含體積型缺陷管道剩余強度評價方法研究

王增國 剛 蓓 鄭 莉 劉思嬌

（1、中海石油（中國）有限公司，天津300000 2、北京華航無線電測量研究所，北京100010）

長輸管道在石油與天然氣等介質長時間的運行當中，會產生腐蝕、凹槽、裂紋、點蝕等多種缺陷，由此也引發各種管道泄漏等安全性問題，在管道多種缺陷中，體積型缺陷在大面積上減薄了管道的壁厚，降低了管道的承壓能力，是導致管道漏油、漏氣、穿孔、爆破等嚴重事故的主要原因之一。

為避免此種問題產生，目前現行的多種標準均針對體積型缺陷推出了相應的評價方法，主要包括：（1）由美國機械工程師協會頒布的ASME B31G 方法、RSTRENG 評價方法；（2）由英國燃氣公司（BG）和挪威船級社（DNV）合作開發的DNV 標準；（3）美國石油協會提出的API RP 579-2000 標準。以上多種評價方法均被廣泛應用，本文針對以上方法的評價原則、適應性、評價參數選擇進行對比性分析研究，判斷不同工況下的適應性標準。

1 ASME B31G 評價方法研究

ASME B31G 評估方法最初用于預測受腐蝕管道的爆裂壓力，通過較舊的管線鋼的全尺寸試驗進行發展和驗證。主要應用兩個缺陷參數（缺陷的長度和深度）、針對孤立缺陷進行，適用于評估管材等級較低、管道服役年限長的老管道，評估結果偏保守。

1.1 Oringinal B31G 評價方法

含腐蝕型缺陷管道的失效壓力計算公式如下：

預測失效應力：

式中，Sflow：材料流變應力；A：缺陷剖面投影面積（針對較短缺陷將缺陷投影面積近似為拋物線形進行計算；針對較長缺陷將缺陷投影面積近似為矩形進行計算）；A0=L·t：缺陷處管道壁面積；臌脹系數M=（1+0.8z）1/2；等效長度z=L2/Dt；D：管道外徑；t：管道壁厚；L：缺陷軸向長度。

1.2 Modified B31G 評價方法

基于Oringinal 評價方法，Modified B31G 方法有以下更改：將缺陷剖面投影面積設定為拋物線面積和矩形面積平均值A=0.85L·d；根據等效長度大小更改臌脹系數值。

1.3 RSTRENG 評價方法

RSTRENG 評價方法在B31G 方法基礎上，采用了修正流動應力值，即SfLow=SMYS+68.95，膨脹系數M值同Modified B31G方法。

1.4 評價方法對比

圖1 所示不同評價方式下失效壓力受等效長度、深度百分比變化影響圖，可以看出：

（1）失效壓力隨等效長度增長而減小，隨著深度百分比增加而減小；（2）Oringinal B31G 評價方法存在跳點，后兩種方式通過優化分段函數避免了此問題；（3）在z＜20 條件下，保守性由高 到 低 為：Modified B31G＞Oringinal B31G＞RSTRENG；針 對z＞=20 條件下，保守性由高到低為：Oringinal B31G＞Modified B31G＞RSTRENG。

圖1 不同評價方式下失效壓力受等效長度、深度百分比變化影響圖

2 DNV RP F101 評價方法研究

DNV RP F101 通過現代高韌性管線鋼試驗進行發展和驗證，主要用于評估高韌性管線鋼，它提供了兩種評價方法：分項安全系數法和許用應力法。

2.1 分項安全系數法

該方法基于有限元結果、材料特性統計結果等信息的不確定性等級聯合考慮、使用了概率修正方程分項安全系數來確定腐蝕管道的許用操作壓力，主要適用于海底管道評估，分析流程如下：

中：αU為材料強度系數；fu為管線拉伸強度；SMTS 為最小拉伸強度；Q 為臌脹系數；（d/t）meas為深度百分比；fu，temp為由溫度導致的拉伸強度折減。

2.2 許用應力法

該方法依據許用應力設計標準計算腐蝕缺陷的失效壓力，同分項安全系數法相比，該方法更適用于陸地管道評估，其失效壓力：

式中：臌脹系數Q 和管線拉伸強度fu的計算公式同分項安全系數法相同。

2.3 評價方法對比

分項安全系數法應用了概率論評價思路，同時考慮了檢測的不確定性以及管材的不確定性，在評估結果上更為可靠；許用應力法計算方面更為簡便，在評估參數較少的情況下更適宜采用。同傳統的ASME 采用屈服強度作為評估參數相比，DNV評價方法采用了拉伸強度作為評價的參數之一，由于其數據庫新，更適合于高強度管道評價。

3 API579 評價方法研究

本方法由美國石油協會發布，本文將重點描述局部金屬損失的一級評估方法。其主要流程如下：

4 含體積型缺陷管道評價方法對比

針對某次在陸地管道上的實際內檢測數據，分別采用本文涉及的6 種評價方法進行失效壓力計算，結果參見圖2 所示。從圖中可看出：

（1）ASME B31G 評價中Original B31G、Modified B31G 以及RSTRENG 評價結果在所有的評價方法中，總體評估結果偏保守；（2）DNV 分項安全系數法、許用應力法以及API579 方法避免以上方法的保守性，總體評估結果相對更符合實際情況；（3）API579 方法失效壓力計算結果在4# 以及10# 樣例中發生突變，是由于這兩個信號的深度值較大，API579 方法對于缺陷深度的敏感度高于其它評價方法，其中10#缺陷從位于套筒下，已經在本次檢測前完成了維修，而10#缺陷經現場開挖驗證為一處高風險點，業主也根據建議完成了維修實施，從而驗證了API579 評價方法更適用于本次的工況特征。

圖2 實際缺陷管道六種評價方法失效壓力對比

5 結論

本文分別針對Original B31G、Modified B31G、RSTRENG、DNV 分項安全系數法、DNV 許用應力法、API579 等評價方法的具體內容進行了闡述和對比分析，采用一組在管道檢測的實例數據進行了6 種方法的評價及結果對比。

結果表明Original B31G、Modified B31G、RSTRENG 方法具備一定的保守性；DNV 分項安全系數法、DNV 許用應力法以及API579 評價方法避免了B31G 的保守性，在評估結果上也更為接近實際結果；API579 方法對缺陷深度的敏感度方面高于其它方法，在實際的評估中具有重要的意義，故針對本次實際管道也基于API579 評價結果向客戶提出了相應的維修建議并通過開挖驗證確認了其評估的準確性。

在實際的應用中還需要針對實際的工況進行參數的選取和確定方可最有效評估各個缺陷的剩余強度，為管道的整體性評價提供良好的數據支撐。