油氣田鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測結(jié)果評價方法及分析

安 超 郝曉東 宋躍海 牟永春 劉百春 薛 劍 孫 瀚

（1. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；2. 中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京 100000）

0 引言

塔里木是國家“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略“西氣東輸”工程的主力氣源地，塔里木油田共有各類管道14116km，其中凈化油氣管道6339km，集輸管道7777km。按照《股份公司油氣田管道和站場完整性管理規(guī)定》對管道進行分類，Ⅰ類管道7309km，占比52%；Ⅱ類管道3182km，占比23%；Ⅲ類管道3625km，占比27%，如表1表示。

表1 管道分類統(tǒng)計表

在油田快速發(fā)展過程中，隨著油田綜合含水上升、集輸管線服役年限增加，腐蝕問題越來越突出。腐蝕處會產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而削弱管道的承壓能力。塔里木油田塔中、輪南等油氣田單井產(chǎn)出液普遍存在“高礦化度、高含CO2、高含氯離子、低pH值”的特點，腐蝕環(huán)境非常惡劣[1]，塔里木集油管線穿孔如圖1表示。隨著油田開發(fā)年限的延長，腐蝕帶來的直接損失和間接損失有逐年上升的趨勢。本文針對塔里木油氣集輸管道特點，結(jié)合內(nèi)檢測數(shù)據(jù)研究形成油氣集輸管道缺陷一般評價和精準評價的方法，建立適合塔里木油田集輸管道的安全評價分級方法，對塔里木油田的內(nèi)檢測缺陷開展0～3級評價并將評價結(jié)果對比分析，為油氣田集輸管道的完整性評價提供核心技術(shù)手段。

圖1 塔里木集油管線穿孔示意圖

1 概述

1.1 腐蝕缺陷管道評價規(guī)范

從20世紀60年代末開始，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量關(guān)于腐蝕管道失效行為和失效評估的研究。ASME B31G[2]是最早頒布也是應(yīng)用最為廣泛的腐蝕管道剩余強度評價規(guī)范，該規(guī)范適用于評價中低強度的鋼管[3]，僅考慮了腐蝕區(qū)域最大深度和縱向長度，忽略了實際腐蝕形狀[4]。Kiefner和Vieth[5]通過引入新的Folias鼓脹系數(shù)和流變應(yīng)力，提出了modified ASME B31G準則。挪威船級社（DNV）和英國燃氣公司（BG）于1999年合作推出了DNV-RP-F101[6]腐蝕管道評價標準，該標準基于X65-X80鋼的試驗和模擬數(shù)據(jù)，評價中高強度的鋼管時準確度較高[7-10]。

本文對這兩個管道腐蝕缺陷標準及有限元法腐蝕缺陷分析方法進行調(diào)研，初步確定這三種評價方法的適用范圍，再對各評價的內(nèi)容與方法之間的差異進行分析比對，最終得出各級評價所需要的評價流程。

1.2 0級評價

（1）根據(jù)管道直徑D選取相應(yīng)列表；（2）根據(jù)缺陷/缺陷群集深度d在表中進行定位，如果表中無d值項，則選大于d值的第一項；（3）根據(jù)管道壁厚t在表中進行定位，如果表中無t值項，則選小于t值的第一項；（4）通過以上定位，會在表中定位到一個缺陷長度La值，如果表中此處為空，或者La小于輸入的缺陷/缺陷群集長度L，則輸出該缺陷/缺陷群集屬于非第三類腐蝕缺陷，0級評價無法接受，如果表中La大于輸入的缺陷/缺陷群集長度L，則輸出該缺陷屬于第三類腐蝕缺陷，0級評價可以接受。

1.3 1級評價

（1）判斷是否存在缺陷群集：對于缺陷群集的判斷依據(jù)為，缺陷軸向間距S、環(huán)向間距Φ小于3t，即為缺陷群集。其判斷流程與0級評價一致；

（2）對缺陷/缺陷群集進行評價：對缺陷及缺陷群集的評價方法可歸納為以下步驟：確定管道直徑和公稱壁厚；清理被腐蝕的管道表面，直至露出底部金屬；測量腐蝕區(qū)域內(nèi)最大腐蝕深度d，軸向腐蝕長度L；確定相應(yīng)的管道材料屬性；選擇一種方法計算失效應(yīng)力SF；定義合理的安全系數(shù)SF；比較SF與SF*S0；當(dāng)SF≥SF*S0，或PF≥SF* S0時，缺陷可以接受。

