體積型缺陷對油氣管道安全性影響的研究進展

摘要鋼制管道在油氣輸送行業因獨特的優勢得到了廣泛的應用。但其在服役中易發生腐蝕問題，在管壁面產生體積型缺陷，引起管道壁厚減薄，承載能力下降，繼而引發管道泄漏，甚至造成嚴重的安全事故。從常見的體積型缺陷的簡化形式出發，對現行評價標準和方法進行對比總結，給出了缺陷簡化形式的建議。梳理了關鍵因素對含單缺陷和群缺陷管道的安全評估的影響規律，并對相鄰缺陷相互作用規律進行了歸納。最后展望了群缺陷研究的方向以及機器學習在管道安全評估中的應用。

關鍵詞鋼制管道體積型缺陷安全評估群缺陷多物理場耦合機器學習

中圖分類號 X937TE832TE973

AbstractSteel pipeline has been widely usedin oiland gastransportation industry becauseof itsuniqueadvantages . However ， while providing services ， the steel pipeline is easy to be corroded ， resulting in volumetric defects ， which makes the pipeline thinner and the bearing capacity weaker ， further causes the pipeline leakage ， and even serious safety accidents . Based on the simplified form of volumetric defects ， this paper compares and summarizes the evaluation criteria and evaluation methods ， and gives suggestions on the simplified form of defects . The critical factors of single defect and multiple defects on pipeline safety evaluation are sorted out ， and the interaction rules of adjacent defects are summarized . Finally ， the research direction of multipledefects and the application of machine learning in pipeline safety evaluation are prospected .

Key wordsSteel pipeline; Volumetric defects;Safety assessment; Multiple defects;Multi-physics field coupling;Machine learning

Corresponding author ： WU Wei ，E-mail ： wuwei@ nwu.edu.cn ， Tel ：+86-29-88302885

The projectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationof China （ No .21576224）， andtheBasicResearch

Program of Natural Science in Shaanxi Province （ No .2020JM-436）.

Manuscript received 20201111，in revised form 20201231.

引言

管道是工業基礎設施的重要組成部分，是能源行業規模化運輸產品的有效工具，因其安全、經濟、連續、可靠的優勢在輸油輸氣方面有著重要的應用。隨著對能源需求的增加，油氣行業得以快速發展，提高管道的承載能力和運輸效率顯得尤為重要。油氣管道發展的大趨勢是大直徑、高壓、高強度鋼輸送[1-2]。管道在實際運行過程中，盡管有各種保護措施，但仍然無法避免失效問題。造成管道承載能力下降引發失效的因素很多，其中最嚴重的是腐蝕[3-9]。管道壁面因內部因素或外界環境而發生腐蝕，導致管壁金屬損失，呈現出體積型缺陷的特征。這些體積型缺陷通常以單個或群體的形式出現，會使管道承載能力下降，隨著腐蝕程度不斷加深，若不加以控制，極有可能發生泄漏，甚至引發火災爆炸等安全事故，這對高壓油氣輸送管道的穩定安全以及完整性構成嚴重威脅[10-15]。為此，國內外的學者對體積型缺陷對管道安全的影響進行了大量的研究工作，但少有對體積型缺陷對管道的影響做出較為完整的歸納。本文圍繞體積型缺陷簡化形式展開，對體積型缺陷影響因素進行綜述，對研究趨勢和研究進展以及新方法在管道評估中的應用進行了展望。

1 體積型缺陷簡化形式

實際缺陷并無特定形狀，研究和評價比較困難。因此，通常對其進行簡化后研究。目前多采用投影方式將實際缺陷簡化為平底型、拋物線型和混合型三種形式（見圖1），其中，平底型以矩形為代表;拋物線型以半橢圓形為代表，也有半圓形。

2 含體積型缺陷管道的評價準則

有關學者和機構對含體積型缺陷管道的失效機理、失效模式以及極限承載能力進行了大量研究，制定了一系列的評價標準，這些評價方法通常以管道失效壓力作為評價指標，表1為不同評價方法和標準的比較。

