海上管道內(nèi)檢測(cè)缺陷的剩余強(qiáng)度分析

侯少星

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院上海壓力管道智能檢測(cè)工程技術(shù)中心（上海200941）

1 管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)概述

迄今為止，我國(guó)大多數(shù)管道的運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)約20年[1]。隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增加，管道所面臨的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，使用精確的內(nèi)檢測(cè)技術(shù)可以更好地預(yù)判這些缺陷，預(yù)防管道失效。

管道內(nèi)檢測(cè)器在管道中行走的原理和清管器相似，但是內(nèi)檢測(cè)器上配備的探頭會(huì)在管道內(nèi)行走的過程中緊貼管壁并采集管壁數(shù)據(jù)，同時(shí)存儲(chǔ)到檢測(cè)器的數(shù)據(jù)會(huì)記錄在設(shè)備中，最后在檢測(cè)結(jié)束后將數(shù)據(jù)下載下來交由數(shù)據(jù)分析人員進(jìn)行分析并生成管道檢測(cè)報(bào)告，內(nèi)容包括金屬損失、閥門等特征。通過檢測(cè)器自帶的里程輪記錄管道缺陷的具體位置，為業(yè)主管道的完整性管理提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料。

管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)主要有基于漏磁原理和超聲波原理的檢測(cè)器。漏磁內(nèi)檢測(cè)器最初在1960年代由美國(guó)Tubescope公司提出并應(yīng)用，最初的內(nèi)檢測(cè)器只能進(jìn)行缺陷的定性識(shí)別；1970年代由英國(guó)天然氣公司（British Gas）采用漏磁法，并且引用了定量分析方法，對(duì)旗下天然氣管道的管道壁腐蝕減薄狀況進(jìn)行了在線檢測(cè)[2]。基于超聲波無損檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)檢測(cè)器在1990年代由德國(guó)Pipetronix公司推出并應(yīng)用，其檢測(cè)器自身具有超聲波探頭，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道壁厚和缺陷的定量測(cè)量。

2 超聲波內(nèi)檢測(cè)器概述

使用超聲波無損檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)檢測(cè)器檢測(cè)油氣管道，可以提供精確的管道數(shù)據(jù)。檢測(cè)器在油氣管道中的運(yùn)行，使用超聲波無損檢測(cè)技術(shù)掃查管壁并且采集管壁數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)分析得到管壁的缺陷數(shù)據(jù)，超聲波內(nèi)檢測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量測(cè)量，并且精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過漏磁內(nèi)檢測(cè)器的檢測(cè)精度。

超聲波內(nèi)檢測(cè)器主要由驅(qū)動(dòng)模塊、電池模塊、里程輪模塊、電子記錄模塊和探頭模塊組成。超聲波探頭以及數(shù)據(jù)記載儀由電池塊供電，發(fā)射和接收超聲波掃查管壁，將探頭采集的管壁數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)記載儀中，待接收檢測(cè)器后，再由技術(shù)人員下載其中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析[3]。

超聲波內(nèi)檢測(cè)器的技術(shù)原理：通過儀器自帶的超聲波探頭對(duì)管壁發(fā)出超聲波，超聲波通過管道內(nèi)的耦合介質(zhì)（原油、汽油等液體介質(zhì)），根據(jù)超聲波對(duì)管道內(nèi)壁和管道外壁的回彈接收時(shí)間差，得到管道的壁厚數(shù)據(jù)和金屬損失數(shù)據(jù)[4]。

為了滿足業(yè)主日益嚴(yán)格的完整性管理規(guī)范，超聲波技術(shù)使用的范圍日趨增多。但并不是所有的技術(shù)都是完美的，與使用漏磁技術(shù)的內(nèi)檢測(cè)器對(duì)比，在管道介質(zhì)的適應(yīng)性上，超聲波內(nèi)檢測(cè)器存在一定的限制。由于使用超聲波探頭發(fā)射和接收超聲波數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的超聲波探頭只能通過液體耦合發(fā)射和接收超聲波，由此只能在充滿液體的管道中運(yùn)行，對(duì)于天然氣管道中的超聲波內(nèi)檢測(cè)，通過將液體和超聲波內(nèi)檢測(cè)器密封在前后清管器之間，從而實(shí)現(xiàn)在氣體管線中進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)。

