应用有效面积法评价管道剩余强度实用性研究

孙东旭，赵 玲，吴 明，谢 飞

(1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石油大学 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266555)



应用有效面积法评价管道剩余强度实用性研究

孙东旭1，2，赵 玲1，吴 明1，谢 飞1

(1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石油大学 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266555)

定期开展腐蚀管道剩余强度评价工作，对指导管道维护维修、保证管道安全运行具有重要意义。有效面积法是一种重要的管道剩余强度评价方法。提出了一种适用于有效面积法的腐蚀缺陷测量方法，该方法能够对管体腐蚀形貌进行详细描述；根据有效面积法计算模型编制了计算机程序，对某管道实际腐蚀缺陷进行了计算求解。结果表明，应用有效面积法的计算结果高于Modified B31G评价方程的计算结果，即保守性较低。

腐蚀管道； 剩余强度评价； 有效面积法； 腐蚀缺陷； 测量方法

油气输送管道经常由于复杂的服役环境而遭受腐蚀。管道腐蚀后整体或局部的管壁减薄，使其承压能力降低。当管壁减薄到一定程度后，如果其强度不能够承受管道输送流体的压力，则会引发局部爆破或开裂，进而导致油气泄漏事故[1]。因此，为保证油气输送管道的安全运行，需要定期进行管道检测、剩余强度评价与维护维修工作。当前腐蚀管道剩余强度评价方法主要有ASME B31G系列评价方程、DNV RP-F101标准、API 579使用性评价准则、有效面积法、PRORRC评价方程和有限元分析方法等[2-6]。相关学者对这些评价方法的计算过程、准确性和适用条件进行了研究[7-10]。例如，帅健等[7]从安全准则、缺陷类型和管材强度等方面对ASME B31G—1984、ASME B31G—1991、DNV RP-F101和PRORRC评价方程进行了对比；崔铭伟等[8-9]采用非线性有限元分析方法对中高强度管线钢缺陷失效压力进行了计算，并基于模拟结果建立了腐蚀管道失效压力计算方程；马彬等[10]对ASME B31G—2009的先进性进行了分析，认为ASME B31G—2009评价标准因为采用分级评价理念，并且对腐蚀缺陷面积、鼓胀系数等方面进行了修改，因而与ASME B31G—1984、ASME B31G—1991相比更加先进。在ASME B31G—2009分级评价标准中，有效面积法被作为一种较高级别的腐蚀缺陷评价方法。但是，由于有效面积法需要测量腐蚀缺陷的精细形貌并编制计算机程序才能求解，因此鲜有对其进行专门研究的报道。

本文首先提出了一种适用于有效面积法的腐蚀缺陷精确测量方法，介绍了使用有效面积法对管道腐蚀缺陷进行剩余强度评价的计算模型，在此基础上编制计算机程序计算了腐蚀缺陷的失效压力。最后，对实际管道缺陷进行剩余强度评价，对有效面积法的计算结果与ASME B31G系列评价方程的计算结果进行了对比。

1 腐蚀缺陷测量方法及数学模型

1.1 有效面积法的腐蚀缺陷测量方法

在使用有效面积法进行剩余强度评价时，由于需要精确测量缺陷的形貌，因此影响该方法的推广使用。为此，提出了适用于有效面积法的腐蚀缺陷测量方法。测量腐蚀缺陷尺寸需要的工具包括超声波壁厚测量探针、卡尺和角尺等。对一个具有复杂形貌的腐蚀坑，应选择多个测量点进行测量，每个测量点由定位数据和腐蚀深度数据两部分组成。下面以示例介绍该方法的测量流程。

管壁缺陷尺寸描述图如图1所示。在具有复杂腐蚀形貌的管壁缺陷上选择n个局部低洼点，将具有代表性的点作为测量点，n的取值视具体缺陷形貌确定，越是复杂的缺陷，n的取值应越大，在此例中取n=5。分别测量其腐蚀深度，并测量相邻两个测量点之间的轴向间距Li(i=2～5)及环向间距Ci(i=2～5)，并应测量A、E两个边界点距腐蚀边界的轴向距离L1与L6、环向距离C1与C6(或测出L1与总腐蚀长度L，C1与总腐蚀宽度C。其中，L=L1+L2+…+L6，C=C1+C2+…+C6)。