表1中評價準則除 PC ORRC 外，其余都是基于 N -18提出的。這些評價標準多以矩形缺陷為主，主要原因是矩形簡化形式的計算結果更安全，但同時也意味著本可以繼續服役的管道有可能因評估不過而被強制更換，造成浪費。因此，對缺陷形式的簡化以及評價標準的使用，既要能保證管道服役的安全性，也應充分考量評估結果與實際的情況的貼近度，使評估更為準確。

3 體積型缺陷研究

管道體積型缺陷的研究主要分為單缺陷和群缺陷，本文重點論述關鍵影響因素對管道失效壓力的影響（見圖2）。現行的管道評價標準都以應力作為失效判據，表1中材料的屈服強度和極限抗拉強度都可作為指標，已經開展的許多研究也證實了基于應力的失效準則是可靠的。如果管道缺陷處的應力達到了極限應力狀態但管道還可以繼續運行，這時認為含體積型缺陷管道的失效不再由應力決定，而是由應變決定。

3.1體積型單缺陷研究

3.1.1 管道載荷的影響研究

管道所受載荷中，內壓是主要的影響因素，因此大多研究主要基于內壓進行[24]128-129[25-26][28]43-47[29]332-333。馬廷霞等[30]采用有限元方法對等壁厚矩形缺陷研究，發現隨著內部壓力的增加，管道首先進入彈性變形階段，然后缺陷邊界區域進入塑性變形與屈服階段，當缺陷區域應力值達到材料極限抗拉強度時，局部頸縮失穩;直到缺陷部位最小應力達到抗拉強度，此時腐蝕管道處于臨界失效狀態。壓力再增加的同時，缺陷處的應力急劇上升，管道從缺陷處開始失效，然后整體失效。秦鵬程等[31]237-244對軸向矩形缺陷進行了研究，結果表明短缺陷，在極限內壓載荷下，缺陷中心處的應力值是最大的，隨著距缺陷中心距離增大，應力值逐漸減小。而對于長缺陷，應力在缺陷邊緣附近迅速下降。 Adib H 等[24]128-129對內壓載荷下的半橢圓形缺陷進行了研究，結果表明7 MPa 內壓下半橢圓缺陷的徑向出現了塑性區，破壞從該區域開始。

許多規范都提供了僅在內壓作用下腐蝕管道的爆破壓力模型。表1所列方法中只有 DNV RP F 101考慮了內壓和軸向壓應力的組合作用。但實際情況中，管道受內部介質和外部環境的影響，導致其受載復雜，除內壓外，還會受到不同類型的外載荷作用，如軸向力和彎矩等。 Arumugam T 等[32]對含矩形缺陷的管道在內壓和軸向壓應力的共同作用下的失效壓力進行了研究，發現當軸向壓應力超過管道材料屈服強度的40%時，軸向壓應力對管道的破壞是有影響的。 Mondal BC 等[33]對軸向力和彎矩組合作用下的矩形缺陷管道進行了探究，結果表明軸向壓力和閉合彎矩對管道失效壓力影響顯著，并建立了用于軸向力和彎矩共同作用下管道爆破壓力的失效評估圖。上述研究考慮了內壓、軸向力、彎矩對腐蝕管道的影響。實際情況下，土壤、管內外溫度差以及管道周圍土壤的流失造成管道懸空等等都會對腐蝕管道造成影響。因此，應考慮更多因素的影響。