其中，失效應(yīng)力SF的計算共有以下幾種方法：①Original B31G方法：

Z≤20時：

Z＞20時：

②Modified B31G

Z≤50時：

Z＞5時：

失效應(yīng)力SF：

再求得失效壓力PF為：

③DNV-RP-F101

首先判斷是否存在缺陷群集，存在缺陷群集的標準為管道腐蝕部分應(yīng)被劃分成長度不小于5.0的區(qū)域，該區(qū)域最小重疊長度不小于2.5。同時構(gòu)造一系列軸向投影線，其周向角間距為，其判斷流程與零級評價一致。

如果存在缺陷群集，需要對缺陷群集進行定義，首先按照順序?qū)⑷毕萑杭幪枺缓蠖x缺陷群集長度和深度。如：缺陷群集包括1號缺陷、2號缺陷、3號缺陷，缺陷群集長度L為L1+L2+L3+S12+S23，缺陷群集深度d為。

再對缺陷依據(jù)以下許用應(yīng)力法計算公式計算失效壓力：

其中 Pf為失效壓力，MPa；

Q為長度修正系數(shù)。

1.4 2級評價

1）Modified ASME B31G算法

二級評價采用有效面積法，步驟與一級評價相同，但有效面積法需要詳細測量管道腐蝕深度或剩余壁厚。有效面積法是把整個損失區(qū)用網(wǎng)格劃分成若干個梯形，通過測量所劃分的網(wǎng)格的尺寸，進行加和來獲取金屬損失區(qū)的有效面積。

其中：A為腐蝕缺陷軸向金屬損失有效面積；

di為位置i點的腐蝕深度；

Li為位置i點的軸線距離；

n為測量次數(shù)。

有效面積法估計失效應(yīng)力的公式：

其中：A0為有效面積區(qū)金屬原始面積，A0=Lt。

對于缺陷群集，采用以下評價方法：

①判斷是否存在缺陷群集

缺陷軸向間距S或環(huán)向間距Φ小于3t，即為缺陷群集，判斷流程與一級評價中Modified ASME B31G一致。

②對缺陷/缺陷群集進行評價按照下列公式計算：

當(dāng)Z≤50時：

當(dāng)Z＞50時：

求得失效壓力為：

2）DNV許用應(yīng)力法

首先判斷是否存在缺陷群集，判據(jù)和判斷流程：與一級評價中DNV方法中一致。

計算總形狀許用的應(yīng)力：

計算每個斑塊的許用應(yīng)力：

計算每個斑點的許用應(yīng)力：

計算組合缺陷的許用壓力：

前述計算中最小的許用壓力即為管道的許用壓力：

1.5 3級評價

基于ANSYS有限元方法分析方法進行數(shù)值試驗，對某種鋼材在不同管徑、不同壁厚及腐蝕深度進行失效應(yīng)力的模擬，最終得出3級評價的失效應(yīng)力值。現(xiàn)以某缺陷為例說明三級評價流程。

1.5.1 管道模型

管道材質(zhì)采用屈服強度為450MPa的L450管線管，獨立腐蝕缺陷的尺寸為如表2所示。

表2 管道模型參數(shù)

依據(jù)實際尺寸建立有限元數(shù)值模擬模型，如圖2和圖3表示。

圖2 管道總體模型圖

圖3 腐蝕缺陷模型圖

1.5.2 方法論述

（1）網(wǎng)格劃分

運用有限元分析方法ANSYS對模型進行非線性分析，結(jié)構(gòu)并非始終處于彈性狀態(tài)，故需要考慮材料非線性，如圖4和圖5表示。依據(jù)L450鋼材的自身屬性，設(shè)定材料的屈服應(yīng)力為210MPa，最大拉應(yīng)力為415MPa。

圖4 整體模型網(wǎng)格

圖5 網(wǎng)格局部加密

對建立的分析模型進行網(wǎng)格劃分，并對缺陷區(qū)域進行網(wǎng)格局部加密以獲得較高的精度。管道數(shù)值模擬選取SOLID45單元，以達到模擬大變形并節(jié)約計算成本的目的；

（2）載荷條件

管道內(nèi)壁（包括缺陷表面）施加內(nèi)壓，進行分步加載；

（3）邊界與約束條件

通過對兩側(cè)刨面施加對稱約束來等效全局模型，通過對兩端面施加固定約束來等效夾具對管道的固定作用，如圖6表示；

圖6 載荷與約束條件

（4）計算原理

管道內(nèi)壓載荷從0開始按預(yù)先設(shè)定的載荷步進行分步加載，進行迭代計算。直到施加的壓力載荷使得管道產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力達到415MPa時，依據(jù)最大拉應(yīng)力準則迭代計算無法收斂，從而停止計算。此時，認為已經(jīng)達到設(shè)定的破壞狀態(tài)，當(dāng)前載荷步數(shù)×步長=加載壓力。即可求得當(dāng)前管道的破壞壓力值。

