外腐蝕損傷模式下的埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿朗Ｓ鄰?qiáng)度評(píng)價(jià)與剩余壽命預(yù)測(cè)

余雨虹，文鵬

（1.內(nèi)江市檢驗(yàn)檢測(cè)中心，四川 內(nèi)江 641100；2.杭州鼎勢(shì)智能科技有限公司，浙江 杭州 310000）

埋地鋼質(zhì)管道的外損傷主要有外腐蝕、凹陷、劃傷以及不良地質(zhì)條件造成的管道軸向應(yīng)力過(guò)大等。燃?xì)夤艿婪笤O(shè)形式主要為埋地敷設(shè)，隱蔽工程下的軸向應(yīng)力較難發(fā)現(xiàn)，在地質(zhì)條件狀況相對(duì)穩(wěn)定，敷設(shè)環(huán)境變化不大的情況下，外腐蝕造成的損傷占主要。在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖氖Ыy(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，腐蝕造成的失效占失效總因素的68%。因此，開展埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿劳夥栏瘜訖z測(cè)，發(fā)現(xiàn)外腐蝕損傷，進(jìn)而開展剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)工作，對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

1 外腐蝕損傷檢測(cè)

外防腐層損傷檢測(cè)方法主要有交流電流衰減法（又稱PCM 法、多頻管中電流法）、交流電位梯度法ACVG、直流電流衰減法、直流電位梯度法DCVG、變頻-選頻法、密間隔電位測(cè)量法CIPS 等。各種方法適用條件不同，在不同環(huán)境情況下，各有優(yōu)越性。多種方法相互結(jié)合、相互補(bǔ)充，可實(shí)現(xiàn)一定條件下的埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿劳鈸p傷的檢測(cè)及評(píng)價(jià)工作。本文重點(diǎn)介紹交流電流衰減法和交流電位梯度法結(jié)合的外腐蝕檢測(cè)技術(shù)。

交流電流衰減法（PCM 法）測(cè)試原理是：儀器的發(fā)射機(jī)給管線施加一定頻率的電流，利用接收機(jī)沿管道上方接收管道中的電流信號(hào)，獲取電流值。通過(guò)電流的衰減可計(jì)算該段管道的外防腐層絕緣電阻值和管道電流衰減率，判斷防腐層整體狀況。檢測(cè)示意圖見圖1。

圖1 交流電流衰減法檢測(cè)示意圖

交流電位梯度法測(cè)試原理是：當(dāng)防腐層破損時(shí)，管道中電流會(huì)從防腐層破損處流出或流入大地，在土壤中形成電位梯度，通過(guò)測(cè)量電位梯度，可對(duì)防腐層的破損點(diǎn)進(jìn)行定位測(cè)量。當(dāng)土壤電阻率一定時(shí)，該方法獲取的漏損點(diǎn)強(qiáng)度（DB 值）大小可一定程度的反映防腐層外損傷情況的嚴(yán)重性。防腐層外損傷漏損點(diǎn)檢測(cè)示意圖見圖2。

圖2 交流電位梯度法檢測(cè)示意圖

綜合以上兩種方法通過(guò)防腐層絕緣電阻值和防腐層破損點(diǎn)密度可定性判斷外防腐層狀況。針對(duì)防腐層絕緣性能較差、破損點(diǎn)密度較高的管段，選取外損傷嚴(yán)重的管道進(jìn)行開挖工作，采集外腐蝕損傷數(shù)據(jù)。

2 外腐蝕損傷形態(tài)

外防腐層失效后，埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿涝诟g活性區(qū)根據(jù)防腐層失效面積不同，腐蝕成因不同可形成不同的腐蝕形態(tài)。

雜散電流引起的腐蝕主要為點(diǎn)蝕，腐蝕方向沿管道環(huán)向延伸，腐蝕坑邊緣清晰圓滑。腐蝕速率較快，可直接造成管道穿孔泄漏，對(duì)管道危害較大。

土壤腐蝕引起的腐蝕主要為點(diǎn)狀、面狀腐蝕，腐蝕面形成不同深度的腐蝕坑。腐蝕速率隨土壤腐蝕性不同而不同，一般腐蝕速率相對(duì)較慢，危害性相對(duì)較小。

以上兩種腐蝕形態(tài)都有金屬的蝕失，使管道造成體積型缺陷，影響管道的剩余強(qiáng)度，從而影響管道壽命。

3 剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)及剩余壽命預(yù)測(cè)

管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)又稱適用性評(píng)價(jià)或合于使用評(píng)價(jià)。剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)是在缺陷定量檢測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)嚴(yán)格的力學(xué)分析和計(jì)算，給出管道的最大允許工作壓力（簡(jiǎn)稱MAOP），為管道升、降壓及管道維修提供決策的依據(jù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)研究十分重視，基礎(chǔ)理論建立較早，形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，例如，API 579《服役適用性評(píng)價(jià)推薦做法》、BS 7910《金屬結(jié)構(gòu)中缺陷驗(yàn)收評(píng)定方法導(dǎo)則》《GB/T 30582-2014 基于風(fēng)險(xiǎn)的埋地鋼質(zhì)管道外損傷檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)》等。