3.1.2 缺陷幾何尺寸的影響研究

缺陷幾何尺寸（深度、長度和寬度）直接影響到管道安全評估的結果。其中缺陷深度是管道失效壓力的主要影響因素。諸多研究[28]43-47[29]332-333[34-36][37]1197-1198[38]表明，隨著缺陷深度的不斷增加，管道極限內壓載荷會不斷下降。吳佳麗[28]43-47通過矩形缺陷數值模擬發現，隨著管道內壓增大，在材料彈性范圍內，隨缺陷深度增加，缺陷處最大等效應力呈線性趨勢增長。進入到塑性階段后，雖然等效應力增長變緩，但管道已處于高風險狀態，一旦達到承載極限時就會發生破裂。因此，對于一定深度的腐蝕缺陷，必須要在可控范圍內采取一定措施以避免事故的發生。 Netto T A 等[37]1197-1198對橢球形缺陷進行分析，發現隨著缺陷深度的增加，失效壓力存在一個緩慢下降的區域，一旦超過這個區域，失效壓力驟然降低。

缺陷長度對于管道的影響也不可忽略。 ASMEB31G 給出了短腐蝕和長腐蝕的定義（短：L ≤ ;長：Lgt;），蘇晨亮等[39]725-726通過對軸向矩形缺陷研究，發現對短腐蝕而言，缺陷長度對極限內壓影響明顯，對于長腐蝕，影響很小。 Netto T A 等[37]1196-1197對橢球形缺陷研究發現，隨著缺陷長度的增加，管道失效壓力逐漸下降，當達到一定程度時，失效壓力會趨于穩定。馮欣鑫等[40]對矩形缺陷進行了研究，發現隨著缺陷長度的增加，管道失效壓力不斷降低。

缺陷寬度對管道也有一定的影響。對于環向缺陷，Benjamin A C 等[41]通過對不同寬度的環向矩形缺陷進行了爆破實驗，發現缺陷寬度是影響失效壓力的一個主要因素，管道失效壓力會隨著寬度增加而降低。蘇晨亮等[39]724-727發現對于軸向短腐蝕，尤其是深腐蝕，缺陷寬度對管道極限內壓影響非常明顯，而對軸向長腐蝕影響不大。

由上述分析可知，缺陷深度對于管道失效壓力的影響是最大的，后續的研究以及在對管道的檢測、維修和維護中應重點關注。

3.1.3 不同缺陷簡化形式的影響研究

缺陷幾何尺寸直接影響管道的安全和完整性評估，而簡化形式的不同反映了缺陷尺寸的不同，因此簡化形式必然影響腐蝕管道失效壓力分析結果。 Karuppanan E 等[42]191-198利用有限元方法對含不同簡化形式缺陷的 X52管道進行了分析，簡化形式及分析結果如表2和表3所示。

根據 Karuppanan 的結果，簡化形式為矩形時，即使對矩形邊角進行圓角化避免了應力集中，但最終有限元結果與真實缺陷差值還是較大，原因在于矩形缺陷考慮了太多未腐蝕的區域。這樣的評估結果偏保守，弊端在于可能使得管道服役時間沒到就被更換，但是對于管道而言，這樣的評估結果也相對更安全。與矩形簡化形式相比，半橢圓形對未腐蝕區域考慮較少，有限元結果與真實爆破結果差異小，這更加符合腐蝕管道真實情況。缺陷深度是影響管道評估的關鍵性因素，因而需特別注意的是，半橢圓簡化形式需要對缺陷深度進行合理的確定才會使得評估結果準確。鑒于上述分析，建議在對缺陷形式簡化時，優先考慮半橢圓形簡化形式，同時注意缺陷深度的確定。

3.2體積型群缺陷研究

體積型缺陷的研究大多集中于單缺陷，其評價方法和破壞理論相對成熟，但實際情況中，經常會碰到兩個或兩個以上缺陷共存，通常將這類缺陷稱為群缺陷。 Benjamin A C 等[43]在前人研究基礎上對群腐蝕定義、交互類型、腐蝕群類型、評定方法、交互準則、失效壓力預測、失效類型和失效行為等進行了系統的闡述。