1.5.3 計算結(jié)果

壓力云圖如圖7所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在缺陷的邊緣處，超過415MPa的最大拉應(yīng)力限定，此時施加的罐壁內(nèi)壓即為管道的破壞壓力值。此時，依據(jù)“當(dāng)前載荷步數(shù)×步長=加載壓力”，即0.13×100=13MPa。計算得到當(dāng)前工況下管道的失效壓力值為13MPa。

圖7 有限元計算云圖

2 內(nèi)檢測結(jié)果評價方法及應(yīng)用

2.1 0級-3級評價方法

（1）評價所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

0級評價僅需要管道直徑/壁厚，及缺陷深度、長度即可查表評價，給出定性結(jié)果。1級評價可依據(jù)內(nèi)檢測結(jié)果，給出定量結(jié)果（含缺陷管道安全運行壓力）包括管道尺寸數(shù)據(jù)、管材級別、設(shè)計運行壓力、缺陷尺寸數(shù)據(jù)（如表3表示）。2級評價的結(jié)果較1級評價更接近真實值，但需要更多的數(shù)據(jù)需開挖驗證，獲取缺陷準確輪廓信息（如圖8表示）。3級評價最為接近真實值，但在2級評價所需數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上還需準確的材料性能數(shù)據(jù)；

圖8 迭代計算過程

表3 缺陷尺寸數(shù)據(jù)表

（2）評價流程

該方法的內(nèi)檢測結(jié)果評價部分，主要是根據(jù)內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，對含缺陷管道進行0級評價、1級評價、2級評價、3級評價，評價級別依次遞增，準確性也依次增加。通過對內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的算法模型運算，得出缺陷承壓能力、管道失效臨界壓力、管道預(yù)估維修因子等，最終得到缺陷類型以及維修建議，從而對管道能否安全運行進行判斷，并提供指導(dǎo)意見。參照ASME B31G實現(xiàn)0級評價算法，Modif ined B31G 1級評價算法，Original B31G 1級評價算法，2級評價中的有效面積法；參照DNVGLRP-F101已經(jīng)實現(xiàn)包括分析安全系數(shù)法、許用應(yīng)力法在內(nèi)的1級評價算法；3級評價基于ANSYS有限元方法，模擬出特定管道缺陷的失效壓力。

圖8 開挖驗證缺陷輪廓信息

2.2 內(nèi)檢測缺陷的評價

以某獨立腐蝕的鋼制管道為例，運用該油氣田鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測結(jié)果評價方法對其進行評價。管道及獨立腐蝕缺陷參數(shù)如表2表示，依據(jù)開挖檢測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，利用本文所提方法進行運算，得出結(jié)果如表4表示。

表4 油氣田鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測結(jié)果評價方法結(jié)果

1、2級評價各項評價方法結(jié)果與3級評價結(jié)果的相對誤差值如圖9表示。

圖9 1、2級評價結(jié)果與3級評價結(jié)果相對誤差

由該缺陷的評價結(jié)果可知0級評價只能給出定性結(jié)論，判斷該缺陷是否通過0級評價，在承壓范圍之內(nèi)，不能計算缺陷承壓能力的具體數(shù)值。1級評價的4個算法所計算出的缺陷承壓能力，與3級評價結(jié)果相比，其相對誤差“ASME Modifined B31G”＜“ASME Original B31G”＜“DNV分項安全系數(shù)法”＜“DNV許用應(yīng)力法”。由此可知1級評價中“ASME Modifined B31G”的計算結(jié)果與3級評價最為接近，相對誤差為8.5%。2級評價的2個算法所計算出的缺陷承壓能力，與3級評價結(jié)果相比，其相對誤差“DNV許用應(yīng)力法”＜“ASME Modifined B31G”，2級評價中“DNV許用應(yīng)力法”的計算結(jié)果與3級評價最為接近，相對誤差為-10.8%。

3 結(jié)語

分析了基于ASME B31G和DNV RP-F101管道腐蝕缺陷標準的油氣田鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測結(jié)果評價方法及主要功能，并通過實例對方法進行驗證。結(jié)果表明：該方法邏輯性強，計算結(jié)果準確，易于操作，對實現(xiàn)油氣集輸管道缺陷一般評價和精準評價有較好推廣前景。