輸氣管道內腐蝕缺陷剩余強度評估方法分析

曹 斌 王海清

浙江浙能天然氣運行有限公司 （浙江 杭州 310052）

據大量國內外資料統計表明，對于管內腐蝕介質侵蝕和管外環境腐蝕嚴重的天然氣管道來說，腐蝕是造成管線失效的最重要因素之一[1]。因腐蝕造成的輸氣管道內腐蝕缺陷嚴重影響天然氣管道運營階段的安全和經濟目標。對含有內腐蝕缺陷的輸氣管道進行剩余強度計算是對整條天然氣管道進行安全評估極其重要的一環，對保證管道的安全平穩運行有著不可替代的作用。

1 幾種常用管道剩余強度評估方法

20世紀60年代末70年代初，美國Battelle研究所根據斷裂力學理論分析和爆破實驗結果提出了半理論半經驗計算公式NG-18，后由美國煤氣協會（AGA）作為標準頒布，這是最早用來計算管道極限內壓載荷的公式，具體計算公式如式（1）:

式中 PC—腐蝕管道的極限內壓載荷，MPa；

σf—管道材料的流變應力強度，MPa；

t—管道厚度，mm；

D—管道外徑，mm；

A—腐蝕長度為基準的腐蝕面積，mm2；

A0—以腐蝕長度為基準的原始壁厚面積，mm2；

Mf—Folias膨脹系數。

20世紀90年代初，Kiefner在NG-18公式的基礎上對其進行了修正,美國機械工程師協會（ASME）以此修正公式為基礎頒布了腐蝕管道的安全評估規范ASME B31G[2]，這是最早、也是目前使用最為廣泛的腐蝕管道評估規范。

式中 σy—管道材料的屈服強度，MPa；

d—腐蝕缺陷深度，mm；

L—腐蝕缺陷長度，mm。

其他符號含義見式（1）。

O’Grady等針對ASME B31G規范的保守性，對流變應力、Folias膨脹系數和腐蝕面積作出了相應修正，提高了公式計算的精度，稱之為改進的ASME B31G方法，改進的ASME B31G方法中腐蝕管道極限內壓載荷計算公式見式（4）:

式中符號含義同式（1）～（3）。

21世紀初，挪威船級社（DNV）聯合英國天然氣公司（BG）基于全尺寸實驗和有限元分析，并考慮彎曲載荷和軸向力對腐蝕管道極限內壓載荷的影響，建立了全新的腐蝕管道安全評價體系，形成了DNV RP-F101 規范[3]。

式中 σu—管道材料的極限抗拉強度，MPa；其他符號含義見式（1）～（3）。

2 各種評估方法適用性評價

以上幾種油氣管道剩余強度計算方法都是通過對腐蝕管道破壞理論以及試驗研究后由行業權威機構頒布的標準/規范，是目前最具代表性的腐蝕缺陷管道安全評價的標準[4-6]。但是每種評估標準都具有一定的局限性和優缺點，對輸氣管道內腐蝕缺陷剩余強度評估的適用性有待研究。

為進一步分析幾種標準/規范在評估天然氣管道剩余強度時的適用性情況，以某天然氣公司的輸氣管道為研究背景，對各種標準/規范在評估輸氣管道腐蝕缺陷時的適用性情況進行評價與討論。天然氣管道直徑為168.3mm，壁厚為9.5mm，管道鋼材為API 5L X52，各標準/規范的管道極限內壓載荷計算結果如圖1所示。

從圖1計算結果可以看出，對于目前這4種常用的體積型缺陷評估標準，在評估輸氣管道極限內壓載荷時，DNV RP-F101、NG-18、改進的ASME B31G、ASME B31G的保守性依次增加?？紤]輸氣管道極限內壓載荷計算結果的保守性情況，選用DNV RP-F101《Recommended practice for corroded pipelines》標準對輸氣管道剩余強度進行評估校核。

3 輸氣管道剩余強度計算程序

由于參照DNV RP-F101標準在計算輸氣管道剩余強度時需涉及到大量的參數和復雜的計算公式，計算過程中不僅要求對DNV RP-F101標準有熟悉的了解和掌握，還要進行大量繁瑣的判斷與計算，任何一步計算的失誤都會給評估結果造成嚴重的影響，因此以DNV RP-F101標準為依托，Visual Basic 6.0為平臺，編制了輸氣管道內腐蝕缺陷剩余強度計算程序（圖2）。

