相鄰腐蝕缺陷管道剩余強度評價方法適應性研究

郭堅

中國石油華北油田第五采油廠工程技術研究所

油氣管道具有輸送價格低、方便快捷等特點，是油氣田開發過程中的重要組成部分。但隨著管道服役年限的不斷延長，因制管工藝、施工手段、第三方破壞、環境影響、流體介質等因素造成的腐蝕情況時有發生，其直接后果是壁厚減薄導致的管道局部應力集中，在加壓輸送的過程中，管體會在腐蝕集中的部位發生穿孔導致油氣泄漏。據統計數據表明，我國每年因腐蝕（含氫脆和裂紋）造成的管道事故占總體數量的85.2%。因此，通過定量分析和計算，對腐蝕管道的剩余強度進行有效評價，可以為管道是否繼續服役、更換或降壓運行提供理論依據，避免因腐蝕造成的泄漏事故發生[1-2]。

目前，主流的腐蝕評價方法有ASME B31G—1991、ASME B31G Modified、ASME B31G—2009、DNV-RP-F101、BS 7910、SY/T 6151—2009、RSTRENG 準則等。這些評價方法均以單一腐蝕缺陷為基礎，通過真實的水壓爆破試驗對管道的內壓載荷進行修正，但在實際的油田開發工況中多存在相鄰腐蝕（即相互作用腐蝕）情況，這些方法將相鄰腐蝕狀況進行了假設和簡化，導致評價結果過于保守，造成了管道過早的更換或維修。因此，有必要對各種評價方法中相鄰腐蝕的評估方法進行梳理和總結，并對照試驗數據對評價方法的適應性進行驗證。

1 相鄰腐蝕缺陷評價方法

1.1 ASME B31G Modified 準則

ASME B31G 系列標準是根據斷裂力學表面缺陷公式（代號NG -18）提出的，其中ASME B31G—1984 和ASME B31G—1991 兩個版本未考慮腐蝕缺陷之間的相互作用[3-4]，將相鄰或相互重疊的腐蝕缺陷簡化為單一或連續的腐蝕缺陷進行評價，沒有給出具體的界定準則，因此在評價上具有較強的保守性和隨意性。針對ASME B31G 準則保守性強的缺點，通過對流變應力、膨脹系數和腐蝕面積的修正，提出了ASME B31G Modified 準則，同時也考慮了點蝕軸向間隔對腐蝕的拮抗作用（圖1）。當軸向間距Sd＜25.4 mm 且環向間距Sa＜6t（t為壁厚，mm）時，可將相鄰腐蝕缺陷作為同一類型的單一腐蝕缺陷進行評價。其中當Sd＞0 時，相鄰腐蝕缺陷的軸向長度等于腐蝕區域加上未腐蝕區域的軸向長度；當Sd＜0 時，相鄰腐蝕缺陷的軸向長度等于腐蝕區域的軸向長度減去重疊腐蝕區域在軸向上的長度。反之，當Sd≥25.4 mm 或Sa≥6t時，則認為相鄰腐蝕缺陷之間不發生相互作用，每個缺陷作為獨立的個體進行評價。

圖1 相鄰腐蝕缺陷（軸向和環向方向）示意圖Fig.1 Schematic diagram of adjacent corrosion defects（axial and circumferential）

1.2 ASME B31G—2009 準則

美國工程師協會在2009 年更新了ASME B31G評價準則，采用了分級評價方法[5-6]，將評價手段分為四個級別（零級、一級、二級、三級），精度層級遞進，可根據實際情況選擇評價手段。在相鄰腐蝕缺陷評價上，采用了BENJAMIN A C 等[7]的研究成果。當Sd＜3t或Sa＜3t時，相鄰腐蝕缺陷之間產生相互影響，軸向長度的計算同改進的ASME B31G Modified 準 則；反 之，當Sd≥3t或Sa≥3t時，相鄰腐蝕缺陷可作為孤立的缺陷進行評價。

