木齊　830012；3.西安三環科技開發總公司　陜西　西安　710077)

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·試驗研究·

含體積型缺陷油氣管道剩余強度評價標準對比分析研究

張奕1，高富超2，楊鋒平1,3，王琴2，張良1,3，王珂1

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院陜西西安710077；2.中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司新疆烏魯木齊830012；3.西安三環科技開發總公司陜西西安710077)

從適用范圍、限制條件、基本評價準則、關鍵參數取值、公開試驗數據等方面對比分析了國內常用6項油氣管道體積型缺陷剩余強度評價標準。結果發現：在原理上，ASME B31G -2012、API 579-1-2007、SY/T 6477-2014、SY/T 6151-2009均采用了失效應力評價方法；GB/T 19624-2004也基于極限載荷評價，但沒有使用鼓脹因子；BS 7910-2013以失效評估圖橫坐標是否達到臨界值作為評判準則。在適用范圍上，6項標準均可進行鋼管、焊縫缺陷的評價。標準通用限制條件為：管道材料是韌性的，不存在疲勞環境，服役溫度滿足設計要求，不存在應力集中，非尖銳缺陷。對于焊縫氣孔、夾渣、咬邊缺陷基于尺寸的直接評價，可依據BS7910-2013或GB/T 19624-2004進行。對于典型體積型缺陷的剩余強度評價，建議的選擇次序為：國外標準ASME B31G -2012、API 579-1-2007、BS7910-2013，國內標準：SY/T 6151-2009、SY/T 6477-2014、GB/T 19624-2004。

油氣管道；體積型缺陷；剩余強度評價；標準

0　引　言

油氣輸送管線服役期間可能會因為腐蝕、機械損傷、地質災害等因素造成各種損傷，還可能存在制管和施工缺陷，嚴重的損傷和缺陷會引起管線的泄漏和開裂，導致火災、爆炸中毒等事故發生，并可能造成人員傷亡、重大經濟損失和環境污染。對發現的管道缺陷進行可靠的安全評估，對管道安全服役有重要影響。

對于體積型缺陷的評價，最常用的方法是基于彈塑性強度理論、斷裂力學理論以及試驗修正的半理論半經驗公式[1,2]。其基本原理為：體積型缺陷的主要影響是減弱了鋼管承載能力，改變原有完整鋼管的受力分布情況。承載能力的減弱可通過彈塑性強度理論或者斷裂力學理論得到計算式，并用鼓脹因子的系數來表示，該因子代表鋼管幾何形狀及材料缺失對承壓能力的影響。隨著斷裂力學、塑性力學、金屬疲勞、無損檢測、計算機等學科的發展和應用，目前已有較多的管道體積型缺陷剩余強度評價方法。這些方法主要以NG- 18公式為基礎，只是流變應力取值、缺陷形狀的表述(鼓脹修正因子)不同。除了半理論半經驗公式方法，另一種評價方法是基于有限元的數值計算方法，該方法由于需要精細建模，耗費時間精力較多，通常用在重要缺陷的評價中，相關標準都將有限元數值方法作為最后一個級別的評價方法。

現階段體積型缺陷評價標準主要有：ASME B31G-2012《腐蝕管道剩余強度手冊》[3]、API579-1-2007《服役適用性評價》[4]、BS7910-2013《金屬結構內可接受缺陷的評價指南》[5]等，國內主要評價方法有GB/T 19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評價》[6]、SY/T6151-2009 《鋼質管道鋼體腐蝕損傷評價方法》[7]、SY/T6477-2014《含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》[8]。由于缺陷評價事關管道安全運行，因此在應用標準進行含缺陷油氣管道安全評價時，必須充分考慮標準的限制條件和適用性。在體積型缺陷標準對比方面，楊緒運[9]、陳福來[10]、郭淑娟[11]等進行了研究，但均未從適用范圍、限制性使用條件等方面對比標準的優缺點。

