靖邊氣田集氣站工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)研究

張剛剛，宏巖，白金亮，劉峰

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西西安710018）

靖邊氣田集氣站工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)研究

張剛剛，宏巖，白金亮，劉峰

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西西安710018）

介紹了ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC 3種常用管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法，并對(duì)3種評(píng)價(jià)方法的安全準(zhǔn)則等項(xiàng)目進(jìn)行了比較分析。以靖邊氣田集氣站天然氣工藝管道為研究對(duì)象，選用ASME B31G作為工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)含彎頭、三通的工藝管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)并通過(guò)靜水壓爆破試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，認(rèn)為ASME B31G評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可適用于集氣站工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)。在評(píng)價(jià)中建議采用基于修正后的最小屈服強(qiáng)度的流變應(yīng)力為安全準(zhǔn)則，同時(shí)對(duì)集氣站工藝管道的安全系數(shù)按照不同直徑分別評(píng)價(jià)。

工藝管道；剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)；安全準(zhǔn)則；失效強(qiáng)度；流變應(yīng)力

管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)是管道完整性評(píng)價(jià)的重要組成部分，對(duì)管道開展剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)可以有效地減少甚至避免管道失效的發(fā)生。從20世紀(jì)60年代末開始，世界各國(guó)一直在進(jìn)行腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方面的研究，頒布了許多相關(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，如ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC方法；但這些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均是針對(duì)長(zhǎng)輸管線、集輸管道而定，沒(méi)有一個(gè)適用于站內(nèi)工藝管道的管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)天然氣集氣站工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)進(jìn)行研究有著重要的意義。

1 靖邊氣田簡(jiǎn)介

靖邊氣田開發(fā)建設(shè)工程是“九五”期間國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)工程，是中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司重要的天然氣生產(chǎn)區(qū)塊。從1997年靖邊氣田進(jìn)入規(guī)模化開發(fā)至今，已建成集氣站100余座，天然氣生產(chǎn)能力達(dá)85×108m3/a，為西安、銀川、京津冀等地區(qū)天然氣供應(yīng)提供了穩(wěn)定可靠的氣源。靖邊氣田集氣站工藝管道絕大部分使用20#無(wú)縫鋼管，由于造價(jià)和工藝問(wèn)題，管道未進(jìn)行內(nèi)防腐處理。研究資料表明，氣田管道的內(nèi)壁腐蝕問(wèn)題主要與濕的H2S、CO2介質(zhì)有關(guān)。靖邊氣田天然氣中H2S含量平均值在1 051 mg/m3,最高3 558.97 mg/m3,CO2含量平均5.0%,CO2與H2S比值在90～160之間。

為了確保靖邊氣田安全平穩(wěn)運(yùn)行，及時(shí)消除安全隱患，天然氣生產(chǎn)單位針對(duì)早期投運(yùn)的集氣站工藝管道，每年定期開展工藝管道壁厚測(cè)量監(jiān)測(cè)評(píng)估，對(duì)壁厚減薄嚴(yán)重的個(gè)別集氣站工藝管段進(jìn)行了維修改造，但在維修改造時(shí)主要依靠日常生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)安排維修改造生產(chǎn)任務(wù)，尚未形成科學(xué)完整的工藝管道評(píng)價(jià)方法。因此，開展集氣站工藝管道剩余強(qiáng)度研究，可為靖邊氣田開展維護(hù)改造精細(xì)管理、提質(zhì)增效提供可靠的技術(shù)支撐。

2 常用管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)介

2.1 ASME B31G評(píng)價(jià)方法

ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)（腐蝕管線剩余強(qiáng)度的簡(jiǎn)明評(píng)價(jià)方法）是由美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)在NG-18表面缺陷公式的基礎(chǔ)上，于1984年頒布的（ASME B31G-1984），用于含體積型缺陷的腐蝕管線的安全評(píng)定。該標(biāo)準(zhǔn)是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的半經(jīng)驗(yàn)公式，由于其方法簡(jiǎn)單易行，考慮到大的安全裕度，多為從事管線設(shè)計(jì)的工作者所采用，是目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。然而在使用中發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于保守，繼最初的ASME B31G—1984版在1991年進(jìn)行了一次修改，2009年美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)對(duì)其進(jìn)行了修正，發(fā)展為ASME B31G—2009分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)新版ASME B31G—2009管道剩余強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性分析，認(rèn)為2009版標(biāo)準(zhǔn)延續(xù)并完善了原始的ASME B31G評(píng)價(jià)方法，其最大的變化是采用分級(jí)評(píng)價(jià)的理念，由保守到精確，由粗略到精細(xì)，層層深入。評(píng)價(jià)共分為4個(gè)等級(jí)，各個(gè)等級(jí)之間不是孤立存在的而是按照實(shí)際操作的難易程度、評(píng)價(jià)結(jié)果的精確性和保守性而制定的由初級(jí)到高級(jí)的評(píng)價(jià)原則。這有利于評(píng)價(jià)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作難易程度、資料詳細(xì)程度以及評(píng)價(jià)精度等要求進(jìn)行評(píng)定。