3.2.1管道載荷的影響研究

目前，對于群缺陷的研究大多只考慮管道內壓[44]737-745[45-51]]，這同單缺陷的研究一致。但管道在實際運行過程中，受到的載荷往往比較復雜。只對內壓載荷下的研究不足以充分反映管道實際情況，因此，對多重載荷作用下的群腐蝕管道展開研究十分必要。顧孜昌[52]對在內壓和彎矩以及內壓和軸向應力協同作用下的雙缺陷管道進行了研究，在內壓和軸向應力協同作用下，隨著軸向應力增加，當軸向應力與管道材料極限抗拉強度之比大于0.15時，內壓對管道應力的影響開始變小;在內壓和彎矩協同作用下，當彎矩大于一定值時，對整體結構應力的影響大于對缺陷處的影響。 Sun J 等[53]110466對機械電化學作用下的重疊缺陷進行了研究，結果表明最大應力總是出現在底層缺陷的拐角處，機械電化學作用會加劇底層缺陷的腐蝕，從而進一步加速管道失效。因此，在對含缺陷管道進行安全評估時，雖然內壓載荷是主要影響因素，但也要充分考慮其他載荷的影響。

3.2.2缺陷間距的影響研究

對于相鄰雙缺陷來講，無論是軸向缺陷還是環向缺陷，缺陷之間都存在間距，當間距在一定距離范圍內，缺陷間會存在相互作用，影響管道失效壓力，而當缺陷間距大于某一距離時，則不需要考慮缺陷之間的相互作用。缺陷之間相互作用可用缺陷間極限距離（（ SL ） Lim 或（ SC ） Lim ）來表示，一般認為 SL ≤SL Lim 或者 SC ≤SC Lim 時缺陷之間會發生相互作用。表4為不同研究機構和學者對缺陷相互作用規律的研究結果。由表可以看出不同的學者和評價標準對于缺陷相互作用得出的規律不同。

缺陷相互作用是一個復雜的過程，雖然研究人員得出了一些相互作用規律，但只在特定條件以及特定范圍內可用。因此，仍需對其進行深入研究以得到準確性更高、能普遍使用的相互作用規律以提高腐蝕管道失效評估的準確性和可靠性。

3.2.3缺陷幾何尺寸及缺陷位置的研究

缺陷深度是影響管道極限承載能力的一個重要因素。研究表明，缺陷深度對于雙缺陷的相互影響大于缺陷長度[69]。對于軸向雙缺陷，當軸向間距處于相互作用區間內時，隨著缺陷深度的增加，相互作用會越來越明顯，對管道的極限載荷影響也越來越大[68]725-727。對于軸向重疊缺陷（見圖3），頂層缺陷深度增加，缺陷間相互作用增強，管道失效壓力降低[31]241-243。底層缺陷深度增加，相互作用對頂層的缺陷尺寸越來越敏感。無論是頂層缺陷還是底層缺陷，缺陷深度的增加，都會降低管道失效壓力，且應力集中現象主要發生在底層缺陷，最大應力出現在缺陷邊緣處[67]282-285。此外，缺陷不只會出現在單一壁面，對于管道內壁面和外壁面同時存在的缺陷，黃坤等[70]199-204進行了研究，發現缺陷深度是影響內外壁缺陷間相互作用的主要因素，圖4為內外壁缺陷示意圖。這些研究結果再次揭示了缺陷深度對含體積型缺陷影響機制復雜。

缺陷長度雖然沒有缺陷深度那么明顯，但也有一定影響。在重疊缺陷中，無論是增加底層缺陷還是頂層缺陷長度，管道整體應力都會上升，底層缺陷反映更加明顯[67]279-285。在軸向重疊缺陷中，隨著頂層缺陷寬度的增加，失效壓力呈緩慢降低趨勢[31]240-243。盡管缺陷寬度對管道的影響雖不及缺陷深度和缺陷長度，但也不應忽略。

