高鋼級油氣管道剩余強度評價方法研究

王戰輝 馬向榮 李瑞瑞

摘 ?????要：以X70、X80、X100高鋼級油氣管道為研究對象，利用ASME B31G標準、RSTRENG標準、DNV RP-F101標準、PCORRC標準、LPC-1標準、SHELL92標準六種剩余強度評價方法對其進行剩余強度預測，并與爆破壓力比較，分析不同評價方法在高鋼級油氣管道中的保守性和準確性。結果表明：對于X70和X80高鋼級油氣管道，隨著缺陷深度的增大，剩余強度呈減小的趨勢;對于X100高鋼級油氣管道，隨著缺陷長度的增加，剩余強度呈減小的趨勢;DNV RP-F101標準預測結果變化幅度小，集中性好，準確性優，最適合含腐蝕缺陷的X70、X80、X100高鋼級油氣管道的剩余強度評價。所得結論對于高鋼級油氣管道的腐蝕與防護有一定的指導意義。

關 ?鍵 ?詞：高鋼級;油氣管道;剩余強度

中圖分類號：TQ 050.9 ?????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）08-1853-05

Abstract： Taking X70， X80 and X100 high grade oil and gas pipelines as research objects， residual strength was predicted by six residual strength evaluation methods， including ASME B31G standard， RSTRENG standard， DNV RP-F101 standard， PCORRC standard， LPC-1 standard and SHELL92 standard， and then predicted results were compared with blasting pressures， predicted residual strength of high grade oil and gas pipelines with different evaluation methods was analyzed. The results show that for X70 and X80 high grade oil and gas pipelines， predicted residual strength decreased with the increase of defect depth; for X100 high grade oil and gas pipelines， predicted residual strength decreased with the increase of defect length; DNV RP-F101 standard prediction results had small variation range， good centrality， excellent accuracy， so DNV RP-F101 standard is the most appropriate for residual strength evaluation of X70， X80 and X100 high grade oil and gas pipelines containing corrosion defects. The conclusions are of guiding significance for corrosion protection of high grade oil and gas pipelines.

Key words： High grade; Oil and gas pipelines; Residual strength

21世紀，石油天然氣已經成為影響我國國民經濟高速發展的重要資源。在中國，石油天然氣資源主要儲存于西北地區，東南沿海和中部區域作為經濟發達區域，油氣資源卻相對匱乏，需要利用油氣管道進行油氣資源運輸[1]。油氣管道作為輸送原油和天然氣的主要方式，建設規模不斷擴大，其安全性和經濟性也越來越受到重視[2]。出于安全和運輸方面的考慮，油氣管道一般深埋在地下，工作環境惡劣，容易受到土壤腐蝕和電化學腐蝕等;而且，石油天然氣內部含有少量的二氧化硫與氮類氧化物，遇水易形成酸類，所有這些因素都會使管道內壁或外壁產生許多腐蝕缺陷，腐蝕缺陷會使管道壁厚減薄，局部應力提高，力學性能下降，影響油氣管道的運輸性能和承壓性能，更嚴重者，可能會造成管道泄漏，引起爆炸事故等，對人們的生命財產、環境安全造成重大損失，國家需要每年利用大量的資金進行管道的維護和改換[3]。因此，對油氣管道腐蝕與防護的研究具有很重要的經濟效益和社會效益。

管線鋼由于其自身強度高、韌性好、耐磨性優等優勢，在油氣管道運輸當中利用得越來越多[4]。因此，國內外學者對管線鋼的腐蝕防護進行了大量的研究工作，根據許用應力法對油氣管道進行剩余強度預測，并頒布了一系列剩余強度評價方法，例如ASME B31G標準、RSTRENG標準、DNV RP-F101標準、PCORRC標準、LPC-1標準、SHELL92標準等;而且，大多數研究是針對低鋼級和中鋼級進行研究，對高鋼級油氣管道研究的還比較少[5-7]。因此，筆者以X70、X80、X100高鋼級油氣管道為研究對象，首先介紹了常用的剩余強度評價方法如ASME B31G標準、RSTRENG標準、DNV RP-F101標準、PCORRC標準、LPC-1標準、SHELL92標準，其次，利用這六種剩余強度評價方法對X70、X80、X100高鋼級油氣管道進行剩余強度預測，并與爆破壓力比較，分析不同評價方法在高鋼級油氣管道中的保守性和準確性，所得結論對于高鋼級油氣管道的腐蝕與防護有一定的指導意義。