外腐蝕損傷通常為防腐層受到外部機(jī)械損傷后造成破損，破損處管道受到腐蝕，腐蝕造成的缺陷一般為單一體積型缺陷。

含單一體積型缺陷的失效壓力計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)P為含缺陷管道的失效壓力，Mpa；D為管道直徑，mm；t為管道壁厚，mm；d為腐蝕缺陷深度，mm；σflow為流變應(yīng)力，Mpa；M為Folias 膨脹系數(shù)；為材料最小屈服強(qiáng)度，Mpa；L為缺陷長(zhǎng)度，mm。

剩余壽命預(yù)測(cè)主要包括腐蝕壽命預(yù)測(cè)、裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)、損傷壽命預(yù)測(cè)等，本文主要針對(duì)管道腐蝕壽命展開預(yù)測(cè)。

外腐蝕造成管體壁厚減薄，管道剩余強(qiáng)度減弱，準(zhǔn)確獲取的管道腐蝕速率是開展腐蝕壽命預(yù)測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)。準(zhǔn)確的腐蝕速率預(yù)測(cè)一般是沿管道懸掛腐蝕刮片，通過(guò)腐蝕刮片的失重情況計(jì)算腐蝕速率。通過(guò)腐蝕壽命預(yù)測(cè)公式計(jì)算管道的剩余壽命。

腐蝕壽命預(yù)測(cè)公式為：

式中，RL 為腐蝕壽命，年；C 為校正系數(shù)，取0.85；SM 為安全裕量，無(wú)量綱；MAOP 為管段許用應(yīng)力，MPa；GR 為腐蝕速率，mm/年；t 為名義壁厚，mm。

4 案例分析

某條埋地鋼質(zhì)次高壓B 級(jí)燃?xì)夤艿溃O(shè)計(jì)壓力為1.0MPa，使用壓力為0.8MPa，管道規(guī)格為D108×6，總長(zhǎng)度為8.820km，防腐層類型為石油瀝青防腐層，未施加陰極保護(hù)，材質(zhì)為20#鋼，輸送介質(zhì)為二類天然氣，敷設(shè)環(huán)境為郊區(qū)土壤介質(zhì)，管道參照地區(qū)等級(jí)為三級(jí)地區(qū)，投用日期為1985 年。

該管道管道經(jīng)外防腐層損傷檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)30DB 以上防腐層破損點(diǎn)共計(jì)72 處，防腐層破損點(diǎn)較多，70DB以上破損點(diǎn)數(shù)量高達(dá)24 處，隨機(jī)開挖抽查70DB 以上防腐層破損點(diǎn)12 處，并對(duì)管體缺陷及腐蝕狀況進(jìn)行了檢測(cè)，12 處開挖點(diǎn)的管道均漏鐵銹蝕，且都處于直管段上，發(fā)現(xiàn)缺陷類型均為腐蝕造成的體積型損傷，缺陷軸向長(zhǎng)度均大于環(huán)向長(zhǎng)度，并對(duì)缺陷進(jìn)行了記錄，記錄數(shù)據(jù)見表1。

表1 開挖測(cè)量數(shù)據(jù)

按照以上公式對(duì)12 處外腐蝕損傷缺陷進(jìn)行剩余強(qiáng)度計(jì)算，評(píng)估結(jié)果見表2。

表2 剩余強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

由于該管道無(wú)腐蝕刮片、缺乏準(zhǔn)確的年腐蝕速率，在未知腐蝕速率情況下，腐蝕速率保守取值為0.4mm/a。管道腐蝕壽命預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 剩余壽命預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果

管道剩余強(qiáng)度值最低處是開挖點(diǎn)10 處，其剩余強(qiáng)度值即失效壓力為17.05MPa，帶入三級(jí)地區(qū)強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)0.4，管道的MAOP 為6.82MPa，其值遠(yuǎn)大于管道的使用壓力0.8MPa，該管道的剩余強(qiáng)度滿足要求。

經(jīng)剩余壽命預(yù)測(cè)計(jì)算，管道剩余壽命為7.61 年。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從埋地鋼質(zhì)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿赖耐飧g損傷入手，講述了埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿劳飧g損傷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的方法及技術(shù)及其主要損傷形態(tài)，引用剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)及剩余壽命預(yù)測(cè)基礎(chǔ)理論公式，通過(guò)案例計(jì)算，得到剩余強(qiáng)度值及腐蝕剩余壽命。

針對(duì)整條管線，剩余強(qiáng)度值的準(zhǔn)確性及剩余壽命的嚴(yán)謹(jǐn)性，取決于防腐層破損點(diǎn)為腐蝕活性點(diǎn)，獲取的數(shù)據(jù)是管道正在進(jìn)行腐蝕的數(shù)據(jù)。

埋地管道受雜散電流干擾、土壤腐蝕性差異、地磁干擾因素導(dǎo)致管道內(nèi)部自身存在電動(dòng)勢(shì)，管地電位存在差異性。當(dāng)開挖點(diǎn)不具隨機(jī)性和開挖點(diǎn)數(shù)不符合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理時(shí)，獲取的數(shù)據(jù)就不具準(zhǔn)確性，即開挖點(diǎn)在管道自身的陰極端，評(píng)價(jià)結(jié)果就不足以覆蓋整條管線的剩余強(qiáng)度值，剩余壽命預(yù)測(cè)也就缺乏準(zhǔn)確性和真實(shí)性。