基于API579准则的含点腐蚀管道剩余强度分析

徐寅平,段庆全,张 宏

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)



基于API579准则的含点腐蚀管道剩余强度分析

徐寅平,段庆全,张 宏

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)

为了更加比较准确地评价含点腐蚀管道的剩余强度，从而科学合理地维护管道并提高管道的利用率，比较了几种评价点腐蚀管道的剩余强度的方法，得出API579的评价方法更适合用于点腐蚀缺陷管道评价的结论。以API准则为理论依据，对含有点腐蚀缺陷管道的剩余强度进行了3 个等级的评价，并且通过计算得到了在给定的点腐蚀缺陷下管道最大安全运行压力值，该压力值反映了含点腐蚀缺陷管道的承压能力，证明了API579标准评价含点腐蚀缺陷管道的剩余强度的合理性。

管道；剩余强度；API579准则；点蚀

腐蚀是石油天然气运输行业最常见的问题之一，每年都有大量的管道因为腐蚀而损坏，点蚀是管道腐蚀常见的类型，也是引起管道失效的主要形式。点蚀的局部穿透率很高，且发生的位置具有随机性，加之产生的腐蚀孔在外加载荷条件下容易诱发应力腐蚀开裂等危害，极具危害性[1]。所以对含点蚀管道进行评价是十分必要的。按点蚀的分布，可以将点蚀分为：广布点蚀、广布点蚀区的局部减薄腐蚀、局部点蚀和局部减薄区点蚀四种类型。

为避免对含点蚀缺陷管道盲目维修和更换带来的经济损失，为了保证管道安全运行,常用方法是对含缺陷的管道进行剩余强度评估。目前国内外含点蚀管道剩余强度评价的方法有很多，最具代表性的包括：API579准则[2]、ASME B31G准则[3]以及挪威船级社DNV RP-F101评价准则[4]等，我国也颁布了几项关于腐蚀管道的剩余强度评价标准[5-7]。本工作对比了几种评价标准，并验证了API579准则评价含点蚀缺陷管道剩余强度的合理性。

1　评价方法对比

点腐蚀属于体积型腐蚀缺陷，在含体积型缺陷管道剩余强度计算中通常采用API 579、DNV RP-F101、ASME B31G 3种评价方法。其中，DNV RP-F101评价准则针对不同的缺陷给出了2种不同评定方法，即许用应力法和分安全系数法，其中分安全系数法需结合DNV OS-F101进行计算[8]。该准则不适用于缺陷深度大于管道壁厚85%的缺陷和钢级超过X80的管道，并且没有针对大量点蚀坑的评价。

对于管道上分布的点蚀的剩余强度评价，API 579和ASME B31G基本构成相对完整的美国腐蚀管道的剩余强度评价体系[9]。ASME B31G将腐蚀缺陷管道评价分成0～3级四个等级，适用管材的等级较低，不能满足高强度等级、大口径管道的剩余强度评价需要[10]。当环向缺陷较大，或管道承受其他不可忽略的纵向载荷(如弯曲、温升伸长等)时，必须考虑纵向应力以及相应的环向缺陷，但B31G标准没有对环向缺陷进行评价，并且只对单个缺陷进行评价，没有考虑复合缺陷的相互影响。

API579评价准则是在ASME B31G基础上发展而来的，按照缺陷类型分别进行评价。它考虑了相邻缺陷的相互影响和附加载荷的影响，为腐蚀缺陷的剩余强度评价提供了更为准确的方法，它建立了含有缺陷管道的剩余承压能力、缺陷的尺寸及有关材料强度参数三者之间的关系[11]，更加符合实际，但对使用者的专业知识水平要求相对较高。

API 579准则是以许用应力和剩余强度系数为基础进行评价的，因此并未克服其自身固有的保守性。

针对DNV RP-F101和ASME B31G准则不适用的高钢级管材，PCORRC方法 (Pipeline Corrosion Criterion)是用于评价中高强度等级管道缺陷剩余强度的方法，该方法认为管子的失效由极限拉伸强度决定，而不是屈服强度或流变应力。试验证实，该评价准则对于高强度钢级含缺陷管道安全性的评价结果较准确，但在评价低强度钢级管道时误差较大[12]。