ASME B31G評估方法一般針對腐蝕缺陷深度和腐蝕缺陷長度這兩個參數進行評估，判斷管道是否發生強度失效或者斷裂，常用于服役時間比較長的低鋼級管道[8]。

1.2 ?RSTRENG標準

RSTRENG標準作為一種優選技術，主要用來預測管道剩余強度，是在傳統的ASME B31G標準上改進的，將流變應力定義為SMYS+68.9，腐蝕面積表示為0.85 dL。對剩余強度中腐蝕面積的計算更加精確，因此，相對ASME B31G，其更具經濟性和安全性。RSTRENG標準不僅可以對單個腐蝕缺陷進行剩余強度預測，也可對相互影響相互作用腐蝕群進行剩余強度預測，通用性強，進行剩余強度預測時，除了腐蝕缺陷深度和腐蝕缺陷長度這兩個參數外，還需要缺陷環向和缺陷軸向的相關數據，評價結果比ASME B31G保守性強。

1.3 ?LPC-1和SHELL92標準

同RSTRENG標準相似，LPC-1、SHELL92標準也是通過改善原來的ASME B31G標準得到的腐蝕管道剩余強度評估方法LPC-1標準是直接采用最小抗拉強度SMTS得到的流變應力，而SHELL92標準是采用0.9SMTS得到的流變應力。LPC-1和SHELL92標準針對腐蝕缺陷深度和腐蝕缺陷長度這兩個參數進行評估，可以完成不同縱向腐蝕長度的安全評價，因此，提高了材料的利用率。

1.5 ?PCORRC標準

PCORRC標準是基于對有限元方法所得數據進行擬合而得到的，該評價方法將缺陷深度和缺陷長度作為影響剩余強度計算的主要因素，而忽略缺陷寬度的影響。其剩余強度表達式為：

通過翻閱文獻，整理了X70、X80、X100三種高鋼級油氣管道的爆破實驗數據，每種高鋼級管道選取4種不同的幾何尺寸，一共12例外腐蝕缺陷油氣管道（用序號1，2，3，…，12來表示），其管道幾何尺寸和爆破壓力資料如表2所示[9，10]。

將表2中高鋼級油氣管道幾何尺寸和爆破壓力數據代入ASME B31G、LPC-1、SHELL92、DNV RP-F101、PCORRC、RSTRENG這六種剩余強度評價方法，求解其預測剩余強度，并與爆破壓力對比，其計算結果如表3所示。

不同剩余強度評價方法對X70鋼剩余強度的影響如圖1所示，可以清晰的看出，各剩余強度評價結果基本都小于實驗爆破壓力，計算結果偏小，SHELL92在缺陷深度為7.44 mm之前為最小值;從整體性出發，DNV RP-F101計算結果均小于實驗爆破壓力，安全性最好;在缺陷深度大于7.44 mm后ASME B31G、RSTRENG、LPC-1、SHELL92、PCORRC這5種剩余強度方法預測結果都超過了爆破壓力，即出現了計算結果偏大的情況;而且，在管道鋼級和缺陷長度不變的條件下，隨著缺陷深度d的不斷增大，剩余強度呈減小的趨勢，管道的安全性變得越來越差，其中計算結果變化最小的是DNV RP-F101方法，與之相比較，其他5種評估方法中，PCORRC方法變化幅度在腐蝕深度不斷變化當中相對比較小，但從整體而言，DNV RP-F101方法較之PCORRC方法更加適合含腐蝕缺陷的X70高鋼級油氣管道的剩余強度評價。

為了更準確的評價6種剩余強度評估標準，引入參數壓力比A來考察評價標準對X70高鋼級管道剩余強度預測結果的準確性：

A=實驗爆破壓力/預測剩余強度

當預測剩余強度與實驗爆破壓力一樣時，A=1;當預測剩余強度小于爆破壓力，即預測結果偏于保守時，A>1;當預測剩余強度大于爆破壓力，即預測結果偏于冒進時，A<1。

不同剩余強度評價方法對X70鋼剩余強度壓力比的影響如圖2所示。

可以清晰的看出，DNV RP-F101方法壓力比計算結果均大于1，在1.3附近變化，而且變化幅度最小，集中性最好，準確性最優;PCORRC方法集中性次之，而且在缺陷深度為7.44 mm時，壓力比小于1，預測結果偏于冒進;在極限拉伸強度σb相同的條件下，LPC-1是從ASME B31G中修正得出，預測結果集中性最差，并且在缺陷深度為7.44 mm時出現了計算結果冒進的情況;SHELL92方法、RSTRENG方法集中性比LPC-1方法、ASME B31G方法好，但是在缺陷深度為7.44 mm時出現了計算結果冒進的情況，而且DNV RP-F101方法集中性更好。因此得出在X70高鋼級管道中DNV RP-F101方法計算的剩余強度準確性最高，最能預測X70高鋼級管道的剩余強度。