所采用的ASME B31G—1991評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與ASME B31G—2009評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)零級(jí)評(píng)價(jià)是相同的。

2.2 DNV RP-F101標(biāo)準(zhǔn)

1999年，由英國(guó)燃?xì)夤?BG)和挪威船級(jí)社(DNV)合作開發(fā)了DNV RP-F101標(biāo)準(zhǔn)[4]。該標(biāo)準(zhǔn)不但考慮了內(nèi)壓，而且還考慮了管線所受的軸向和彎曲載荷。它提供了2種腐蝕缺陷評(píng)價(jià)方法：一是分項(xiàng)安全系數(shù)法，安全準(zhǔn)則是根據(jù)DNV近海標(biāo)準(zhǔn)OSF101和海底管線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定，該方法使用了概率修正方程—分項(xiàng)安全系數(shù)來(lái)確定腐蝕管線的許用操作壓力；二是許用應(yīng)力法，根據(jù)許用應(yīng)力設(shè)計(jì)(ASD)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算腐蝕缺陷的失效壓力后再乘以管線的強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)。對(duì)于缺陷尺寸的不確定性，需要計(jì)算者自行判斷。

2.3 PCORRC方法

PCORRC方法是近期開發(fā)的用于評(píng)價(jià)含鈍口腐蝕缺陷的中高強(qiáng)度等級(jí)管線由塑性失穩(wěn)導(dǎo)致失效的剩余強(qiáng)度[5]。雖然該方法開發(fā)的時(shí)間較短，但在改善評(píng)價(jià)方法的保守性方面表現(xiàn)出了優(yōu)越性。此方法認(rèn)為管子的失效由極限拉伸強(qiáng)度決定，而不是屈服強(qiáng)度或流變應(yīng)力。

2.4 幾種方法特點(diǎn)研究

對(duì)上述3種常用剩余強(qiáng)度方法進(jìn)行比較，見表1。

表1 常見標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用比較

靖邊氣田天然氣集氣站站內(nèi)工藝管道主要以20#鋼為主（部分新建、改擴(kuò)建采用L245鋼），設(shè)計(jì)壓力一般為6.4MPa，從材料的適用范圍及安全準(zhǔn)則來(lái)說(shuō)，ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)更適用于站內(nèi)工藝管道安全評(píng)價(jià)，因此本文將采用ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行天然氣工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)。

3 站內(nèi)工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)

與長(zhǎng)輸管道及集輸管道相比較，站內(nèi)工藝管道最大的特點(diǎn)就是管道組成中含有大量的彎頭、三通、管帽、閥門、法蘭等管道附件，站內(nèi)工藝管道很少有超過(guò)10m即一根完整的直管道，因此站內(nèi)工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)不能照搬ASME B31G準(zhǔn)則，需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

3.1 管段腐蝕狀態(tài)檢測(cè)

長(zhǎng)輸管道與集輸管道在進(jìn)行管道腐蝕狀態(tài)檢測(cè)時(shí)，一般均使用超聲測(cè)厚儀對(duì)截取管道進(jìn)行取點(diǎn)測(cè)量。本研究通過(guò)對(duì)該方法與三維光學(xué)掃描技術(shù)壁厚（圖1）測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)（表2），該方法測(cè)量的壁厚僅能代表測(cè)量點(diǎn)的壁厚，反應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的腐蝕狀態(tài)，而不能全面反映取樣管段全段的腐蝕狀態(tài)，因此本研究采用三維光學(xué)掃描技術(shù)對(duì)管道壁厚進(jìn)行測(cè)量。

