長輸管道復合凹陷評價方法及應用探討

孔朝金，胥琴，竇志信，許小龍，祁慶芳

1.國家管網集團西南管道有限責任公司 南寧輸油氣分公司（廣西 南寧 530219）

2.中油國際管道有限公司 中緬油氣管道項目（北京 100029）

3.國家管網集團北方管道有限責任公司 廊坊輸油氣分公司（河北 廊坊 065000）

4.廊坊中油朗威工程項目管理有限公司（河北 廊坊 065000）

5.中國石油青海油田分公司 管道處（青海 格爾木 816000）

凹陷是管道運輸、施工、回填過程中由于碰撞、巖石擠壓和機械損傷導致的彈塑性變形，已成為管道斷裂、泄漏失效事故的重要原因[1]。凹陷嚴重影響管道安全運行，造成局部應力集中，特別是與焊縫、劃傷、裂紋及腐蝕相關的復合凹陷，降低管道結構強度，極易導致管道疲勞或斷裂失效。我國長輸管道全面實施完整性管理程序，通過內檢測技術獲取缺陷信息，計算管道剩余強度，確定管道是否需要修復或換管。腐蝕缺陷機理及評價方法較成熟，但凹陷缺陷可接受準則還不統一。為促進管道凹陷安全評價規范化，介紹了基于凹陷深度與應變的評價準則，探討了國外標準中復合凹陷安全評價的規定，以及復合凹陷可接受準則的研究進展。

1 基于深度的凹陷評價準則

目前關于凹陷評價的法規有美國法規49 CFR 192《輸送天然氣和其他氣體聯邦最低安全標準》和49 CFR195《輸送危險液體管道》。凹陷評價標準中美國標準ASME B31.4—2012《液體管道系統》、API Std 1160—2013《危險液體管道完整性管理》、API Std 579-1—2016《設備適用性評價》；加拿大標準CSA Z662—2015《油氣管線系統》。國外標準中關于凹陷深度的評價準則見表1。

表1 基于深度的凹陷評價準則

綜合上述標準觀點，與劃痕、劃傷、凹槽相關的凹陷，極易產生應力集中，應立即修復；將深度大于管徑6%作為凹陷深度界定值。以往凹陷評價多基于深度，如文獻[2]利用有限元法對X70輸氣管道凹陷缺陷進行受力狀態分析，得出凹陷深度相對長度和寬度因素對管道強度影響最大，認為缺陷深度小于5 mm且長度小于100 mm是安全的。隨著制管水平和高鋼級管材性能提升，基于深度的評價準則不能反映管材韌性、變形狀況和實際應力狀態。例如歐洲天然氣管道項目“管道缺陷評價手冊PDAM”指出非約束凹陷臨界深度為7%管徑，約束凹陷臨界深度為10%管徑。德國標準DIN2413：2005《無縫鋼管的計算》中的ERPG 經驗模型提出的凹陷評價準則是，管道運行壓力環向應力小于72%最小屈服極限（SMYS），且凹陷深度小于7%管徑，在一定程度上提高了凹陷深度安全臨界值。

2 基于應變的凹陷評價準則

美國標準ASME B31.8—2014《輸氣和配氣管道系統》規定凹陷應變分量包括環向彎曲應變ε1、軸向彎曲應變ε2和軸向薄膜應變ε3，分別計算內表面總應變εi和外表面總應變εo，凹陷最大應變值ε=max(εi,εo)。凹陷位于焊縫上且應變大于4%，或者凹陷應變大于6%應立即修復。

式中：t為管道壁厚，mm；R0為管道初始半徑，mm；R1為管道橫截面凹陷的曲率半徑，mm；d為凹陷深度，mm；L為凹陷軸向長度，mm。

美國標準ASME B31.8—2014 規定凹陷應變臨界值為6%，該數值是工程經驗值，仍需理論或試驗驗證。隨著X80 以上高鋼級管材廣泛應用，管道均使用相同臨界應變值值得商榷。ASME B31.8—2014不足之處在于未給出等效應變確定依據；未考慮環向薄膜應變和切應變，相關學者提出L-C 公式和Gao 公式。相對 L-C 公式，ASME B31.8—2014 計算的內、外表面等效應變減少50%和25%；相對Gao公式，ASME B31.8—2014 計算的內、外表面等效應變減少50%和20%[3]。中石油管道研究中心提出一套專業、規范的管道凹陷開挖驗證程序，包括應用三維激光掃描法測量凹陷深度、長度和整體輪廓，解決凹陷位置與時鐘方位定位、凹陷曲率測量和管道彎頭修正量等關鍵技術[4]。在此基礎上，建立了基于內檢測數據的凹陷應變評價技術路線和分析方法，根據ASME B31.8—2014 的應變計算方法，提出采用高斯低通濾波方法對內檢測數據進行信號降噪處理和數據平滑處理，可得到較一致的應變計算結果。研究成果為提高內檢測數據利用率和實現凹陷評價精細化奠定了基礎[5]。

