油氣管道剩余壽命預(yù)測研究

包文紅

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院 甘肅蘭州 730050）

近年來，隨著石油、天然氣行業(yè)的迅速發(fā)展，油氣管道運(yùn)輸作為五大運(yùn)輸方式之一，有著獨(dú)特的優(yōu)勢。截至2020年底，國內(nèi)油氣管道已建設(shè)14.4萬km，其中，原油、成品油合計5.8 萬km，天然氣管道8.6 萬km［1］。隨著管道服役時間的增長，材質(zhì)劣化、腐蝕減薄、穿孔等隱患降低管道的本質(zhì)安全和承載能力，導(dǎo)致管道泄漏、失效事故頻發(fā)，造成財產(chǎn)損失和威脅民眾安全［2］。對含缺陷管道的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，可為管道的完整性管理提供依據(jù)，確定缺陷預(yù)估維修時間和下次檢驗(yàn)周期，降低管道維修維護(hù)費(fèi)用，提高管道本質(zhì)安全具有重要意義。

國內(nèi)外專家學(xué)者對油氣管道剩余壽命預(yù)測方法開展廣泛研究，Ossai 等［3］為計算油氣管道的深度腐蝕速率，通過Markov 模型分析預(yù)測相關(guān)算法。龐洪晨等［4］利用三軸高清漏磁檢測器對某天然氣管道進(jìn)行內(nèi)檢測，采用Modified B31G 和Kastner 相關(guān)方法，對管道的腐蝕缺陷深度進(jìn)行剩余強(qiáng)度評估和剩余壽命預(yù)測。王戰(zhàn)輝等［5］利用ASMEB31G、RSTRENG、DNV RP-F101等6 種標(biāo)準(zhǔn)方法對X70 以上鋼級開展剩余強(qiáng)度評價。張新生等［6］采用改進(jìn)基于廣義極值自適應(yīng)優(yōu)選分布方法對油氣管道剩余壽命預(yù)測研究。張琪［7］分別基于GSA-SVR 算法、改進(jìn)的RFFS 模型和幾何-Gumbel 模型對輸油管道外腐蝕進(jìn)行剩余壽命預(yù)測，并優(yōu)化了計算結(jié)果的精確度和可靠性。

本文基于《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——長輸（油氣）管道》（TSG D7003-2010）、《基于風(fēng)險的埋地鋼制管道外損傷檢驗(yàn)與評價》（GB/T 30582-2014）中關(guān)于油氣管道剩余壽命預(yù)測的計算方法，結(jié)合現(xiàn)場漏磁內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，評價腐蝕缺陷管道剩余壽命預(yù)測方法的準(zhǔn)確度和優(yōu)缺點(diǎn)，對于管道企業(yè)選擇科學(xué)、適用的剩余壽命評價方法具有指導(dǎo)意義。

1 剩余壽命預(yù)測方法

1.1 TSG D7003-2010失效壓力法

依據(jù)修正的ASME B31G-2009［8］對缺陷的失效壓力進(jìn)行評估，主要考慮了腐蝕缺陷深度和長度兩個參數(shù)，并考慮缺陷深度隨腐蝕速率擴(kuò)展的影響。TSG D7003-2010 失效壓力法［9］管道腐蝕剩余壽命預(yù)測計算方法如下：

式中：RL為管道腐蝕壽命（年）；C為校正系數(shù)，C =0.85；pf為失效壓力（MPa）；ps為屈服壓力（MPa）。依據(jù)《輸送鋼管靜水壓爆破試驗(yàn)方法》（SY/T 5992-2012）［10］，ps由式（3）確定：

其中，GR為腐蝕速率（mm/年）；d為腐蝕缺陷深度（mm）；t為名義壁厚（mm）；σflow為流變應(yīng)力。σflow由式（4）確定：

式中：L為缺陷長度（mm）；D為管道直徑（mm）。

1.2 GB/T 30582-2014壁厚法

壁厚法通過單個壁厚計算均勻腐蝕剩余壽命［11］。該方法基于未來服役條件、實(shí)測壁厚、金屬局部損失區(qū)域尺寸、預(yù)期腐蝕速率及裂紋擴(kuò)展速率估計計算需要的最小壁厚，適用于直管段均勻腐蝕與局部腐蝕剩余壽命預(yù)測，方法見式（6）：

式中：RL為剩余壽命（a）；Crate為預(yù)期腐蝕速率（mm/a）；tam為管道實(shí)測平均壁厚（mm）；tmin為管道最小要求壁厚（mm）；Rt為剩余壁厚比，由剩余強(qiáng)度評估可得。

當(dāng)直管段為均勻腐蝕時，Rt由RSFa代替，當(dāng)直管段為局部腐蝕時，Rt計算公式如式（7）：

式中：Mt為傅里葉因子，Mt=(1 + 0.48λ2)0.5；λ 為殼體參數(shù)，λ = 1.285s/如果評估環(huán)向缺陷，c代替s；RSFa為許用的剩余強(qiáng)度因子；Di為管道內(nèi)徑（mm）；s為實(shí)測局部金屬損失軸向長度（mm）；c為實(shí)測局部金屬損失環(huán)向長度（mm）。

1.3 GB/T 30582-2014極值統(tǒng)計法

極值統(tǒng)計法適用于檢驗(yàn)區(qū)段管道腐蝕缺陷數(shù)據(jù)大于等于16處，如果檢驗(yàn)區(qū)段管道剩余壁厚達(dá)到最小要求壁厚［11］，則認(rèn)為管道剩余壽命為0。管道最小要求壁厚tmin見式（8）：