3 某管道超聲波內(nèi)檢測(cè)缺陷的剩余強(qiáng)度計(jì)算

筆者于2014年對(duì)中國(guó)某海上石油管道進(jìn)行了超聲波內(nèi)檢測(cè)，這條管道自2008年建成后，便一直注緩蝕劑封存至2014年，由于業(yè)主不了解期間管道確切的金屬損失情況，亟需精確的檢測(cè)技術(shù)來對(duì)這條管道進(jìn)行檢測(cè)。采用超聲波內(nèi)檢測(cè)技術(shù)超高的精確度，為這條管道進(jìn)行了內(nèi)檢測(cè)。管道的敷設(shè)時(shí)間較長(zhǎng)，通過超聲波內(nèi)檢測(cè)器，共計(jì)發(fā)現(xiàn)了多達(dá)200處的金屬損失異常，由此引發(fā)了業(yè)主的關(guān)注和考量。對(duì)部分嚴(yán)重的金屬損失缺陷通過不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力分析，從而保守地得出管道的安全壓力，確保管道的安全運(yùn)行。

3.1 管道概況

在管道的安全壓力計(jì)算中，壁厚和管材等級(jí)是其中2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（表1）。

表1 管道概況

3.2 管道缺陷剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法介紹

對(duì)于驗(yàn)證和預(yù)測(cè)帶有金屬損失管道的剩余強(qiáng)度，有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用以評(píng)價(jià)管道的剩余強(qiáng)度。為了防止管道的不恰當(dāng)使用，通常使用如下3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：ASME B31G—2009、RSTRENG 0.85dL和DNV-RPF101標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.1 ASME B31G—2009評(píng)價(jià)方法

ASME B31G評(píng)價(jià)方法是由美國(guó)Battelle研究所在1971年基于大量的全尺寸爆破試驗(yàn)得出的方法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式也經(jīng)過多年的完善，主要根據(jù)缺陷的長(zhǎng)度和深度來推算管道的剩余強(qiáng)度[5]，缺陷輪廓模擬如圖1所示。

在ASME B31G—2009標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于缺陷的分類主要根據(jù)L2/Dt的值。如果L2/Dt＜50，屬于短缺陷；如果L2/Dt＞50，則屬于長(zhǎng)缺陷。2種類型的缺陷使用不同的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

圖1 缺陷輪廓模擬圖

對(duì)于以上2種缺陷，F(xiàn)olias系數(shù)M的計(jì)算公式不同，如公式（1）、公式（2）所示：

①對(duì)于短缺陷，即L2/Dt＜50：

②對(duì)于長(zhǎng)缺陷，即L2/Dt＞50：

運(yùn)行壓力σflow計(jì)算如公式（3）所示：

管道安全壓力的計(jì)算如公式（4）所示：

式中：D為管道的外徑，mm；t為管壁厚度，mm；L為缺陷長(zhǎng)度，mm；d為缺陷深度，mm；M為Folias系數(shù)；σflow為運(yùn)行壓力，MPa;SMYS為最小屈服強(qiáng)度，MPa。

3.2.2 RSTRENG 0.85dL評(píng)價(jià)方法

相對(duì)于ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)的保守性，RSTRENG 0.85dL方法對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。RSTRENG0.85dL方法使用0.85dL作為缺陷的面積[5]，缺陷深度模擬如圖2所示，其中Ac表示此處缺陷的實(shí)際面積，mm2，Ac0表示缺陷處管壁的剩余面積，mm2。相對(duì)于ASME B31G評(píng)價(jià)方法，RSTRENG 0.85dL方法對(duì)公式（3）作了改進(jìn)，如公式（5）所示，其余計(jì)算公式與ASME B31G相同。

3.2.3 DNV-RP-F101評(píng)價(jià)方法

挪威船級(jí)社在基于大量的試驗(yàn)和有限元分析后，歸納了一種剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法[6]。對(duì)于普通的獨(dú)立缺陷，安全壓力P為：

