天然气管道河流穿越段腐蚀缺陷评价

刘建军，李强林，周道川，周　丹山东省天然气管道有限责任公司，山东济南　250101



天然气管道河流穿越段腐蚀缺陷评价

刘建军，李强林，周道川，周丹
山东省天然气管道有限责任公司，山东济南250101

摘要：结合内检测数据，对某天然气管道河流穿越段一处深度为34%壁厚的缺陷进行定位并开挖验证，分别使用ASME B31G方法和线性外推法，对穿越段进行了剩余强度评价和剩余寿命预测。从剩余强度评价结果可以看出，在首站天然气最高允许出站压力为4.90 MPa（2014年12月以前）的运行工况条件下，含缺陷管道是具备足够安全裕量的；从剩余寿命预测结果可以看出，按照测算得到的腐蚀速率考虑，以理论允许存在的最小壁厚（20%壁厚）为极限值，含缺陷管道具有足够长的使用寿命。在评价基础上，对可能造成穿越段损伤的原因进行了推测，提出了含缺陷定向钻或大开挖方式穿越管段的处理建议。

关键词：穿越段；剩余强度；腐蚀速率；剩余寿命

1　概况

某天然气管道始建于2001年，投产于2002年6月，全长134 km，管材为L390螺旋缝埋弧焊管，规格为D 508 mm×7.9（8.7、10.3）mm，外防腐层为环氧粉末涂层（无内涂层），沿线共建有4座输气场站及4座截断阀室，承担着济南、淄博沿线各地市的供气任务，设计输气能力28.4亿m3/a，设计压力6.4 MPa，弯头弯管曲率半径为5D（D为管径）。

2　某天然气管道河流穿越段腐蚀缺陷现状

2.1内检测数据

内检测资料显示，在该天然气管道109.06 km处存在管道本体缺陷。该处的管道本体缺陷类型为管道外腐蚀缺陷，最大深度为33%壁厚（此处管道设计壁厚10.3 mm），腐蚀面积为38 mm×139 mm，腐蚀缺陷大体位于沿气流方向管道截面的9点钟位置，距离上游环焊缝约1 m。

结合设计资料，通过坐标分析可知，该处管道本体缺陷位于河流穿越东侧的弹性弯管与斜向上直管段的交接处，管底距地面设计埋深4.3 m，如图1所示。

图1　管体缺陷位置示意

2.2开挖验证

管道公司于2014年11月对该天然气管道河流穿越缺陷处进行了开挖检测，开挖后发现该缺陷点位于猪笼河暗涵下（见图2），管顶距路面4.5 m；缺陷位于沿气流方向管道截面的9点至10点钟位置，与内检测结果基本一致。

图2　缺陷位置开挖现场

通过现场测量，该缺陷环向长度为240 mm，轴向长度为45 mm，面积约为10 800 mm2，最大深度为3.5 mm（壁厚约34%），如图3所示。该处的管道设计壁厚为10.3 mm，管道剩余壁厚为6.8 mm。

图3　缺陷尺寸示意

检测单位出具的射线检测报告显示：“本处未见裂纹等危害性缺陷，母材表面凹陷，有划伤”。

3　基于剩余强度的缺陷评价

鉴于管道重要的战略地位和管道事故危害的严重性以及维修管道费用的高昂，对含有腐蚀缺陷的管道进行剩余强度评价是非常必要的，其目的就是研究管道上的腐蚀缺陷所容许的最大操作压力以及在某一操作压力下允许存在的最大缺陷尺寸，从而做出正确的决策：降低运行压力、继续服役或修复或更换等，这样既可避免事故的发生又可节省维修费用。

国内外关于腐蚀管道安全评价的准则很多。例如：美国的ASME B31G准则［1］，英国的R6方法［2］，挪威船级社DNV方法，加拿大的CSA- Z184- M86标准［3］等。其中ASME B31G准则适用于评价老的、低强度腐蚀管道，且预测压力值保守的问题在修正的公式中有了很大改善，因此本文中将使用该准则进行该天然气管道河流穿越段腐蚀缺陷的评价。