A、B、C、D、E为测量点

在实际测量时，将每个测量点的参考点、相对于参考点的距离和测量点的腐蚀深度依次填入表1，最终将所有测量数据汇总于表1中。

表1 测量时填写的表单

在按照该方法测量时，需要注意测量点与其参考点之间的相对位置关系。在这里规定：对于轴向，以测量点在参考点上游为正；对于环向，沿管道内油品流动方向观察，以测量点在参考点顺时针方向为正。例如，该例中由于B点在A点的上游，所以L5为正值；B点在A点的顺时针方向，所以C2为正值。以往评价管道剩余强度时，只需测量腐蚀长度和最大腐蚀深度两个数据，但使用该方法能够测量腐蚀缺陷的详细形貌，并可以根据填写的表单，绘制出适合于使用有效面积法进行剩余强度评价的腐蚀缺陷剖面图。

1.2 有效面积法的计算模型

有效面积法是通过对一系列连续腐蚀缺陷的每一个梯形截面面积求和计算出缺陷的剖面面积[11]。这种方法不仅适用于孤立缺陷，对复杂缺陷和交互影响的缺陷同样适用。用RSTRENG有效面积法评估时，可按照经验性规则确定缺陷之间是否存在影响：当两个轴向分离的缺陷间距超过2.54 mm时，可以忽略缺陷间的交互作用；当两个环向方向的缺陷间距超过管道壁厚的6倍时，可以看作是孤立的缺陷[12]。其基本评价方程式为：

(1)

式中，Pf为失效压力，MPa；D为管道外径，mm；σs为管材的最小屈服强度，MPa；Aeff为缺陷剖面的有效面积，mm2；A0为缺陷长度对应的全壁厚投影面积，mm2；M为Folias系数。

腐蚀缺陷剖面图如图2所示。图2中，曲线上方代表管壁的金属损失，di为第i个测量点的腐蚀深度，mm；Li为该测量点与腐蚀边界的距离，mm。选择图2中的p、q两个测量点，则Aeff为p、q两点之间的有效剖面面积(阴影部分)，按式(2)近似计算，并记为Aeff(p,q)，其中t为管壁壁厚，mm；A0等于p、q两点间距乘以管道壁厚，按式(3)计算，记为A0(p,q)；Folias系数M(p,q)可按式(4)计算，其中L为腐蚀缺陷的总轴向长度，mm。

图2 腐蚀缺陷剖面图

(2)

A0(p,q)=(Lq-Lp)t

(3)

(4)

2 有效面积法计算程序的编制

针对有效面积法计算量庞大且具有重复性的特点，本文应用C#面向对象的程序设计语言，编制了可视化的计算程序，实现了测量点数据输入、实时绘制缺陷轮廓图以及计算失效压力等功能。程序计算流程如图3所示。

图3 程序计算流程

3 计算实例

国内某成品油管道外径457 mm，壁厚7.90 mm，管线钢屈服强度415.0 MPa，最大允许操作压力9.5 MPa。对管道某一缺陷开挖测量，得到该缺陷的剖面投影形状及尺寸，如图4所示。为了清晰地显示图形，对轴向尺寸进行了压缩，图中尺寸的单位均为mm。

图4 缺陷的剖面投影形状及尺寸

计算前对缺陷腐蚀深度以及轴向尺寸进行编号，编号及其尺寸如下：d0=0 mm，d1=1.40 mm，d2=0.92 mm，d3=1.82 mm，d4=0 mm；L0=0 mm，L1=19 mm，L2=80 mm，L3=131 mm，L4=L=170 mm，测量点数量n=3。将这些数据以数组的形式输入到计算程序中，输入界面如图4所示。经程序计算得出此缺陷的安全压力(失效压力乘以安全系数)等于11.0 MPa。由于缺陷安全压力大于最大允许操作压力，因此当前该缺陷是安全的。

图5 程序数据输入界面

下面应用修正的ASME B31G评价方程(Modified B31G)对该缺陷剩余强度进行计算。Modified B31G中Folias鼓胀系数的计算形式与式(4)类似，只是没有考虑腐蚀缺陷的具体形貌，用缺陷剖面投影总长度L代替式(3)及式(4)中的Lq-Lp。经计算得到M=2.41。Modified B31G的失效压力计算式见式(5)。

(5)