該計算程序提供了分項安全系數法和許用應力法，可分別采取這2種方法對輸氣管道的剩余強度進行計算評估。該程序最終得到的結果信息為:對于分項安全系數法，在保證一定安全等級的情況下可以得出評估腐蝕管段的最大許用壓力值；對于許用應力法，也可以得到該腐蝕管段的最大許用壓力值。使用者可以根據需要自由選擇以上2種計算方法對輸氣管道單一腐蝕缺陷和交互腐蝕缺陷管段的許用壓力值進行計算，進而對天然氣管道的安全性進行評定。

4 計算程序的應用與分析

為了分析所編制的程序——《輸氣管道內腐蝕缺陷剩余強度計算程序》在計算輸氣管道剩余強度時的實用性與有效性，舉一個工程實例，便于分析比較缺陷各參數（主要是腐蝕缺陷深度、缺陷長度）對輸氣管道剩余強度的影響。利用這些計算結果作出了缺陷程度與管道許用壓力值的關系曲線，分別如圖3和圖4所示，其中L表示腐蝕缺陷長度，d表示腐蝕缺陷深度，t表示管道厚度。并不明顯；③當缺陷深度超過管道壁厚的40%時，輸氣管道許用壓力值隨著缺陷程度加深而迅速降低，而且管徑越小、壁厚越大的輸氣管道，下降的斜率就會越大。

從圖3可知:①對于腐蝕缺陷長度等于10倍缺陷深度（L=10d）的輸氣管道來說，管道許用壓力值隨腐蝕缺陷程度加深總體變化規律是先平緩后急速下降；②當腐蝕缺陷深度很?。ǜg缺陷深度小于管道壁厚的40%）時，計算得到的管道許用壓力值隨著腐蝕缺陷程度加深而緩緩減小，但是減小的趨勢

從圖4可知:①對于腐蝕缺陷長度等于100倍缺陷深度（L=100d）的輸氣管道來說，只要管道有內腐蝕缺陷存在，隨著腐蝕缺陷程度加深，管道許用壓力值變化比較大，而且下降的也相當快；②當輸氣管道的管徑越小、壁厚越大時，許用壓力值下降的斜率也會越大；③對于輸氣管道中存在的長腐蝕缺陷（如腐蝕缺陷長度達到缺陷深度的100倍時）要引起足夠的重視，因為長腐蝕缺陷的輸氣管道許用壓力值下降很快，具體的數值可以采用編制的計算程序進行相應的計算評估。

5 結論

（1）對比研究了各種常用油氣管道缺陷剩余強度計算標準/規范對于輸氣管道內腐蝕缺陷評估的適用性問題，發現DNV RP-F101、NG-18、改進的ASME B31G、ASME B31G的保守性依次增加，所以采用挪威船級社頒布的NDV RP-F101《Recommended practice for corroded pipelines》標準對輸氣管道剩余強度進行評估。

（2）基于NDV RP-F101標準中的剩余強度計算方法，分析歸納評估步驟，并以DNV RP-F101標準為依托，Visual Basic 6.0為平臺，編制了《輸氣管道內腐蝕缺陷剩余強度計算程序》。

（3）工程實例證明運用所編程序可以有效地對輸氣管道內腐蝕缺陷剩余強度進行評估，而且此程序操作簡單，界面友好。

[1]方華燦.油氣長輸管線的安全可靠性分析[M].北京:石油工業出版社,2002.

[2]ASME B31G-1991.Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines[S].

[3]DNV RP-F101-2004.Recommended practice for corroded pipelines[S].

[4]郭淑娟,陳保東,韋麗娃,等.幾種含體積型腐蝕缺陷管道剩余強度評價方法的特點及適用性[J].腐蝕科學與防護技術,2008,20(5):364-366.

[5]王春蘭,張鵬,陳利瓊,等.腐蝕管道剩余強度評價的基本方法[J].四川大學學報:工程科學版,2003,35(5):50-54.

[6]劉穎,廖柯熹,劉長林,等.含腐蝕缺陷管道的剩余強度評價方法[J].天然氣與石油,2008,26(2):41-44.