3 復合凹陷評價方法

單純凹陷不會顯著降低管道剩余強度，應關注與焊縫、劃傷、裂紋及腐蝕相關的復合凹陷。2018年中石油西部管道實施內檢測后發現凹陷3 196處，81.5%是管體凹陷，最大凹陷深度為管徑12.4%，18.5%是與焊縫、腐蝕、劃傷相關的復合凹陷?；谏疃鹊陌枷菰u價準則多數是不可接受缺陷，復合凹陷開挖驗證后建議修復或換管。從凹陷類型、工作量和經濟性方面看，這種保守做法缺乏科學性，造成資源浪費，甚至管道二次傷害。復合凹陷完整性評價研究還處于初步階段，主要開展了含劃傷凹陷（溝槽型凹陷）、裂紋凹陷和雙凹坑評定方法研究[6]。

3.1 焊縫凹陷評價準則

焊縫凹陷可能存在氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷，相對于普通凹陷更易造成應力集中，嚴重影響在役管道安全運行。PDAM、美國標準API Std 579-1—2016規定立即更換。ASME B31.8—2014規定脆性焊縫凹陷需立即更換，延性焊縫凹陷深度不大于管徑2%，或應變不大于4%。49 CFR 192 規定管徑大于304.80 mm，焊縫凹陷不大于管徑的2%；管道直徑小于304.80 mm，焊縫凹陷深度不大于6.35 mm。加拿大標準CSA Z662—2015 規定管徑大于323.9 mm，焊縫凹陷不大于管徑2%；管徑小于323.9 mm時，焊縫凹陷深度不大于6 mm。

針對焊縫凹陷，國外標準采取謹慎的處理方式，焊縫缺陷立即更換；深度大于管徑2%或應變大于4%應修復。因管道結構復雜、焊縫質量和破壞程序難以檢測，還沒有可靠的方法預測焊縫凹陷的剩余強度和疲勞壽命，只能參考爆破試驗測試數據。文獻[7]分析含焊縫凹陷壓力容器的全尺寸疲勞試驗數據，驗證含焊縫凹陷管道的疲勞壽命遠低于單獨凹陷管道，且環焊縫凹陷疲勞壽命低于直焊縫凹陷。文獻[8]研究了壓力容器焊縫缺陷爆破試驗結果，相對獨立凹陷，爆破壓力值顯著降低（最小值僅為SMYS的7%），分析原因是焊縫和凹陷產生較大殘余應力導致加速失效。

3.2 劃傷凹陷剩余強度計算

劃傷凹陷加劇管壁曲率變化和壁厚減少，伴隨塑性應變、裂紋擴展等。一般做法是管道存在劃傷凹陷，需立即更換。英國Battelle 研究所基于30 項爆破試驗數據提出經驗Q 因子法，計算含劃傷凹陷管道的失效應力?？紤]管材力學參數、劃傷長度、管徑及壁厚、凹陷深度等因素，對劃傷凹陷進行綜合評價。

式中：σf為凹陷處應力，MPa；σ′為流變應力，MPa；σy為管材屈服應力，MPa；Q為經驗系數；Cv為2/3倍夏比沖擊功，J；R為管道外徑，mm；c為劃傷長度，mm；d為劃傷深度，mm。

文獻[9]以某海底天然氣管道為例（管徑711 mm、壁厚17.1 mm、管材X65、劃傷深度25 mm），采用有限元方法，管道損傷可承受內壓為7.95 MPa（低于設計壓力15.5 MPa），提出更換損傷管段的建議。

