油氣管道剩余壽命預測研究

包文紅

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院 甘肅蘭州 730050）

近年來，隨著石油、天然氣行業的迅速發展，油氣管道運輸作為五大運輸方式之一，有著獨特的優勢。截至2020年底，國內油氣管道已建設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，材質劣化、腐蝕減薄、穿孔等隱患降低管道的本質安全和承載能力，導致管道泄漏、失效事故頻發，造成財產損失和威脅民眾安全［2］。對含缺陷管道的剩余壽命進行預測，可為管道的完整性管理提供依據，確定缺陷預估維修時間和下次檢驗周期，降低管道維修維護費用，提高管道本質安全具有重要意義。

國內外專家學者對油氣管道剩余壽命預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 模型分析預測相關算法。龐洪晨等［4］利用三軸高清漏磁檢測器對某天然氣管道進行內檢測，采用Modified B31G 和Kastner 相關方法，對管道的腐蝕缺陷深度進行剩余強度評估和剩余壽命預測。王戰輝等［5］利用ASMEB31G、RSTRENG、DNV RP-F101等6 種標準方法對X70 以上鋼級開展剩余強度評價。張新生等［6］采用改進基于廣義極值自適應優選分布方法對油氣管道剩余壽命預測研究。張琪［7］分別基于GSA-SVR 算法、改進的RFFS 模型和幾何-Gumbel 模型對輸油管道外腐蝕進行剩余壽命預測，并優化了計算結果的精確度和可靠性。

本文基于《壓力管道定期檢驗規則——長輸（油氣）管道》（TSG D7003-2010）、《基于風險的埋地鋼制管道外損傷檢驗與評價》（GB/T 30582-2014）中關于油氣管道剩余壽命預測的計算方法，結合現場漏磁內檢測數據，評價腐蝕缺陷管道剩余壽命預測方法的準確度和優缺點，對于管道企業選擇科學、適用的剩余壽命評價方法具有指導意義。

1 剩余壽命預測方法

1.1 TSG D7003-2010失效壓力法

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

式中：RL為管道腐蝕壽命（年）；C為校正系數，C =0.85；pf為失效壓力（MPa）；ps為屈服壓力（MPa）。依據《輸送鋼管靜水壓爆破試驗方法》（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、實測壁厚、金屬局部損失區域尺寸、預期腐蝕速率及裂紋擴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測，方法見式（6）：

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

當直管段為均勻腐蝕時，Rt由RSFa代替，當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，λ = 1.285s/如果評估環向缺陷，c代替s；RSFa為許用的剩余強度因子；Di為管道內徑（mm）；s為實測局部金屬損失軸向長度（mm）；c為實測局部金屬損失環向長度（mm）。

1.3 GB/T 30582-2014極值統計法

極值統計法適用于檢驗區段管道腐蝕缺陷數據大于等于16處，如果檢驗區段管道剩余壁厚達到最小要求壁厚［11］，則認為管道剩余壽命為0。管道最小要求壁厚tmin見式（8）：

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

極值統計剩余壽命預測方法和步驟如下。

步驟1：腐蝕剩余壽命預測見式（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；Ra為可靠度。

步驟2：腐蝕速率Vx、變異系數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；t0.90，N-1為90%置信度下的t分布系數為90%置信度下的χ2分布系數。

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

2 檢測基礎數據

以某長輸天然氣管道內檢測數據為例，該管道2013年8月投用，管道規格為377mm×8mm，材質為L360，設計壓力為6.3MPa，設計溫度為20℃，最高工作壓力≤6.3MPa，于2020年8月委托檢測機構進行漏磁內檢測，選取10～20km 金屬損失內檢測數據進行剩余壽命預測，腐蝕缺陷檢測結果見表1。

表1 腐蝕缺陷數據

3 計算結果

3.1 失效壓力法和壁厚法剩余壽命預算計算結果

失效壓力法以腐蝕缺陷數據軸向長度和深度計算剩余壽命，壁厚法分別以軸向、環向缺陷長度和缺陷深度計算剩余壽命。計算結果見表2和表3。

表2 失效壓力法最小剩余壽命計算結果

表3 壁厚法最小剩余壽命計算結果

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。依據流變應力隨管材等級對失效壓力的影響規律［12］，對于中低強度鋼選擇不同的流變應力值，會使該缺陷的失效壓力保守性不同。本文流變應力選用1.1倍最小屈服強度，計算得到的失效壓力較高，缺陷的保守性較大，預留較多的安全裕量。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，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極值統計法

將管道根據不同的地段劃分為低風險管段、中風險地段和高風險管段3種類型。風險管段指在腐蝕環境、管體本身等因素影響下，發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與不同風險地段發生事故的可接受失效概率p 關系為：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，計算結果見表4。

圖2 可靠度與剩余壽命關系曲線

表4 不同風險地段管道剩余壽命

4 結論

（1）依據失效壓力法（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，應考慮軸向和環向缺陷長度對最小剩余壽命的影響。

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

（3）基于腐蝕缺陷深度和軸向、環向長度計算方法較保守，建議在開展兩輪以上內檢測基礎上，對比分析管道的缺陷擴展速率，盡可能全面收集管道的基礎數據和檢測數據，選擇更為科學合理的管道剩余壽命計算方法，優化計算結果。