海洋石油平臺在役壓力管道壁厚安全評估

鄒繼成

（中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335）

0 引言

目前，中國海域海洋石油平臺壓力管道統一采用美標標準設計。在平臺生產服役期間，由于壓力管道內流體的沖刷、內腐蝕及外部環境等因素形成的外部腐蝕，造成了管道壁厚的減薄。為保證壓力管道安全使用，有效評估壓力管道剩余壁厚的安全性是非常有必要的。

1 海洋石油平臺壓力管道設計

1.1 壓力管道的壁厚計算

海洋石油平臺壓力管道壁厚設計計算是根據美標標準ANSI B31.3，按照公式計算得出：Tmin=PD/2（SE+PY）+CA，Tmin＜D/6。

其中：Tmin是最小需求壁厚（設計壁厚）；CA 是機械裕量的總和，包括機械、腐蝕和侵蝕裕量等；P 是管道內部介質設計壓力，單位kg/sq.cm；D 是管道外徑，單位mm；S 是材料基本許用應力；E 是質量因素，其值參考ANSI B31.3；Y 是有效因子，按照ANSI B31.3。

為了和后面的壁厚表示一致，定義不帶腐蝕余量壁厚PD/2（SE+PY）為計算壁厚，帶腐蝕余量壁PD/2（SE+PY）+CA 為設計壁厚。

1.2 壓力管道的最小壁厚要求

計算出的壁厚Tmin和引用ANSI B36.10 的最厚或最薄壁厚值比較。允許計算值的公差為±1/16 英寸。如果計算出的壁厚，小于最小選型厚度，為保持管道的機械強度要求，最小選型厚度其值按照表1 選擇（碳鋼）。

表1 碳鋼管道不同尺寸最小壁厚要求

1.3 美標管道壁厚的選擇

海洋石油平臺美標鋼管壁厚系列是以管子表號表示（管子表號不是壁厚），該表示方式是按照美國國家標準協會ASMEB36.10 標準制定的，分以下級別：SCH10、SCH20、SCH30、SCH40、SCH60、SCH80、SCH100、SCH120、SCH140、SCH160。

對于奧氏體不銹鋼ASME B36.19 管子表號為：SCH-5S、SCH-10S、SCH-20S、SCH-30S、SCH-40S、SCH-80S。

表2 0.5～2 英寸美標管道壁厚表示

1.4 壓力管道的設計選型

以2 英寸碳鋼管道、內部介質為石油、管道內介質設計壓力為1480 kPaG 為例。

（1）查詢。P=1480 kPa，D=60.3 mm，S=137 900 kPa，E=1，Y=0.4，CA=3 mm，最小壁厚級別STD，最小壁厚值3.91 mm，公差12.5%。

（2）計算。根據公式Tmin=PD/2（SE+PY）+CA，得出Tmin=1 480×60.3/2（137 900×1+1 480×0.4）+3=3.32 mm。

（3）選擇。由于2 英寸碳鋼管道最小壁厚級別為STD，對應壁厚為3.91 mm，若考慮公差12.5%，則對應壁厚為3.42 mm 仍然大于3.32 mm。故，本管道選擇的是SCH40 的碳鋼管道，實際選型壁厚為3.91 mm。

（4）從上例可知，該2 英寸管道計算壁厚為0.32 mm，設計壁厚為3.32 mm，選擇壁厚為3.91 mm。

2 海洋石油平臺在役壓力管道安全評估

2.1 評估方法選擇

對于含腐蝕缺陷的管道，通常用剩余前度對管道的安全性進行評估，目前國外圍繞腐蝕管道的破壞機理和極限承載力進行了大量研究并頒布了一些標準和研究方法，包括API RP 14E、DNV—PR—F101 準 則、API579 準 則、SHELL92 及PCORRC 等方法，國內也針對管道腐蝕安全性評估制定了一些評價規范，如《鋼制管道腐蝕損傷評價方法》（SY/T 6151—2009）及《含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》（SY/T 6477—2000）等，但是這些規范主要還是依據國外標準進行制定。

海洋石油平臺壓力管道主要承受的是內壓；外部軸向力/附加荷載的作用較少，可不做考慮；缺陷為孤立缺陷。通過以上標準的對比分析，采用API RP 14E 標準中許用應力法對對壓力管道剩余強度進行計算。

2.2 評估方法介紹

從海洋石油平臺壓力管道設計可知，壓力管道在設計過程中考慮了腐蝕余量、機械公差等因素，在選型時又增加了選擇的余量。在評估時要充分考慮這些因素，方能做到既安全又經濟。

（1）管道實際壁厚測量。根據現場腐蝕情況，有針對性地對管道進行壁厚測量，取得管道腐蝕最嚴重的點的壁厚值。

（2）管道壁厚計算。根據《Offshore Production Platform Piping Systems》（API RP 14E—2007）的推薦算法：當計算壁厚小于管子外徑D0的1/6 時，ts=PiD0/2（SE+PiY）。其中，ts是計算壁厚，單位mm；D0是管道的外徑，單位mm；S 是設計溫度下的材料許用應力，單位MPa；E 是焊縫系數；Pi是設計壓力，單位MPa；Y 是溫度系數。

（3）剩余壽命的估算。y=（t0-ts）/CR。其中，y 是剩余壽命，單位yr；t0是取設計壁厚和實測壁厚較小值，單位mm；CR 是設計腐蝕速率和計算腐蝕速率較大值，單位mm/yr。

（4）以2 英寸碳鋼管道舉例分析。內部介質為石油、管道內介質設計壓力為1480 kPaG 為例，該管道在使用了10年后，測量壁厚為3 mm，來評估該管道的安全可靠性：①實際測量壁厚3 mm，計算壁厚（和壓力相關）1 480×60.3/2（137 900×1+1 480×0.4）=0.32 mm，設計壁厚（和余量相關）3.32 mm，選擇壁厚（和標準相關）3.91 mm；②腐蝕余量，該管線使用了10年，壁厚從3.91 mm 減薄為3 mm，算出該管道的腐蝕速率為0.091 mm/yr；③評估該管道可以繼續使用年限，（3-0.32）/0.091=29.45年。

3 結束語

壓力管道在設計選型時，腐蝕等各余量選用的是經驗值，且比較保守。經過一定的運行年限，可以推算出實際的腐蝕余量，作為重新計算評估的依據。美國國家標準協會ASMEB36.10 標準中，鋼管的等級跨度大，同尺寸只對應4 種壁厚的鋼管（SCH40、SCH80、SCH160、XXS），選型時都選擇壁厚大的，導致實際管道的壁厚增加。通過以上分析可知，實際的計算壁厚是很小的，考慮到壓力管道的使用年限、腐蝕余量、機械加工安裝、鋼管的標準等要求，最終將管道的實際壁厚放大了很多。

在油田生產運營期間，發現了壁厚減薄情況，只要沒有小于計算壁厚（和壓力相關）的壁厚，都沒有必要立即停產整改。充分準備好物資和方案后，有計劃地實施更換，可以在保證安全的情況下，將經濟效益最大化。