我国也颁布了几项关于腐蚀管道的剩余强度评价标准，但基本是参照国外的准则制定的，如SY/T 6151-1995《钢质管道管体腐蚀损伤评价方法》[5]与ASME B31G基本相同。SY/T 6477-2000《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》[6]是从API RP579-2000准则基础上修订而来，可以视为该准则的简化版，但该准则未考虑点蚀群的相互影响。SY/T 10048-2003《腐蚀管道评估的推荐做法》[7]与挪威船级社DNV RP-F101-1999准则相近。

几种常用点腐蚀缺陷管道评价标准比较结果见表1。

表1　几种主要标准应用比较结果Tab. 1　Comparison results of various evaluation criterions

2　点腐蚀缺陷管道的评价

用AP1579准则评价点蚀的评价流程图如图1所示。某含广布点腐蚀缺陷的X80输气管道，管外径D0为1 219 mm，管道公称壁厚tnom为26.5 mm，未来腐蚀裕量FCA为0 mm，金属损失量L为0 mm，管道的设计运行压力P为12 MPa，焊缝系数E为1.0，材料许用应力σs为276 MPa，许用剩余强度系数RSF为0.9，检查的点腐蚀对数据见表2。以API579准则理论为基础评价含有广布点腐蚀缺陷的管道，评价流程如图2所示。

2.1含广布点腐蚀1级评价

根据检查数据对含点腐蚀管道进行1级评价，该级别评定所需参数少，评价结果较为保守，其步骤如下：

1) 计算远离广布点腐蚀区域的壁厚tc。

(1)

将参数代入，得tc=26.5 mm。

2) 确定在点蚀损害区域最大点蚀深度wmax。由表2可知wmax为19.05 mm。

3) 计算剩余壁厚比Rwt并校核。如果Rwt<0.2，则1级评价不满足。

(2)

将参数代入得Rwt=0.281，符合要求，继续评价。

4) 计算管道的许用工作压力PMAW，首先确定环向许用工作压力PMAWC以及轴向许用工作压力PMAWL。

(3)

(4)

表2　点腐蚀对检查数据Tab. 2　Inspection data of pit-couple

(5)

将参数代入式(3)、(4)中，其中内径D=D0-2tnom=1 166 mm，计算出环向许用工作压力PMAWC为轴向许用工作压力PMAWL为25.56 MPa。

根据式(5)取轴向环向许用工作压力以及轴向许用工作压力较小的值，确定管道的许用工作压力PMAW为12.21 MPa。

5) 基于点蚀的数量查找管道上点蚀密度最高的区域，获取图片或者摹拓，选择准则中一个含有与组件实际损害大致相同的表面损害程度的点蚀图，如图3所示，并计算剩余强度系数RSF。

表3为对应图3的点腐蚀构件剩余强度系数，管道为圆柱壳体，当Rwt=0.4，则RSF=0.78，而且当Rwt=0.2，则RSF=0.70，Rwt=0.281，故RSF=0.732 4。

6) 基于API579准则1级评价理论，计算管道允许的最大安全运行压力PAWr。

(6)

将参数代入式(4)中，通过计算得到：PMAWr=9.94 MPa。

因为管道设计压力为12 MPa，而管道允许的最大安全运行压力PMAWr为9.94 MPa，此管道的等级1评价不满足。

2.2含广布点腐蚀2级评价

API579准则的2级评价提供了比1级评价更加精确的评价结果。点腐蚀2级评价中步骤1)和步骤4)与1级评价完全相同。

1) 确定远离广布点腐蚀区域的壁厚tc为26.5 mm。

2) 计算点腐蚀对的平均坑深wavg。

(7)

从表中提取数据并代入式(7)，计算得wavg1为11.43 mm。

3) 计算方向1的膜应力σ1和方向2的膜应力σ2。

(8)

(9)

将数据代入式(8)、式(9)中，计算得到σ1和σ2分别为271.2 MPa和129.6 MPa。

4) 计算管道的许用工作压力PMAW为12.21 MPa。

5) 计算点腐蚀对1的剩余强度系数RSF1。需要先进行计算该点蚀对中点蚀平均直径davg1以及中间变量μavg1、ρ11、ρ21、ψ1、Φ1、Eavg1。

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

逐步代入参数，计算式(10)～式(17)，得到第一组点腐蚀对的剩余强度系数RSF1为0.815。

6) 依照步骤5的方法代入表2中其他点腐蚀对数据，求出其他点腐蚀对的剩余强度系数RSF1，并计算平均值RSFpit。

(18)