1　標準適用范圍與限制條件

ASME B31G由ASME(美國機械工程師協會)發布，最新版本為2012版。API 579-1由API(美國石油學會)和ASME共同發布，最新版本為2007版。BS7910由英國標準研究所發布，最新版本為2013版。GB/T 19624由國家質監總局和國家標準化委員會共同發布，最新版本為2004版。SY/T 6151由國家能源局發布，最新版本為2009版。SY/T 6477由國家能源局發布，最新版本為2014版。6項標準均屬于推薦性標準。

1.1適用范圍

ASME B31G-2012適用范圍：1)地下、地上以及近海管道的金屬損失。2)內外腐蝕引起的金屬損失。3)磨損引起的金屬損失，但管道表面不能有力學損傷、裂紋、弧坑、制造缺陷等其他缺陷。4)現場彎管、工廠熱煨彎管、彎頭上的金屬損失。5)恰好位于直焊縫、電阻焊縫或環焊縫上的金屬損失(意味著腐蝕沒有選擇性發生在焊縫上)，且管道質量完好、韌性、制造缺陷與金屬損失較遠，沒有相互干擾。6)任何深度的金屬損失，但超過壁厚80%時，需認真考慮測量精度以及腐蝕速率。7)新管制造允許的金屬損失。8)發生金屬損失的管材是韌性的。9)壓力、溫度均在設計要求之內。10)內壓是主要應力來源。

API 579-1-2007適用范圍：1)原始設計是按公認的規范或標準進行的。2)構件不在蠕變區工作，工作溫度符合設計要求。3)材料損失區域有相當的光滑輪廓，不應有切口形缺陷(大的應力集中)。4)構件不承受循環載荷(未來服役環境小于150次循環)。5)沒有裂紋。

BS7910-2013適用范圍：1)局部腐蝕。2)韌性材料。3)管道直徑壁厚比超過10(薄壁管)。4)管道、彎頭、承受環向應力或軸向應力。5)位于母材或焊縫上的內外腐蝕。6)沖蝕或金屬損失。7)如果在焊縫上，則要求焊縫沒有焊接缺陷，不能與母材低匹配，脆斷不大可能發生。

GB/T 19624-2004適用范圍：1)在用鋼制含超標缺陷壓力容器的安全評價。包括斷裂與塑性失效評價和疲勞失效評價。2)體積型缺陷：包括凹坑、氣孔、夾渣、深度小于1 mm的咬邊等。

SY/T 6151-2009適用范圍：1)在役含腐蝕損傷管道的評價。2)適用于鈍性的、低應力集中的腐蝕損傷的碳鋼和低合金鋼管道。3)管道鈍性機械損傷可參考本標準進行。

SY/T 6477-2014適用范圍：1)含缺陷油氣輸送管剩余強度評價。2)管道原設計標準與GB50251或GB50253一致。3)內外腐蝕、管體金屬損失類缺陷。4)管道表面不含裂紋、機械損傷、制造缺陷或其他缺陷。5)缺陷的深度不超過管道公稱壁厚的80%。6)管道材料是韌性的。7)管道運行溫度處于標準控制溫度范圍內。8)內壓時管道的主要載荷。

1.2在油氣管道應用上的限制

ASME B31G-2012：不適用于以下情況：1)裂紋型缺陷或機械損傷沒有被徹底打磨光滑。2)金屬損失發生在超過6%的凹陷之中。3)溝槽腐蝕、選擇性腐蝕、優先腐蝕不發生在鋼管焊縫或環焊縫上。4)除了彎管和彎頭外的其他管件。5)鋼管是脆性的。6)鋼管服役溫度超標或在蠕變溫度范圍內服役。

API 579-1-2007：不適用于以下情況：1)與主要結構不連續處。2)承受較大附加載荷。3)工作溫度處于蠕變范圍內的構件。4)循環載荷服役下的構件。

BS7910-2013：不適用于以下情況：1)最小要求屈服強度高于555 MPa(X80及以下適用)，屈強比超過0.93。2)存在外部超壓。3)疲勞載荷。4)尖銳缺陷。5)局部金屬損失與裂紋共同存在。6)局部金屬損失與機械損傷共同存在。7)機械損傷導致的金屬損失(如溝槽)。8)焊接缺陷。9)環境原因致開裂。10)金屬損失深度超過80%原壁厚。11)存在應力集中區域的金屬損失，如角焊縫等。12)機械連接地方的金屬損失。