1.3 RSTRENG 準則

RSTRENG 準則是基于ASME B31G 提出的，主要有0.85dL面積法和有效面積法兩種，其中0.85dL面積法（d為缺陷最大深度，L為缺陷的軸向長度，0.85dL表示近似腐蝕區域金餉損失面積）是只針對單一腐蝕缺陷、沒有相鄰腐蝕缺陷的評價準則。有效面積法相鄰腐蝕缺陷的評價準則與ASME B31G Modified 相一致，但由于需要測量腐蝕區域內各節點的軸向腐蝕長度和深度，并進行迭代計算，最終選取不同區域的最小值作為剩余強度，即相鄰腐蝕缺陷的剩余強度小于單一腐蝕缺陷的剩余強度，評價的保守性低于ASME B31G Modified 準則，且計算量較大，往往需要編制程序進行輔助迭代計算。

1.4 DNV-RP-F101 準則

DNV-RP-F101 評價準則是挪威船級社在1999年提出的[8]，較ASME B31G 系列標準相比，不僅考慮了內壓，同時增加了內壓與軸向壓力對管道共同作用的影響，主要分為分安全系數法和許用應力法。兩種方法只是在計算許用應力時不一致（許用應力法需要乘以使用系數），在此主要說明分安全系數法的評價準則和流程。DNV-RP-F101 準則中規定當滿足以下條件之一時，相鄰腐蝕缺陷之間產生相互影響和作用：①相鄰缺陷的環向角度；②相鄰缺陷的軸向間距。（Sd為相鄰腐蝕管道軸向間距，mm；t為管道壁厚，mm；D為管道外徑，mm）。

評價流程如下：

（1）針對腐蝕區域建立軸向投影線，計算環向角度是否符合上式的要求；如符合要求，將腐蝕區域進行投影。

（3）當相鄰缺陷的投影重疊時，將其視為一個合成缺陷，取所有缺陷的組合長度和最大深度；如果存在內、外腐蝕重疊，則腐蝕深度取內、外腐蝕的最大深度之和。

（4）計算每段腐蝕缺陷的許用應力pi。許用應力計算式為

式中：pi為每段腐蝕缺陷的許用應力，MPa；i為管道的分段段數；γm為軸向腐蝕預測的分安全系數，無量綱；t為管道壁厚，mm；SMTS為管道鋼級對應的拉伸強度，N/mm2；D為管道外徑，mm；d為腐蝕深度，mm；M為膨脹系數，無量綱；γd為腐蝕深度對應的分安全系數，無量綱。

（5）對照圖2 計算所有相鄰組合缺陷的長度和深度，缺陷n到m的組合長度lmn為

圖2 相互作用缺陷組合Fig.2 Interaction defect assemblage

式中：lmn為缺陷組合長度，mm。

缺陷n到m的組合深度dmn：

式中：dmn為缺陷組合深度，mm。

（6）利用步驟（5）中的結果，按照步驟（4）的計算方法，計算從n到m所有相鄰組合缺陷的許用應力pnm。

（7）取步驟（4）和步驟（6）中所有計算結果中的最小值作為腐蝕區域的剩余強度pcorr，且pcorr不應大于最大允許工作壓力。

式中：pcorr為腐蝕區域的剩余強度，MPa。

（8）重復步驟（2）～（7），對下一個腐蝕區域進行評價。

1.5 PCORRC 準則

PCORRC 評價準則是STEPHENS 等在大量有限元分析結果的基礎上進行的公式擬合，主要考慮了腐蝕深度和長度對剩余強度的影響，忽略了腐蝕寬度，并未給出相鄰腐蝕缺陷的評價準則和流程。帥健等[9]和王戰輝等[10]均證明了該準則在評價中高強度等級鋼時保守性較小，準確度較高，同時考慮到目前油氣管道已經向X80、X100 管線鋼發展，因此將DNV-RP-F101 的評價流程介入到PCORRC 準則中，只是許用應力需按照下式計算：