计算得到平均剩余强度系数RSFpit为0.866。

7) 对于含广布点蚀缺陷管道，按式(4)计算得到管道允许的最大安全运行压力PMAWr=11.75 MPa。

因为设计压力为12 MPa，而PMAWr=11.75 MPa，此管道不能满足2级评价。由于计算出点腐蚀缺陷不满足条件。因此，给出以下建议：对管道进行降压运行、修理、退役替换或进行3级评价。

2.3含广布点腐蚀3级评价

当点腐蚀缺陷不能满足1级评价和2级评价时，需要对管道进行3级评价，3级评价是最高水平的评价，评价步骤复杂，需要更详尽的点腐蚀检测数据和参数以及载荷等。一般采用数值分析的方法，如有限元分析方法，通过使用有效弹性常数加以近似点腐蚀缺陷管道刚度的降低，或者通过制定一个当量壁厚加以近似，该评价方法能够得到更加准确的结果。

3　结论

研究了不同方法评价点腐蚀管道的剩余强度，API 579准则考虑了相邻缺陷的相互影响和附加载荷的影响，为点腐蚀缺陷的剩余强度评价提供了更为准确的方法，更加符合实际，得出API579的评价方法更适合用于点腐蚀缺陷管道评价的结论，但对使用者的专业知识水平要求相对较高，而且并不克服其自身固有的保守性。应用API579准则针对含有点腐蚀缺陷管道的剩余强度进行评价，确立了3级评价体系，通过理论研究与实际计算得出：满足1级评价的管道允许的最大安全运行压力PMAWr为9.94 MPa，满足2级评价的管道允许的最大安全运行压力PMAWr为11.75 MPa。管道允许的最大安全运行压力值反应了管道的极限承载能力，表明API579准则对含点腐蚀缺陷管道的剩余强度评价具有科学性和合理性。

[1]孔德军，吴永忠，龙丹． X70管线钢焊接接头慢拉伸应力腐蚀行为[J]． 材料热处理学报，2011，32(9)：101-105．

[2]API 579-2007Recommended practice for fitness-for-service[S].

[3]ANSI/ASME B31G-2009Manual for determining the remaining strength of corroded pipeline[S]．

[4]DNV RP-F101Recommended practice for corroded pipelines[S]．

[5]SY/T 6151-1995钢质管道管体腐蚀损伤评价方法[S]．

[6]SY/T 6477-2000含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法[S]．

[7]SY/T 10048-2003腐蚀管道评估的推荐做法[S]．

[8]DNV OS-F101Submarine pipeline system[S]．

[9]ESCOE A KPiping and pipelines assessment guide[M]. New York:Elsevier，2006．

[10]马彬，帅健，李晓魁，等． 新版ASME B31G-2009管道剩余强度评价标准先进性分析[J]. 天然气工业,2011，31(8)：112-115．

[11]何东升，张鹏，张丽萍． API579与B31G剩余强度评价的保守性分析[J]. 油气储运，2008,27(1):36-40．

[12]何东升，郭简，张鹏． 腐蚀管道剩余强度评价方法及其应用[J]． 石油学报，2007，28(6)：125-128．

Residual Strength Evaluation of Pipeline with Pitting Corrosion Based on API579 Criterion

XU Yin-ping, DUAN Qing-quan, ZHANG Hong

(College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China)

In order to evaluate the residual strength of pipelines with pitting corrosion more accurately, maintain the pipelines more scientifically and reasonably as well as enhance the utilization of pipelines, several evaluation methods for the residual stress of pipelines with pitting were compared, and it was concluded that the API579 criterion was more useful in evaluating the residual strength of pipelines with pitting. Three grades of evaluation for the residual strength of pipelines with pitting were performed based on the API579 criterion. The maximum operating pressure of pipelines at the given defects was obtained through calculation. The pressure value reflects the pressure-bearing capacity of pipelines with pitting corrosion. It turns out that the method of assessing the remaining strength of the pipelines with pitting corrosion defect in API579 is reasonable.

pipeline; residnal strength; API579 criterion; pitting

10.11973/fsyfh-201609013

2015-04-28

中国石油大学(北京)青年教师专项培养基金项目(KYJJ2012-04-26)

徐寅平(1991-),硕士研究生,主要从事油气生产装备失效分析与完整性管理方向的研究工作,15210726974,xyp0924@126.com

TE832

A

1005-748X(2016)09-0748-05