缺陷位置對于管道安全評估也有影響，且對矩形缺陷和橢球形缺陷的影響不同。黃云等[35]23-25對軸向橢球形缺陷進行了研究，發現缺陷長度和深度一定時，最大應力隨著環向角度增大而增大，在90°時，達到最大值，此時的管道最為危險。陳平偉等[36]151-152對軸向矩形缺陷進行研究，結果表明缺陷軸向間距一定時，徑向夾角在0°～60°內，管道剩余強度隨著缺陷徑向夾角的增大而增大，最終趨于穩定。

3.3失效壓力預測公式

目前的標準評價準則提出的管道失效壓力模型，在實際應用時，預測結果偏保守。為此，諸多學者基于缺陷幾何尺寸的影響構建了不同的失效壓力預測公式，與標準評價方法相比預測精度更高，這些公式可對標準評價方法補充，為其改進提供依據。表5列舉了部分失效壓力預測公式。

4 體積型缺陷研究趨勢及方向

4.1體積型缺陷模型的探索

目前含體積型缺陷管道爆破試驗研究和大多數有限元模擬研究都是將實際缺陷視為單缺陷和多個規則排列的缺陷進行分析研究，但實際缺陷在管道壁面的分布是隨機的，因此，對隨機分布的體積型缺陷展開研究非常必要，也是含缺陷管道安全分析的發展方向之一。

Valor A 等[82]建立了一種包括點蝕萌生和發展兩個部分的點蝕演化隨機模型，并用公開的實驗數據進行了驗證。 Caleyo F 等[83]利用蒙特卡羅方法有效地預測了地下管線鋼點蝕深度和腐蝕速率的長時分布規律。 Zimer A M 等[84]建立了可模擬多個點蝕隨機演化的三維模型。 Vodka O 等[85]159-168采用蒙特卡羅和有限元技術，對含半球形隨機分布缺陷的管道進行了研究，管道模型見圖5。

Wang H 等[86]512-526對群缺陷管道進行了實驗探究，采用非線性有限元與用戶定義的 Python 程序相結合對隨機分布的不同形式（半球、圓柱、圓錐）缺陷進行了數值模擬[87]527-541。實驗模型和數值模型如圖6所示，圖7為缺陷形式簡化圖。該研究既考慮了缺陷分布的隨機性，也考慮的不同的缺陷簡化形式。

無論是爆破試驗還是有限元模擬都是將實際復雜的缺陷簡化為形狀規則的缺陷，研究結果與實際情況較為接近，但還有一定差異。目前，已有學者針對這種情況做了研究。 Pimentel J T 等[88]111030基于現場檢測獲取的數據，采用 Patran FE 前后處理工具以及腳本語言 PCL 對真實腐蝕缺陷采取幾何體自動建模，進行合理的網格劃分和計算（見圖8），用非線性失效分析驗證了該方法的有效性，與半經驗方法和實驗結果進行對比分析，發現該方法可對半經驗方法進行改進，可為改進管道結構完整性評價提供更多選擇。

Pimentel 的研究對于管道體積型缺陷研究具有重要意義，充分證明研究趨勢在向著真實缺陷方向靠近，但 Pimentel 現場獲取的數據僅用于創建理想化的缺陷。因此，未來將三維結構重現或隨機生成模型與有限元相結合的研究方式會更加符合腐蝕管道的真實情況，需要在這方面展開更多的研究。