式中：p 為內(nèi)壓（MPa）；DO為管子外徑（mm）；S 為許用應(yīng)力（MPa）；E 為焊縫系數(shù)；F 為軸向作用力（N）；M為彎矩（N·mm）；Dm為管道內(nèi)半徑（mm）。

極值統(tǒng)計剩余壽命預(yù)測方法和步驟如下。

步驟1：腐蝕剩余壽命預(yù)測見式（9）。

式中：RL為剩余壽命（a）；C2為管道的腐蝕裕量（mm）；Vx為腐蝕速率（mm/a）；Cx為腐蝕速率變異系數(shù)；Ra為可靠度。

步驟2：腐蝕速率Vx、變異系數(shù)Cx求解公式分別見式（10）、式（11）：

式中：x*為最大腐蝕深度的均值（mm），可由x*=求得；Sx為最大腐蝕深度的方差（mm），可由Sx=求得；T1為管道已使用時間（a）；N為腐蝕缺陷的個數(shù)；t0.90，N-1為90%置信度下的t分布系數(shù)為90%置信度下的χ2分布系數(shù)。

步驟3：腐蝕剩余壽命預(yù)測可根據(jù)式（9）建立可靠度Ra與剩余壽命RL之間的關(guān)系曲線。

2 檢測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某長輸天然氣管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為例，該管道2013年8月投用，管道規(guī)格為377mm×8mm，材質(zhì)為L360，設(shè)計壓力為6.3MPa，設(shè)計溫度為20℃，最高工作壓力≤6.3MPa，于2020年8月委托檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行漏磁內(nèi)檢測，選取10～20km 金屬損失內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行剩余壽命預(yù)測，腐蝕缺陷檢測結(jié)果見表1。

表1 腐蝕缺陷數(shù)據(jù)

3 計算結(jié)果

3.1 失效壓力法和壁厚法剩余壽命預(yù)算計算結(jié)果

失效壓力法以腐蝕缺陷數(shù)據(jù)軸向長度和深度計算剩余壽命，壁厚法分別以軸向、環(huán)向缺陷長度和缺陷深度計算剩余壽命。計算結(jié)果見表2和表3。

表2 失效壓力法最小剩余壽命計算結(jié)果

表3 壁厚法最小剩余壽命計算結(jié)果

由圖1 可知，失效壓力法計算得到最小剩余壽命整體比壁厚法得到剩余壽命要大。依據(jù)流變應(yīng)力隨管材等級對失效壓力的影響規(guī)律［12］，對于中低強(qiáng)度鋼選擇不同的流變應(yīng)力值，會使該缺陷的失效壓力保守性不同。本文流變應(yīng)力選用1.1倍最小屈服強(qiáng)度，計算得到的失效壓力較高，缺陷的保守性較大，預(yù)留較多的安全裕量。最小壁厚法得到剩余壽命同時，受軸向、環(huán)向缺陷長度和深度的影響，相同缺陷深度均22%，軸向缺陷長度為18mm和63mm計算的剩余壽命分別為18.80年和9.19年，缺陷長度對壁厚法計算剩余壽命影響較大。而失效壓力法最小剩余壽命主要與缺陷深度有關(guān)，最小剩余壽命13.78年。缺陷處的深度為28%、軸向長度為37mm，軸向缺陷長度為63mm、缺陷深度為22%，計算得到的剩余壽命為16.93年。

圖1 剩余壽命分布圖

3.2 GB/T 30582-2014極值統(tǒng)計法

將管道根據(jù)不同的地段劃分為低風(fēng)險管段、中風(fēng)險地段和高風(fēng)險管段3種類型。風(fēng)險管段指在腐蝕環(huán)境、管體本身等因素影響下，發(fā)生管體腐蝕和破壞的難易程度和失效后果輕重程度。這樣，可靠度Ra與不同風(fēng)險地段發(fā)生事故的可接受失效概率p 關(guān)系為：p=1-Ra，從而得到不同的剩余壽命年限。可靠度與剩余壽命曲線見圖2，計算結(jié)果見表4。

圖2 可靠度與剩余壽命關(guān)系曲線

表4 不同風(fēng)險地段管道剩余壽命

4 結(jié)論

（1）依據(jù)失效壓力法（TSG D7003-2010）和壁厚法（GB/T 30582-2014）計算得到的管道腐蝕剩余壽命相差較大，前者預(yù)留較多的安全裕量。缺陷深度是影響失效壓力法的主要因素；壁厚法除缺陷深度外，應(yīng)考慮軸向和環(huán)向缺陷長度對最小剩余壽命的影響。

（2）極值統(tǒng)計法依據(jù)管道所處環(huán)境的可接受程度來確定，通常以中風(fēng)險管道失效概率1×10-3為可接受，管道的剩余壽命為12.52年，結(jié)果相對較保守。

（3）基于腐蝕缺陷深度和軸向、環(huán)向長度計算方法較保守，建議在開展兩輪以上內(nèi)檢測基礎(chǔ)上，對比分析管道的缺陷擴(kuò)展速率，盡可能全面收集管道的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)，選擇更為科學(xué)合理的管道剩余壽命計算方法，優(yōu)化計算結(jié)果。