2 結果與討論

巴西石油公司的PETROBRAS 研究所近年來基于中高強度等級鋼進行了不同種類相鄰腐蝕缺陷的水壓爆破試驗[11]，在此應用試驗結果，進行評價方法適應性的分析和驗證。表1 列出了的11 組腐蝕缺陷數據，其中1～6組的管徑為Φ458.8 mm×8.1 mm，屈服強度601 MPa，抗拉強度684 MPa；7～11 組的管徑為Φ459.4 mm×8 mm，屈服強度589 MPa，抗拉強度731 MPa，兩種工況的管材均為X80。軸向間距Sd＜0 代表軸向投影重疊，環向間距Sa＜0 代表環向投影重疊，相應的序號對應的腐蝕缺陷實景和腐蝕類型也在表中列出[12-14]。

利 用ASME B31G Modified、ASME B31G—2009、RSTRENG 有效面積法、DNV-RP-F101 和PCORRC 等五種評價方法對表1 中的腐蝕數據進行評價，分析每種評價方法的適應性。預測的結果及相對誤差見圖3、圖4。

圖3 預測結果對比Fig.3 Comparison of prediction results

圖4 預測相對誤差對比Fig.4 Comparison of prediction relative errors

表1 相鄰腐蝕缺陷尺寸數據Tab.1 Dimensional data of adjacent corrosion defects

由圖3、圖4 可知，從準確性上分析，五種評價方法在評價序號1（單腐蝕）和序號7（單腐蝕）時整體相對誤差較小，說明這幾種方法在評價單腐蝕缺陷時具有一定的準確性。其中PCORRC 和DNV-RP-101F 兩種方法的誤差在5%以內，證明這兩種方法可以作為評價相鄰腐蝕管道剩余強度的基礎，且這兩種方法的相關系數R最大，分別為0.923 地3 和0.895 3，證明與真實的水壓爆破試驗數據擬合度較好。DNV-RP-101F 評價準則從環向角度和軸向間距兩個方面給出了相鄰腐蝕缺陷的評價準則，并且定義了組合缺陷深度和長度的計算方法，可根據實際需求應用分安全系數法和許用應力法進行評價；PCORRC 公式主要來源于針對中高強度管線鋼的有限元分析結果，將DNV-RP-101F 的評價流程與PCORRC 公式相結合，評價結果更加準確，平均相對誤差為4.54%。同時發現DNV-RP-101F 在評價序號3（環向雙腐蝕）和序號7（單腐蝕）時出現了評價結果大于水壓爆破試驗數據的情況，說明評價結果存在預測風險，而PCORRC 僅在評價序號3 時出現了大于水壓爆破試驗數據的情況，總體預測精度更高。

從保守性上分析，RSTRENG 有效面積法和ASME B31G Modified 兩種評價準則的相對誤差在各組評價結果中均較大，證明這兩種方法用于評價相鄰腐蝕缺陷過于保守，會造成不必要的管道更換和維修。兩種方法均以斷裂力學公式為基礎發展而來，評價依據主要以軸向間距為主，當滿足要求時將相鄰腐蝕缺陷定義為一個單一腐蝕缺陷進行評價，沒有考慮相鄰腐蝕缺陷軸向和環向未腐蝕區域對剩余強度的貢獻和影響，說明對相鄰腐蝕缺陷的評價適應性不強。

3 結論

（1）現行的大部分剩余強度評價規范均以單一腐蝕缺陷為基礎，對相鄰腐蝕之間的作用機理以及評價準則不明確，通過對5 種評價方法的對比驗證，將DNV-RP-F101 的評價流程與PCORRC 公式相結合，評價結果更加準確，平均相對誤差為4.54%。

（2）RSTRENG 有效面積法和ASME B31G Modified 兩種評價準則的相對誤差在各組評價結果中均較大，沒有考慮相鄰腐蝕缺陷軸向和環向未腐蝕區域對剩余強度的貢獻和影響，說明對相鄰腐蝕缺陷的評價適應性不強。

（3）在現行的剩余強度評價規范中均以管道受內壓載荷為前提，但在實際工況中，管道在復雜的載荷體系下還會受到軸向和環向載荷的影響，因此未來要加強對復雜載荷體系下剩余強度的研究。

（4）管道的腐蝕是隨時間和空間變化的隨機動態過程，現有的預測還主要針對于某一時刻進行評價，未來需要考慮隨機變化過程對剩余強度的影響。