圖1 三維光學(xué)掃描測(cè)量管道整體腐蝕壁厚

由表2可知，采用傳統(tǒng)超聲測(cè)厚儀對(duì)管道壁厚進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，雖然檢測(cè)結(jié)果與三維光學(xué)掃描檢測(cè)結(jié)果相比大體一致，但仍存在一定的盲區(qū)，可能會(huì)漏掉腐蝕最嚴(yán)重的部位。從表2可知，誤差最大達(dá)到了6.2%，這在后期的剩余強(qiáng)度計(jì)算中可能會(huì)導(dǎo)致一定的偏差。

表2 管段壁厚測(cè)量比較

3.2 力學(xué)性能檢測(cè)

對(duì)取樣管段依據(jù)GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中采用應(yīng)變速率控制試驗(yàn)速率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)有屈服平臺(tái)的屈服強(qiáng)度取其下屈服強(qiáng)度，無(wú)明顯屈服的試樣測(cè)其規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度RP0.2，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 管材拉伸試驗(yàn)

3.3 剩余強(qiáng)度計(jì)算

采用ASME B31G—1991評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)服役18年的某集氣站工藝管道選取了2段管道（含彎頭、三通）進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，管段長(zhǎng)度等于管道公稱直徑的11倍（含管件長(zhǎng)度），并采用靜水壓爆破試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

因?yàn)楣艿篮腥ā濐^等管道附件，因此評(píng)價(jià)時(shí)將直管、彎頭、三通分開進(jìn)行計(jì)算，取最小值為管段的最終計(jì)算失效強(qiáng)度。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本研究?jī)H計(jì)算均勻腐蝕問(wèn)題，所以缺陷長(zhǎng)度統(tǒng)一取管徑的75%。

對(duì)剩余強(qiáng)度Pf計(jì)算時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)中公式（1）來(lái)進(jìn)行，

式中：Sflow為流變應(yīng)力，MPa，Sflow=1.1×SMYS，其中SMYS為最小屈服強(qiáng)度，MPa，；d為直徑，mm；t為壁厚，mm；L為缺陷長(zhǎng)度，mm；D為公稱直徑，mm；M是“Folias”系數(shù)，它是L,D和t的函數(shù)，由式（2）確定：

從表4可知，基于ASME B31G-1991標(biāo)準(zhǔn)對(duì)天然氣工藝管道開展的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果相比實(shí)際失效強(qiáng)度仍有一定的誤差，但均在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)均留有一定的安全系數(shù)。

表4 預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比

3.4 公式修正

有學(xué)者指出，引起失效壓力預(yù)測(cè)結(jié)果差異的主要因素在于流變應(yīng)力的定義，帥健、張春娥等人通過(guò)計(jì)算確認(rèn)了影響剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)結(jié)果的主要影響因素為流變應(yīng)力[6]。因此，本研究結(jié)合水壓爆破試驗(yàn)對(duì)流變應(yīng)力的4個(gè)較為常用的形式[3]進(jìn)行計(jì)算比較，其中，SMTS為規(guī)定的管材最低拉伸強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果見表5。由于在靜水壓爆破試驗(yàn)中，兩段管段都是直管段破裂，因此僅對(duì)直管段進(jìn)行了研究。

從表5可以看出，當(dāng)采用拉伸強(qiáng)度為安全準(zhǔn)則進(jìn)行天然氣工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)，1#管段計(jì)算值大于實(shí)際失效強(qiáng)度，存在偏于危險(xiǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果，因此不予考慮。當(dāng)流變應(yīng)力采用SMYS+68.95時(shí)，計(jì)算值最接近于靜水壓爆破值，因此對(duì)天然氣工藝管道剩余強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，宜采用修正后的流變應(yīng)力，計(jì)算公式見式（3）。應(yīng)該注意的是盡管修正后的評(píng)價(jià)結(jié)果已很接近于實(shí)際失效強(qiáng)度，但仍有一定的保守性。

表5 不同流變應(yīng)力修正結(jié)果對(duì)比

3.5 其他影響因素

上述研究?jī)H考慮了流變應(yīng)力對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，但在實(shí)際評(píng)價(jià)過(guò)程中Folias鼓脹因子、缺陷面積計(jì)算方法都會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響[7]，因此在天然氣工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)，需要對(duì)各方面影響因素綜合考慮，結(jié)合實(shí)際爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用適用的流變應(yīng)力、Folias鼓脹因子及缺陷面積計(jì)算方法。