3.1ASEM B31G准则基础理论［1］

ASME B31G准则是美国最早建立的腐蚀管道剩余强度的简明评价方法，是目前西方国家流行的评价方法，在工业上得到广泛的应用。ASME B31G准则的计算公式是由美国Battele研究所，基于中低强度材料的弹塑性断裂力学理论，用方程式来表示当材料不连续时管道的应力，将理论分析与实验相结合，给出的是建立在大量试验数据基础上的半理论半经验公式。该评价方法便于计算，可以很快求得腐蚀缺陷管道的极限承载能力和最大允许安全运行压力，适合评价含有单一轴向缺陷腐蚀管道的剩余强度。

ASME B31G准则评价腐蚀管道剩余强度的主要步骤如下：

（1）确定缺陷深度d与壁厚t的比值d/t。

（2）计算相关参数z的值。

式中：z为相关参数，无量纲；D为管道外径，mm；t为管道壁厚，mm；Lm为缺陷的轴向长度，mm。

（3）确定Folias膨胀系数M的值。

当z≤50时，

（4）计算含缺陷管道允许的最大安全运行压力Pf（单位：MPa）。

式中：σs为管道材料的最小屈服强度，MPa；F为参考等级的安全系数；d为缺陷最大深度，mm。

（5）将Pf的值与目前管道的运行压力Po进行对比，评价缺陷是否能够接受并根据实际情况采取降压运行、补强或者换管等措施。

ASME B31G准则在计算含腐蚀缺陷管道的允许最大安全运行压力Pf时，分别做了三点假设：一是管材的流动应力近似等于管道最小屈服应力σs的1.1倍；二是膨胀系数M的数值仅与缺陷轴向长度Lm、管道外径D及壁厚t有关；三是将含有腐蚀缺陷的面积简单地近似为抛物线包络的形状，从而使缺陷区域面积和缺陷面积的数值可用缺陷轴向长度Lm和缺陷最大深度d两个简单的参数来计算。

3.2腐蚀缺陷评价

以河流穿越段管道本体外腐蚀缺陷为研究对象，列出基本参数见表1。

表1　腐蚀缺陷管道基本参数

对该缺陷进行研究，按照ASME B31G准则提供的步骤进行计算：

（1）确定缺陷深度壁厚比d/t的值为0.339 8。

（2）按式（1）计算参数z的值为0.387。

（3）确定M值的大小。

由于z = 0.387＜50，因此按式（2）计算得到Folias系数M值为1.11。

（4）计算管道最大允许安全运行压力Pf。

管材的最小屈服应力σs为390 MPa，d/t为0.339 8，管道壁厚t为10.3 mm，管道直径D为508 mm，参考等级安全系数按照四类地区取为0.4，分别将以上数据代入式（4）中，计算得到管道最大允许安全运行压力Pf的值为6.68 MPa。

3.3管道运行情况分析

结合该天然气管道的运行情况，对2012年1月至2014年10月期间的管道实际运行压力进行了统计，见图4。

图4　运行压力对比

统计结果显示，近三年该穿越管段实际最高运行压力为4.11 MPa（2012年9月3日），远小于计算得到的该管段最大允许安全运行压力（6.68 MPa），因此管道始终能够安全运行。

4　基于剩余寿命的缺陷评价［4］

4.1预测方法理论基础

一般来讲，腐蚀剩余寿命预测依赖于历史检测数据，根据能获得的检测数据的次数，预测方法分为线性外推近似预测和非线性外推预测。

所谓线性外推就是在均匀腐蚀的大面积管段，利用两次腐蚀检测数据作线性外推，即假设管道的腐蚀速率是按线性规律变化的，来预测剩余壁厚达到该管段所允许的最小壁厚的时间，进而得出管道的腐蚀剩余寿命。

如图5所示，T1、T2为两次检测的具体时间，两次检测的腐蚀深度分别为d1、d2，则剩余壁厚分别为t1= t -d1、t2= t-d2，tmin为所要预测的管段允许的最小壁厚。