2.2 ?不同評價方法對X80鋼剩余強度和壓力比的影響

不同剩余強度評價方法對X80鋼剩余強度的影響如圖3所示，可以清晰的看出，與X70鋼基本一致，各剩余強度計算結果基本都小于實驗爆破壓力，計算結果偏安全。DNV RP-F101方法計算結果均小于爆破壓力，安全性最好;在缺陷深度大于7.4 mm后，ASME B31G方法、RSTRENG方法、LPC-1方法、SHELL92方法、PCORRC方法預測結果都超過了爆破壓力，即出現了計算結果冒進的情況;而且，隨著缺陷深度d的不斷增大，計算剩余強度逐漸降低，管道的安全性變得越來越差，其中計算結果變化最小的是DNV RP-F101標準。因此DNV RP-F101方法最適合含腐蝕缺陷的X80高鋼級油氣管道的剩余強度評價。

不同剩余強度評價方法對X80鋼剩余強度壓力比的影響如圖4所示，可以清晰的看出，與X70鋼類似，DNV RP-F101方法數據集中性最好，而且壓力比均大于1，計算結果偏保守，安全性好，準確度高;其他幾種方法在缺陷深度大于7.4 mm后，壓力比小于1，即預測剩余強度大于爆破壓力，預測結果偏于冒進，安全性降低。因此得出在X80高鋼級管道中，DNV RP-F101方法計算的剩余強度準確性最高，最能預測X80高鋼級管道的剩余強度。

2.3 ?不同評價方法對X100鋼剩余強度和壓力比的影響

不同剩余強度評價方法對X100鋼剩余強度的影響如圖5所示。可以清晰的看出，各剩余強度評價結果均大于實驗爆破壓力，計算結果偏大，安全性降低;在缺陷深度不變的條件下，隨著缺陷長度的增加，剩余強度呈減小的趨勢，安全性越來越低;在這六種剩余強度評價方法中，DNV RP-F101方法的計算結果變化幅度最小，最穩定，而且DNV RP-F101剩余強度冒進量最小，更接近爆破壓力，安全性最好。因此，DNV RP-F101方法最適合含腐蝕缺陷的X100高鋼級油氣管道的剩余強度評價。

不同剩余強度評價方法對X100鋼剩余強度壓力比的影響如圖6所示，可以清晰的看出，六種剩余強度評價方法壓力比結果均小于1，即預測剩余強度大于爆破壓力，預測結果偏于冒進，安全性降低。DNV RP-F101方法壓力比保持穩定，數據集中性好，而且最接近1，剩余強度冒進量最小，安全性最好，因此可以得出DNV RP-F101在滿足一定的條件下，預測結果準確性最高;PCORRC方法計算結果集中性好，但是冒進量比較大，安全性降低;ASME B31G、RSTRENG、LPC-1、SHELL92這五種方法集中性差，而且冒進量很大，均不適用于X100高鋼級油氣管道的失效評估研究。因此得出在X100高鋼級油氣管道中，DNV RP-F101方法計算的剩余強度準確性最高，最能預測X100高鋼級油氣管道的剩余強度。

3 ?結 論

（1）對于X70和X80高鋼級油氣管道，六種剩余強度評價結果基本都小于實驗爆破壓力，計算結果偏小;隨著缺陷深度d的不斷增大，剩余強度呈減小的趨勢，管道的安全性變得越來越差;DNV RP-F101方法壓力比計算結果均大于1，在1.3附近變化，而且變化幅度最小，集中性最好，準確性最優，最適合含腐蝕缺陷的X70和X80高鋼級油氣管道的剩余強度評價。

（2）對于X100高鋼級油氣管道，六種剩余強度評價結果均大于實驗爆破壓力，即壓力比均小于1，計算結果偏大;隨著缺陷長度的增加，剩余強度呈減小的趨勢，安全性降低;DNV RP-F101方法的計算結果變化幅度最小，最穩定，冒進量最小，更接近爆破壓力，安全性最好，最適合含腐蝕缺陷的X100高鋼級油氣管道的剩余強度評價。

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