GB/T 19624-2004適用于以下情況：1)鍋爐和管道在進行安全評價時可參照本標準進行。2)壁厚半徑比小于0.18，直管段要求外半徑內半徑之比小于1.4。3)材料韌性滿足設計要求，無劣化。4)缺陷深度不得大于60%t(直管段為70%t)，且剩余壁厚不得小于2 mm。5)缺陷長度不得超過2.8(Rt)0.5。6)缺陷寬度不小于缺陷深度的6倍。其中R表示管道半徑，t表示管道壁厚。

SY/T 6151-2009：1)不能用于安裝之前或安裝過程中鋼管的腐蝕評價，或焊縫及熱影響區存在較嚴重缺陷鋼管的評價。2)只適用于管道承受內壓情況，當管道存在較大附加應力時，則應另行考慮。

SY/T 6477-2014：不適用于以下情況：1)管道上的裂紋型缺陷或機械表面損傷未能打磨光滑。2)管道環向變形引起的管徑變化超過6%。3)處于鋼管焊縫或環焊縫上的縫隙腐蝕、選擇性腐蝕。4)管道材料是脆性的。5)管道運行溫度超過標準控制或者處于蠕變溫度范圍。

2　標準評價準則與關鍵參數取值

2.1評價級別

ASME B31G-2012：剩余強度評價級別為4級。

API 579-1-2007：均勻腐蝕和局部腐蝕剩余強度評價級別都為3級。

BS7910-2013：剩余強度評價級別為1級。

GB/T 19624-2004：剩余強度評價級別為1級。

SY/T 6151-2009：剩余強度評價級別為2級。

SY/T 6477-2014：均勻腐蝕和局部腐蝕剩余強度評價級別都為2級。

2.2基本準則

6項評價標準試驗評價時所遵循的基本準則如下：

ASME B31G-2012：缺陷處環向應力是否大于流變應力。

API 579-1-2007：均勻腐蝕：均值壁厚及最小壁厚是否大于要求值；局部腐蝕：缺陷處環向應力及軸向應力是否大于屈服強度。

BS7910-2013：1)對于常規體積型缺陷，以塑性崩潰是否會發生為判斷失效條件，以失效評估圖中橫坐標載荷比是否大于臨界值為判斷依據，相當于只以雙判據失效評估圖(FAD)中橫坐標是否達到臨界值評價體積型缺陷是否安全；2)對于氣孔、夾渣、咬邊有直接方法。

GB/T 19624-2004：1)對于凹坑缺陷：以最高工作壓力是否大于臨界壓力為判據。2)對于氣孔缺陷，以氣孔率和單個氣孔尺寸為判斷依據。3)對于夾渣缺陷，以夾渣尺寸為判據。