式中，d为腐蚀缺陷的最大腐蚀深度，mm。代入各参数后，经计算得到失效压力为14.7 MPa，进一步计算得到安全压力为10.6 MPa，小于有效面积法计算的安全压力，这说明有效面积法保守性在一定程度上小于Modified B31G方法。但是，根据ASME B31G—2009的分级评价原则，与有限元分析方法相比，该方法仍有一定的保守性，因此不会出现工程上误判的情况。Modified B31G评价方程将0.85dL作为缺陷的近似面积，因此造成评价结果具有一定的保守性[13-14]。

4 结 论

提出了一种适用于有效面积法的腐蚀缺陷测量方法，应用该方法能够详细地描述腐蚀缺陷形貌。针对有效面积法计算过程复杂繁琐的特点，应用C#面向对象的程序设计语言编写了计算程序。应用该程序对实际管道缺陷进行了剩余强度评价，对其计算结果与Modified B31G方法计算结果进行了对比。结果表明，有效面积法的保守性有所降低。

[1] 孙东旭，吴明，谢飞，等.外腐蚀管道剩余寿命的有限元分析[J].辽宁石油化工大学学报，2015，35(6)：24-27.

[2] The American society of mechanical engineers.ANSI/ASME B31G—1984 Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines[S].New York：ASME Press，1984：1-38.

[3] The American society of mechanical engineers.ASME B31G—2009 Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines[S].New York：ASME Press，2009：1-47.

[4] Det Norske veritas.DNV RP-F101 Recommended practice RP-F101 corroded pipelines[S].Oslo：Det Norske Veritas and German Lloyd，2010：1-26.

[5] American petroleum institute.API 579(2007) Recommended practice for fitness-for-service[S].New York：API Publishing Services，2007：1-1128.

[6] Stephens D R，Leis B N，Kurre M D，et al.Development of alternative criterion for residual strength of corrosion defects in moderate to high toughness pipe[A].Proceeding of 2000 international Pipeline Conference,v2[C].Calgary Canada: ASME Press，2000：152-159.

[7] 帅健，张春娥，陈福来.腐蚀管道剩余强度评价方法的对比研究[J].天然气工业，2006，26(11)：122-125.

[8] 崔铭伟，曹学文.腐蚀缺陷对中高强度油气管道失效压力的影响[J].石油学报，2012，33(6)：1086-1092.

[9] 崔铭伟，曹学文，封子艳，等.局部腐蚀油气管道失效压力计算方法[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2013，37(6)：123-128.

[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] 帅健.管线力学[M].北京：科学出版社，2010：5-17.

[12] 王禹钦，王维斌，冯庆善.腐蚀管道的剩余强度评价[J].腐蚀与防护，2008，29(1)：28-31.

[13] 冉龙飞，王晓霖.含体积型缺陷管道的剩余强度评价[J].石油化工高等学校学报，2015，28(1)：93-96.

[14] 冉龙飞，高文浩，吴栋. 含裂纹缺陷管道的剩余强度评价[J].当代化工，2014，43(7)：1340-1341.

(编辑 宋锦玉)

Residual Strength Evaluation of Corroded Pipeline Based on Effective Area Method

Sun Dongxu1,2，Zhao Ling1，Wu Ming1，Xie Fei1

(1.CollegeofPetroleumEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunLiaoning113001，China；2.CollegeofPipelineandCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，QingdaoShandong266555，China)

The residual strength evaluation of corroded pipeline carried out regularly was significant for guiding pipeline maintenance and operation safety. Effective Area Method, an important residual strength evaluation technique, was studied. A corrosion defect measure method was proposed, which was suitable for the Effective Area Method. The computer program was compiled according to the calculation model of Effective Area Method. The residual strength of an actual pipeline defect was evaluated by the Effective Area Method and Modified B31G respectively. The result showed that the Effective Area Method was less conservative than Modified B31G.

Corroded pipeline； Residual strength evaluation； Effective Area Method； Corrosion defect； Measure method

1672-6952(2017)03-0015-04 投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-04-03

2016-07-18

国家自然科学基金项目“海洋油气管线钢微生物、力学和电化学因素耦合作用下应力腐蚀裂尖行为与扩展机理”(51574147)。

孙东旭(1991-)，男，博士研究生，从事腐蚀管道完整性评价等方面的研究；E-mail：dx_sun@yahoo.com。

吴明(1961-)，男，博士，教授，博士生导师，从事管道完整性方面的研究；E-mail：wuming0413@163.com。

TE88

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.03.004