4.2多場耦合下缺陷管道研究

絕大多數管道缺陷評估研究僅考慮了單個物理場，即應力應變場，而實際管道缺陷同時受載荷、腐蝕、溫度等影響，具有非線性、時變性和多場耦合作用的特點。因而，多物理場耦合下的含缺陷管道安全評估研究受到了越來越多的重視。其中機械電化學效應已經在鋼的應力腐蝕中得到了廣泛的應用。 Gutman E M 等基于 Gutman 理論（機械作用下加速的電化學反應）[89]111030對機械-電化學耦合（ M-E）作用下的相鄰雙缺陷[90]9-19和重疊缺陷[53]110466進行了探究（見圖9）。對于相鄰缺陷，發現相同的缺陷間距條件下，環向應力使相鄰腐蝕缺陷之間的 M-E 相互作用增強。多個腐蝕缺陷之間的相互作用不僅存在于機械應力場中，也存在于電化學腐蝕場中。隨著缺陷長度的增加，在保持深度不變的情況下，缺陷處的局部應力增大，腐蝕電位負向偏移，缺陷處和鄰近區域的陽極電流密度增大。對于重疊缺陷，機械-電化學作用會加速腐蝕;隨著頂部和底部腐蝕缺陷長度和深度的增加，底層缺陷對于這種耦合作用更加敏感，影響更加明顯;在缺陷深度和長度增加的情況下，相互作用增強，導致底部腐蝕速率要比頂部更快。

對于機械電化學耦合作用下體積型缺陷的研究初步揭示了復雜服役環境對腐蝕管道的影響。通常情況下，高壓油氣輸送管道中，流體對管道的作用也不可忽視，后續研究可予以考慮，以進一步探索多場耦合下的復雜缺陷對管道安全的影響。

4.3機器學習方法的應用

對含缺陷管道研究的傳統方法有爆破試驗和數值模擬方法，爆破試驗對試驗條件要求苛刻，費用高、周期長。相比之下，數值模擬更加經濟便捷，但存在效率低的問題。近年來機器學習方法的快速發展為管道安全評估提供了更多的可能性。機器學習[91-94]作為一門多領域交叉學科，專門研究計算機怎么模擬人的行為，獲取新的知識。目前，機器學習方法主要有人工神經網絡、隨機森林、支持向量機、深度學習等。人工神經網絡和支持向量機在腐蝕管道安全評估中已有部分應用，Silva R C C 等[79]868-875基于有限元建立了缺陷管道的數據庫，運用人工神經網絡構建了預測模型，結果與標準評價方法 DNV RP F101進行了對比，展示了人工神經網絡在缺陷管道評估中的能力，但是該方法僅適用于理想化的模型。 GholamiH 等[95]04020034建立了溝槽型的缺陷模型并進行非線性有限元分析建立了數據庫，采用多層感知器（見圖10a）、帶樣條和高斯核的支持向量回歸對管道爆破壓力進行了預測，并用全尺寸爆破試驗結果對兩個方法進行驗證。結果表明高斯核的結果與實驗數據具有良好的相關性，多層感知器的準確性低于高斯核。 Xu W Z 等[96]255-266基于有限元方法對相互作用缺陷管道進行了分析，采用人工神經網絡（模型如圖10b 所示），對管道爆破壓力進行了預測。通過實驗結果驗證了該方法的有效性，并且與現有的標準評價方法進行了比較，證明了人工神經網絡方法的適用性。以上學者的研究揭示了機器學習方法在管道體積型缺陷評估中的巨大可能性，未來隨著機器學習的發展，可為腐蝕管道評估提供更多可選擇的方法。

綜上，將多種方法或多種技術相結合，對多場耦合下的復雜體積型缺陷管道（偏向真實缺陷）進行研究是將是未來的發展方向和研究趨勢。

5 結論

體積型缺陷對管道安全的影響研究為管道完整性管理提供了基礎。本文從體積型缺陷簡化形式展開，分類論述了載荷、缺陷幾何尺寸（缺陷深度、缺陷長度、缺陷寬度）對管道的影響，給出了缺陷簡化形式的建議。總結了群缺陷中的缺陷相互作用規律以及含體積型缺陷管道的失效壓力預測公式。巨大的需求和廣闊的應用前景對高強度、大口徑、大應變管線鋼的研發起著推動作用，在多物理場耦合背景下、考慮缺陷分布隨機性、將多種方法或技術結合對真實的缺陷進行研究會是管道體積型缺陷研究的方向。

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