图5　基于二次检测数据的外推法理论

通过线性外推，即将t1和t2的连线延长，与最小允许壁厚线的交点所对应的时间T即为管壁减薄到tmin时所对应的时间：

故该管段距第二次检测时间T2的剩余寿命为：

4.2腐蚀速率预测

结合内检测以及2014年开挖验证得到的缺陷数据，将2002年（管道投产）、2012年（管道内检测）以及2014年（开挖验证）作为线性外推腐蚀速率预测方法的三个时间节点，考虑了三种不同的假设情况下缺陷腐蚀情况，可求出三种情况下管道的腐蚀速率，见表2。

表2　三种不同的假设情况

在计算腐蚀速率时，分别进行了两次近似取值：一是忽略内检测数据的误差，认为内检测数据是完全准确的；二是忽略开挖验证后无损检测的测量误差，认为检测数据是完全准确的。

4.3剩余寿命预测

对于均匀腐蚀缺陷和局部腐蚀缺陷，要求缺陷深度不能超过壁厚的80%，也就是说要求的最小壁厚为tmin= 20%t，所以最小允许壁厚即为tmin= 2.06 mm。

在管道运行压力维持不变的情况下，分别计算出三种情况下管壁减薄到tmin时所对应的时间，具体见表3。

表3　不同假设情况下的剩余寿命

从以上计算结果可以看出，不同假设情况下，使用线性外推法计算得到的腐蚀速率及管道剩余寿命相差较大。

假设一与假设二的时间间隔相差两年，但计算得到的腐蚀速率却相差了17%左右，与腐蚀速率变化趋势应符合“浴盆曲线”规律的理论相悖。另外，结合缺陷开挖处的现场实际情况以及缺陷在管道上的分布位置和形态（如图6～7所示），可以推测出，缺陷处管道外防腐层以及管道本体曾遭受来自管道竖直方向上相对于管道9点钟位置的外力损伤的可能性极大，防腐层的破损则进一步加剧了损伤部位管道本体腐蚀的发生。

因此，假设三的情况以及在该假设情况下计算得到的腐蚀速率更加符合实际情况。

图6　　缺陷分布位置及形态（打磨前）

图7　缺陷分布位置及形态（打磨后）

5　维修建议

5.1损伤原因分析

对有可能导致缺陷处管道外防腐层及本体外力损伤的若干原因进行推测并归纳如下：一是管道周边修建暗涵和下水井时发生外力损伤；二是管道回拖前，由于野蛮施工导致下沟过程中出现砸伤或机械划伤；三是管道回拖过程中，防腐层及管道本体被地底岩石等硬物划伤或擦伤。结合缺陷附近三条暗渠交错分布以及缺陷点周围防腐层形态，笔者认为周边施工导致管道损伤的可能性最大。

5.2维修依据

该缺陷的实测相对深度为34%，损伤达到壁厚20%～25%以上，应立即进行修复。

5.3维修方案选择

目前常用的管道本体缺陷维修补强方法主要有:补板修复、A型套筒修复、B套筒修复、碳纤维复合材料包覆修复四种方法［5］。

鉴于补板修复方法不适合修复直径大于8 mm的腐蚀缺陷、A型套筒不适合修复环向缺陷的情况，适用于管道本体缺陷的修复补强方法有B型套筒修复和碳纤维复合材料修复，其对比见表4。

表4　 B型套筒修复法与碳纤维复合材料修复法对比

综合考虑，由于实施碳纤维复合材料包覆修复施工对金属表面的除锈等级和锚纹深度要求较高，维修后的管道性能受施工质量影响较大。而实施B型套筒施工，施工无需对管道降压（首站济南站最高出站压力为4.90 MPa，该腐蚀缺陷处带压施焊的最高允许压力为6.06 MPa），且套筒焊接完成后只需对焊缝进行磁粉检测和渗透检测即可，便于现场实施，因此该缺陷采用B型套筒进行修复。

6　结论与建议

6.1结论

本文以某天然气管道的内检测数据为依据，对穿越河流管段的本体缺陷处进行了开挖验证。根据现场实测数据，完成了含缺陷管段的剩余强度评价和剩余寿命预测，并对缺陷产生的原因进行了分析。