SY/T 6151-2009：缺陷尺寸評價法以及最大應力評價法(以流變應力為臨界值)；

SY/T 6477-2014：同API 579-1。

2.3安全因子取值推薦

6項評價標準試驗評價時安全因子取值推薦如下：

ASME B31G-2012：建議與水壓試驗壓力與設計壓力的比值，但不小于1.25。

API 579-1-2007：均勻腐蝕：無。局部腐蝕：缺陷處管道設計系數的倒數。

BS7910-2013：缺陷處管道設計系數倒數。

GB/T 19624-2004：按失效后果分，缺陷尺寸、應力需要考慮安全因子，取值范圍1.0～1.5。

SY/T 6151-2009：按缺陷尺寸評價時不考慮安全系數；按最大應力評價時考慮安全因子為缺陷處管道設計系數倒數。

SY/T 6477-2014：均勻腐蝕：無。局部腐蝕：缺陷處管道設計系數與焊縫系數乘積的倒數。

2.4流變應力取值推薦

6項評價標準試驗評價時流變應力取值推薦如下：

ASME B31G：根據情況取1.1σs或σf=σs+69或σf=(σs+σb)/2。

API 579-1：無流變應力項。

BS7910：σf=(σs+σb)/2

GB/T 19624：非焊縫區為σs；焊縫區為屈服強度與焊縫系數之乘積。

SY/T 6151：σs+69.5

SY/T 6477：無流變應力項。

其中，σs表示管道材料的屈服強度，σf表示流變應力，σb表示抗拉強度。

2.5基于公開試驗數據的評價結果對比

文獻[12]采用63組試驗數據，分析了傳統B31G(AMSE B31G-2012 第1級評價中的方法a)、修正B31G (AMSE B31G-2012 第1級評價中的方法b)、API 579、BS7910和PCORRC方法的準確性，認為針對低鋼級鋼管的失效壓力預測，API 579-1的計算方法更加準確、安全，更適用于工程。修正B31G計算方法的準確性僅次于API 579-1，但計算結果較API 579-1偏于危險。其余3種計算方法也都偏于危險，計算結果不如API 579-1和B31G準確。針對高鋼級鋼管，B31G的兩種計算方法均較為準確、安全可靠，而API 579-1略偏于保守。BS7910和PCORRC則顯得計算結果分散性較大，不如前三種方法準確。

3　對比分析

從適用性看，6個標準均可用于鋼管及焊縫體積型缺陷的評價，其中AMSE B31G-2012明確說明可用于彎頭、彎管缺陷的評價。6個標準的通用限制條件為：要求管道材料是韌性的；不存在疲勞環境；服役溫度滿足設計要求；不能用于應力集中區(如角焊縫、機械連接處)缺陷的評價；要求缺陷不是尖銳缺陷。除GBT19624-2004外，其余標準要求不存在較大附加載荷。當體積型缺陷與凹陷復合時，AMSE B31G-2012和SY/T 6477-2014明確要求凹陷不得超過6%管徑。

部分標準存在特殊的限制要求，如BS7910-2013要求焊縫不得低匹配，屈強比不得高于0.93,焊接缺陷不能評價。SY/T 6151-2009不能用于安裝之前或安裝過程中鋼管的腐蝕評價。GB/T 19624-2004要求管道的壁厚半徑比小于0.18，由此不能用于小口徑厚壁管的評價；缺陷深度不得大于0.6 t(直管段為0.7 t)，而其余標準的限制條件為0.8 t；對缺陷長度和寬度也有明確要求，不能用于長缺陷或者窄缺陷的評價。

對于3個國外標準，在原理上，ASME B31G-2012和API 579-1-2007相同，均以NG- 18公式為基礎，而BS7910-2013則采用了裂紋型缺陷失效評估圖的思想，以失效評估圖的橫坐標載荷比來衡量缺陷是否安全。雖然該方法本質上仍是以應力是否達到臨界值作為判據，但在載荷比計算時與前兩者完全不同。其重要突破在于體積型缺陷和裂紋型缺陷均可用失效評估圖評價，使得兩類典型缺陷的剩余強度評價有統一的可能。需要注意的是，文獻[12]認為BS7910準確性不如API579-1和ASME B 31G，但該文獻使用的是BS7910-2005版，其體積型缺陷評價方法附錄M與2013版完全不同，2005版評價方法基于NG-18公式，更接近于ASME B31G-2012的評價方法。因此，不能說明2013版BS7910準確性低于前兩個標準。

對于3個國內標準，分析其評價公式可知，SY/T 6151-2009采用了ASME B31G-2012的評估公式，但多了一種直接根據缺陷尺寸(包括深度、軸向長度、環向長度)的分級方法，該方法可簡單有效地給出缺陷的危害程度。SY/T 6477-2014采用了 API 579-1-2007的評估公式。GB/T 19624-2004采用了“八五”重點科技攻關項目研究成果，認為體積型缺陷對承載能力的減弱主要受無因次深度d/t和無因次長度L/(Rt)0.5影響(其中d表示缺陷深度，L表示缺陷軸向半長度)，由此擬合了基于極限承載能力的缺陷評價公式，并沒有采用鼓脹因子。該標準對于存在較大拉、彎等附加載荷情況時，也可使用，而其余標準則主要考慮內壓因素，要求不能有較大附加載荷。