3.3 裂紋凹陷斷裂失效

文獻[10]提出與焊縫、劃傷、裂紋相關的復合凹陷，可采用彈塑性斷裂理論計算剩余強度。選取螺旋縫埋弧焊鋼管6 種規格（管徑324 mm、660 mm 和1 016 mm、凹陷深度5~30 mm），韌性失效損傷因子為1 時，臨界等效應變在0.217~0.248，差別僅為0.03。文獻[11]提出韌性斷裂損傷指數（DFDI），描述管材拉伸變形時的連續破壞程度，定量表征管道凹陷損傷程度，預測凹陷處產生裂紋可能性。DFDI數值越大表明損傷程度越大，管道失效判定準則為DFDI＞1，表征凹陷缺陷造成管壁韌性裂紋開裂失效。以X60管道、管徑660 mm為例進行凹陷應變評估，在內壓4 MPa，損傷失效因子接近1時發生失效；在內壓8 MPa和12 MPa下，出現損傷失效因子大于1也未發生失效的情形。損傷失效因子為1時，臨界失效應變約為0.19。

式中：εo為管材臨界應變值；εeq為管材斷裂時的等效應變；σm為三向應力平均值，MPa；σeq為等效應力，MPa。

3.4 腐蝕凹陷評價準則

腐蝕體積型缺陷與凹陷共生是嚴重的管道損傷形式。腐蝕凹陷的疊加作用顯著減少管道承載能力和使用壽命。腐蝕凹陷主要依據含腐蝕缺陷管道的剩余強度評價方法。例如美國標準ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》、DNV-RPF101 規范和美國Battle 實驗室開發PCORRC（Pipe?line Corroosion Criterion）計算工具。ASME B31G—2012指出針對含腐蝕凹陷的管道評價時，凹陷處存在外腐蝕且剩余壁厚小于87.5%的設計壁厚時需要修復。該數值為經驗值，且未給出詳細的評價結果。研究表明，ASME B31G—2012對于中高鋼級管道評價較保守。PDAM、EPRG 和49CFR 195等標準要求腐蝕凹陷需要立即更換。文獻[12]應用有限元彈塑性法模擬了不同尺寸腐蝕缺陷和內壓對凹陷極限承載力的關系（管材X60、管徑660 mm、壁厚14.3 mm、內壓6.4 MPa），基于PCORRC 法提出了含腐蝕凹陷管道的失效評價公式。結果表明，除缺陷寬度外，缺陷長度、深度、壓頭直徑、下壓深度和初始內壓對極限內壓影響均較大。但計算數據有限，還需大量爆破試驗和現場試驗案例驗證。

3.5 凹陷疲勞壽命預測

含凹陷管道疲勞失效易造成凹陷應力集中。在管道內壓作用下，因頻繁壓力波動循環，凹陷產生裂紋進而導致疲勞失效問題。文獻[13]以管徑762 mm規格為例，采用有限元法得出無約束凹陷對管道爆破壓力無影響，凹陷深度超過20%管徑的受約束凹陷對管道爆破壓力影響較大。德國標準DIN 2413：2015 提出了埋弧焊直縫管基于S-N 疲勞曲線的EPRG經驗模型。

式中：N為管道疲勞壽命，年；SL為疲勞壽命調整因子；Rm為管材抗拉強度，MPa；σa為名義應力，MPa；Kd為管道凹陷應力集中因子；Kg為劃傷應力集中因子。

4 結論

1）機械損傷及凹陷是管道系統失效的重要原因之一，凹陷評價是一項系統工程，目前還沒有專門的國家標準。國內管道工程大多采用基于深度評價法，復合凹陷保守采用更換措施，管道修復缺乏科學性。

2）為促進凹陷評價的準確性，應多方面開展研究工作，包括改進內檢測技術和現場檢測技術，確定凹陷準確信息；改進應變測試方法，描述管材塑性流變行為；借助有限元等數學分析方法；加強凹陷腐蝕機理研究等。

3）針對復合凹陷，一般認為焊縫凹陷對管道性能影響較大，爆破壓力和疲勞壽命顯著低于單獨凹陷和焊縫缺陷；相對凹陷深度和運行壓力，劃傷深度對管道爆破強度影響顯著；腐蝕凹陷可參考含腐蝕缺陷管道的剩余強度評價方法，但對于高鋼級管道較為保守。

4）管道管理者應掌握管道系統中凹陷分布情況和變化趨勢，制定管道修復方案時，除依據相關標準規范，還應按照現有經驗模型進行測算，并利用全尺寸爆破試驗數據進行驗證，避免凹陷修復的、盲目性和資源浪費。