（1）从剩余强度评价结果可以看出，在目前该天然气管道首站最高允许出站压力为4.90 MPa的运行工况条件下，含缺陷管道具备足够安全裕量。

（2）从剩余寿命预测结果可以看出，按照测算得到的腐蚀速率考虑，以理论允许存在的最小壁厚（20%t）为极限值，含缺陷管道具有足够长的使用寿命。

（3）周边施工导致管道防腐层及本体损伤的可能性极大，防腐层的破损加剧了管道本体损伤部位的腐蚀。

6.2建议

针对采用定向钻或大开挖方式穿越河流、铁路、高速公路的含缺陷管段，建议如下：

（1）有计划性地开展管道内检测。作为查找管道本体缺陷的最有效手段，内检测对缺陷的准确定位和描述，对管道完整性评价、修复具有十分重要的指导意义。一是内检测能够及时发现管道本体新生缺陷，二是通过比对两次或多次同一处缺陷的数据，能够建立更加准确的腐蚀速率模型，预测管道剩余寿命，为管道运行提供参考。

（2）对含缺陷管道进行有效的完整性评价，根据评价结果制订维修方案和维修计划。一方面，虽然《油气管道管体修复技术规范》中明确规定，损伤达到壁厚20%～25%以上，应立即进行修复，但是对于穿越管段而言，基于设计的厚壁管却可以明显提高含缺陷管道的失效压力，从而确保管道能够在具备足够安全裕量的情况下安全运行。另一方面，由于大多数穿越管段根本不具备开挖修复的条件（例如穿越大型河流、铁路等），即使路由允许的情况下，管道改线、换管的成本往往也是相当高的。因此，管道运营单位可以在完整性评价的基础上，统筹考虑投入大量资金改线、换管的必要性，或是在风险可控的前提下采用有效且具有针对性的缺陷管段监测技术，维持管道运行现状。

参考文献

［1］ASME B31G- 2012，Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines［S］.

［2］陈印，刘宝玉，陈琳琳.基于R6失效曲线管道的完整性评定［J］.当代化工，2013（5）：689- 691.

［3］徐志锋，刘应华，徐秉业.含体积型缺陷压力容器和管道的极限分析［J］.油气储运，1999，18（2）：1- 5.

［4］陈学东，艾志斌，杨铁成.基于风险的检测（RBI）中以剩余寿命为基准的失效概率评价方法［J］.压力容器，2006，23（5）：1- 5.

［5］张润泽.油田管道修复技术综述［J］.工业，2015（8）:160- 160.

［6］Q/SY1592- 2013，油气管道管体修复技术规范［S］.

Evaluation on Corrosion Defects in River Crossing Section of Natural Gas Pipeline

LIU Jianjun，LIQianglin，ZHOU Daochuan，ZHOU Dan
Shandong Province Natual Gas Pipeline Co.，Ltd，Jinan 250201，China

Abstract：Based on the internal inspection result，the work of locating and excavating verification for the corrosion defect with the depth of 34%wall thickness in the river crossing section of a pipeline is carried out. Then the ASME B31G method and the linear extrapolation method are used to evaluate the residual strength and predict the residual life of the river crossing section. The result from the residual strength evaluation shows that the river crossing section has enough safety allowance in the condition of the maximum allowable gas pressure of 4.90 MPa at the initial station；The result from the residual life evaluation shows that the river crossing section has enough service life according to the estimated corrosion rates and theoretic allowance minimum wall thickness（20%wall thickness）. The reasons possibly causing damage of the river crossing section are considered，and treatment proposals of the river crossing section with defect in the construction ways of directionaldrilling or large excavation are brought forward.

Keywords：crossing section；residualstrength；corrosion rate；residuallife

doi:10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.02.019

作者简介：

刘建军（1970-），男，山东潍坊人，经济师，2001年毕业中原油田党校经济管理专业，现从事长输天然气管道管理方面的工作。

Email：812766422@qq.com

收稿日期：2015- 07- 28；修回日期：2015- 10- 09