3.6 安全系數(shù)

ASME B31G-2009中推薦最小安全系數(shù)等于最小水壓試驗(yàn)壓力與最大允許操作壓力或最大操作壓力比值（通常都不低于1.25），據(jù)此計(jì)算工藝管道的安全系數(shù)（表6）。

從表6可以看出，盡管受檢管段經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的服役并發(fā)生了比較嚴(yán)重的腐蝕，但仍然具有較高的剩余強(qiáng)度，相對(duì)實(shí)際使用壓力和設(shè)計(jì)壓力，均具有較高的安全系數(shù)，至少具有設(shè)計(jì)壓力5倍以上的承壓能力。但是，當(dāng)d/t＞0.8，即當(dāng)壁厚損失大于原始壁厚的80%時(shí)，認(rèn)為管線需要及時(shí)更換或維修；對(duì)d/t＝0.8時(shí)工藝管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表6。

表6 安全系數(shù)對(duì)比

從表6可以看出，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)推薦的安全系數(shù)，在工藝管道中當(dāng)壁厚損失至原始壁厚的20%時(shí)，管道的安全系數(shù)仍較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大，因此在集氣站工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)，建議采用更大的安全系數(shù)。同時(shí)，不同直徑的管道在壁厚減薄80%以后的安全系數(shù)是不同的，因此在開展集氣站工藝管道評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)按照不同直徑，分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定其最小安全系數(shù)。

4 結(jié)論及建議

1）基于管材拉伸強(qiáng)度的安全準(zhǔn)則在開展中低壓的靖邊氣田集氣站工藝管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)存在偏于危險(xiǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果，因此不適用于靖邊氣田集氣站工藝管道安全性研究。

2）采用ASME B31G—2009標(biāo)準(zhǔn)零級(jí)評(píng)價(jià)對(duì)天然氣工藝管道開展剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)是可行的，從靜水壓爆破試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看，采用修正后的流變應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測(cè)結(jié)果更加接近于實(shí)際值，但仍有一定的改進(jìn)余地。

3）在對(duì)工藝管道采用截取某代表性管段進(jìn)行評(píng)級(jí)時(shí)，采用三維光學(xué)掃描技術(shù)對(duì)管段進(jìn)行壁厚檢測(cè)，數(shù)據(jù)結(jié)果更加可靠，代表性更強(qiáng)。

4）在對(duì)集氣站工藝管道進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)，應(yīng)按照不同直徑分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定其最小安全系數(shù)。

[1]Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines：ASME B31G—1991[S].American society of Mechanical Engineers,1991.

[2]Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines：ASME B31G—2009[S].American society of Mechanical Engineers,2009.

[3]馬彬,帥健,李曉魁,等.新版ASME B31G—2009管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性分析[J].天然氣工業(yè),2011,31(8)：112-115.

[4]DNV.Recommended practice RP F 101 Corroded Pipelines [S].1999.

[5]STEPHENS D R,LEIS B N,KURRE M D,et al.Development of alternative criterion for residual strength of corrosion defects in moderate to high toughness pipe[R].Catalog No. l51794e.1999.

[6]帥健,張春娥,陳福來(lái).腐蝕管道剩余強(qiáng)度方法的對(duì)比研究[J].天然氣工業(yè),2006,26(11)：122-125.

[7]張鵬,南力團(tuán),胡明,等.壓力管道爆裂壓力模型比較研究和改進(jìn)的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2009,26(6)：785-791.

Three commonly used pipeline residual strength evaluation methods ASME B31G,DNV RP-F101 and PCORRC are briefly introduced,and the safety criteria of the three evaluation methods are comparatively analyzed.The residual strength of the natural gas pipeline with elbows and three-ways in the gas gathering stations of Jingbian gasfield was predicted according to ASME B31G,and the evaluation result was verified by hydrostatic burst test,and it is held that evaluation criteria ASME B31G can be applied to the evaluation of residual strength of the process pipeline in the gas stations.It is suggested that the flow stress based on the modified minimum yield strength should be taken as the safety criterion in the evaluation of residual strength,and the safety factors of the gas pipelines with different diameters will be evaluated respectively.

process pipeline;evaluation of residual strength;safety criterion;failure strength;flow stress

2017-05-11

張剛剛（1986-），男，工程師，主要從事產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)工作。