式中：UTS為最大抗拉強(qiáng)度，MPa；Q為長(zhǎng)度修復(fù)系數(shù)。

圖2 缺陷深度模擬圖

3.3 管道缺陷剩余強(qiáng)度計(jì)算

通過超聲波內(nèi)檢測(cè)器的檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 超聲波內(nèi)檢測(cè)器的檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)業(yè)主方提供的管線資料，這條管道的材質(zhì)為符合API 5L標(biāo)準(zhǔn)的管線鋼，材料等級(jí)為X60，經(jīng)查API 5L得到X60管線鋼的最小屈服強(qiáng)度為415 MPa，抗拉強(qiáng)度為520 MPa。根據(jù)上述3個(gè)管道金屬損失缺陷剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法，在計(jì)算剩余強(qiáng)度時(shí)需要用到最小屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度二值。所以用以計(jì)算管道剩余強(qiáng)度所需要的參數(shù)和缺陷參數(shù)為：SMYS=415 MPa；UTS=520 MPa；D=323 mm；d=2.9 mm；L=8 mm；t=9.3 mm。

3.3.1 基于ASME B31G—2009計(jì)算方法

檢測(cè)得到的管道缺陷參數(shù)，L2/Dt=0.021 31＜50，故屬于短缺陷。根據(jù)公式（1）計(jì)算：M=1.006 663；根據(jù)公式（3）計(jì)算：σflow=456.5 MPa；則管道安全壓力根據(jù)公式（4）計(jì)算得：P=26.223 8 MPa。

3.3.2 基于RSTRENG 0.85dL計(jì)算方法

L2/Dt=0.02131＜50，故屬于短缺陷。根據(jù)公式（1）計(jì)算：M=1.006 663；根據(jù)公式（5）計(jì)算：σflow=484 MPa；則管道安全壓力根據(jù)公式（4）計(jì)算得：P=27.903 1 MPa。

3.3.3 基于DNV-RP-F101計(jì)算方法

根據(jù)公式（7）得到的管道長(zhǎng)度修復(fù)系數(shù)Q=1.003 297。則安全壓力根據(jù)公式（6）計(jì)算，其中UTS=520；則P=30.787 3 MPa。

3.3.4 不同評(píng)價(jià)方法計(jì)算的剩余強(qiáng)度

基于不同的評(píng)價(jià)方法，對(duì)于此缺陷計(jì)算得到的管道剩余強(qiáng)度見表2，其中ERF（Estimated Repair Factor）為估計(jì)修復(fù)因子[7]，是最大允許運(yùn)行壓力與通過金屬損失評(píng)價(jià)方法得出的安全運(yùn)行壓力比值：

式中：MAOP為管道最大允許運(yùn)行壓力，即9.3MPa；P為通過金屬損失評(píng)價(jià)方法計(jì)算出的安全運(yùn)行壓力，MPa。

表2 不同評(píng)價(jià)方法剩余強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果

4 不同標(biāo)準(zhǔn)的管道剩余強(qiáng)度分析

通過不同標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的管道剩余強(qiáng)度中：ASME B31G—2009計(jì)算方法的結(jié)果最為保守，RSTRENG 0.85dL的計(jì)算方法的結(jié)果居中，DNVRP-F101計(jì)算方法得到的結(jié)果最為積極。同樣，ERF值中，DNV-RP-F101計(jì)算方法得到的ERF值最低。由于管道的最大可允許操作壓力為9.3 MPa，計(jì)算結(jié)果說明這條管道存在最嚴(yán)重的缺陷，暫時(shí)未影響到管道的安全。同時(shí)，基于不同的管線條件，出于安全考慮，應(yīng)該使用不同的標(biāo)準(zhǔn)，將管道安全壓力計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表3所示[8]。

由表3可知，對(duì)于這條管道來說，管線強(qiáng)度為X60鋼，應(yīng)適宜使用DNV標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷進(jìn)行剩余強(qiáng)度計(jì)算，但由于是海管且運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，基于安全考慮，ASME B31G—2009的結(jié)果最為保守。綜上，對(duì)于這條管線的完整性管理來說，在高危險(xiǎn)區(qū)域如立管段適宜使用ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剩余強(qiáng)度計(jì)算；在低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域可使用DNV標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。且需要進(jìn)行定期內(nèi)檢測(cè)采集數(shù)據(jù)觀察金屬損失的變化，監(jiān)測(cè)管道的情況，保障管道的安全運(yùn)行。

表3 3種評(píng)價(jià)方法結(jié)果對(duì)比