綜上適用范圍、限制條件以及試驗對比數據，對于典型體積型缺陷的評價，本文認為3個國外標準優選的次序為：ASME B31G-2012、API579-1-2007、BS7910-2013。3個國內標準的優選次序為SY/T 6151-2009、SY/T 6477-2014、GB/T 19624-2004。

對于焊接氣孔、夾渣缺陷，GBT19624-2004和BS7910-2013可進行基于缺陷尺寸的直接評價方法，而其他標準沒有。因此遇到此類缺陷，可首先根據缺陷尺寸依據GBT19624-2004或BS7910-2013直接評價，在評價通不過的情況下，將缺陷視為體積型或裂紋型缺陷，選擇相應標準進行評價。

對于咬邊缺陷，只有BS7910-2013能進行基于尺寸的評價，在評價不能通過情況下，可按裂紋型缺陷選擇相應標準進行評價。

4　結　論

1)6個標準均可對鋼管、焊縫體積型缺陷進行剩余強度評價。

2)標準通用的限制條件為：要求管道材料是韌性的，不存在疲勞環境，服役溫度滿足設計要求，不能用于應力集中區(如角焊縫、機械連接處)缺陷的評價，缺陷不是尖銳缺陷。

3)BS7910-2013以失效評估圖橫坐標是否達到臨界值作為評判準則，使得裂紋型缺陷和體積型缺陷評價有了統一的可能。該標準明確規定評價時鋼級不得超過X80，屈強比不大于0.93。

4)典型體積型缺陷的評價，本文認為3個國外標準優選的次序為：ASME B31G-2012、API 579-1-2007、BS7910-2013。3個國內標準的優選次序為SY/T 6151-2009、SY/T 6477-2014、GB/T 19624-2004。當存在較大的拉、彎等附加載荷時，可使用GB/T 19624-2004進行評價。

5)對于焊縫氣孔、夾渣、咬邊缺陷基于尺寸的直接評價方法，可使用BS 7910-2013或GB/T 19624-2004。尺寸直接評價通不過情況下，可按裂紋型缺陷選擇相應標準進行評價。

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Comparative Study on Standards of Volume Flaw Remaining Strength Assessment for Oil & Gas Transmission Pipeline

ZHANG Yi1, GAO Fuchao2, YANG Fengping1,3, WANG Qin2, ZHANG Liang1,3,WANG Ke1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China;2.PetroChinaWestPipelineCompany,Urumqi,Xinjiang830012,China;3.Xi′anTri-circleTechnologyDevelopmentCorporation,Xi′an,Shaanxi710077,China)

Six remaining strength assessment standards for volume flaw were compared in aspects of application range, limit condition, basic evaluation criteria, key parameters selection and public test data. It is found that failure stress assessment method is adopted by ASME B31G-2012、API 579-1-2007、SY/T 6477-2014 and SY/T 6151-2009, GB/T 19624-2004 is based on limit load, but no Fourier factor, and horizontal axis of FAD is used as assessment criterion by BS 7910-2013. In application scope, all the six standards can be used in pipe and weld. The general limitations of these standards are: ductile material of pipe, absence of fatigue, temperature in design scope, no stress concentration and not sharp flaw. For pore, slag inclusion or undercut assessment based on their size, BS 7910-2013 or GB/T 19624-2004 can be used. For typical volume flaw assessment, the recommended standards choosed sequence is: for the foreign standards ASME B31G -2012、API 579-1-2007、BS7910-2013, for the domestic standards SY/T 6151-2009、SY/T 6477-2014、GB/T 19624-2004.

oil &gas transmission pipeline； volume flaw；remaining strength assessment；standard

張奕，女，1983年生，工程師，2012年畢業于西安石油大學材料工程專業，工程碩士，主要從事實驗室、檢驗機構認可體系管理及石油管道安全風險控制。E-mail：zhangyi008@cnpc.com.cn

TE832

A

2096-0077(2016)04-0030-05

2016-04-14編輯：葛明君)