油气田钢质管道内检测结果评价方法及分析

安 超 郝晓东 宋跃海 牟永春 刘百春 薛 剑 孙 瀚

（1. 中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000；2. 中国石油天然气股份有限公司规划总院，北京 100000）

0 引言

塔里木是国家“西部大开发”战略“西气东输”工程的主力气源地，塔里木油田共有各类管道14116km，其中净化油气管道6339km，集输管道7777km。按照《股份公司油气田管道和站场完整性管理规定》对管道进行分类，Ⅰ类管道7309km，占比52%；Ⅱ类管道3182km，占比23%；Ⅲ类管道3625km，占比27%，如表1表示。

表1 管道分类统计表

在油田快速发展过程中，随着油田综合含水上升、集输管线服役年限增加，腐蚀问题越来越突出。腐蚀处会产生应力集中的现象，从而削弱管道的承压能力。塔里木油田塔中、轮南等油气田单井产出液普遍存在“高矿化度、高含CO2、高含氯离子、低pH值”的特点，腐蚀环境非常恶劣[1]，塔里木集油管线穿孔如图1表示。随着油田开发年限的延长，腐蚀带来的直接损失和间接损失有逐年上升的趋势。本文针对塔里木油气集输管道特点，结合内检测数据研究形成油气集输管道缺陷一般评价和精准评价的方法，建立适合塔里木油田集输管道的安全评价分级方法，对塔里木油田的内检测缺陷开展0～3级评价并将评价结果对比分析，为油气田集输管道的完整性评价提供核心技术手段。

图1 塔里木集油管线穿孔示意图

1 概述

1.1 腐蚀缺陷管道评价规范

从20世纪60年代末开始，国内外学者进行了大量关于腐蚀管道失效行为和失效评估的研究。ASME B31G[2]是最早颁布也是应用最为广泛的腐蚀管道剩余强度评价规范，该规范适用于评价中低强度的钢管[3]，仅考虑了腐蚀区域最大深度和纵向长度，忽略了实际腐蚀形状[4]。Kiefner和Vieth[5]通过引入新的Folias鼓胀系数和流变应力，提出了modified ASME B31G准则。挪威船级社（DNV）和英国燃气公司（BG）于1999年合作推出了DNV-RP-F101[6]腐蚀管道评价标准，该标准基于X65-X80钢的试验和模拟数据，评价中高强度的钢管时准确度较高[7-10]。

本文对这两个管道腐蚀缺陷标准及有限元法腐蚀缺陷分析方法进行调研，初步确定这三种评价方法的适用范围，再对各评价的内容与方法之间的差异进行分析比对，最终得出各级评价所需要的评价流程。

1.2 0级评价

（1）根据管道直径D选取相应列表；（2）根据缺陷/缺陷群集深度d在表中进行定位，如果表中无d值项，则选大于d值的第一项；（3）根据管道壁厚t在表中进行定位，如果表中无t值项，则选小于t值的第一项；（4）通过以上定位，会在表中定位到一个缺陷长度La值，如果表中此处为空，或者La小于输入的缺陷/缺陷群集长度L，则输出该缺陷/缺陷群集属于非第三类腐蚀缺陷，0级评价无法接受，如果表中La大于输入的缺陷/缺陷群集长度L，则输出该缺陷属于第三类腐蚀缺陷，0级评价可以接受。

1.3 1级评价

（1）判断是否存在缺陷群集：对于缺陷群集的判断依据为，缺陷轴向间距S、环向间距Φ小于3t，即为缺陷群集。其判断流程与0级评价一致；

（2）对缺陷/缺陷群集进行评价：对缺陷及缺陷群集的评价方法可归纳为以下步骤：确定管道直径和公称壁厚；清理被腐蚀的管道表面，直至露出底部金属；测量腐蚀区域内最大腐蚀深度d，轴向腐蚀长度L；确定相应的管道材料属性；选择一种方法计算失效应力SF；定义合理的安全系数SF；比较SF与SF*S0；当SF≥SF*S0，或PF≥SF* S0时，缺陷可以接受。

其中，失效应力SF的计算共有以下几种方法：①Original B31G方法：

Z≤20时：

Z＞20时：

②Modified B31G

Z≤50时：

Z＞5时：

失效应力SF：

再求得失效压力PF为：

③DNV-RP-F101

首先判断是否存在缺陷群集，存在缺陷群集的标准为管道腐蚀部分应被划分成长度不小于5.0的区域，该区域最小重叠长度不小于2.5。同时构造一系列轴向投影线，其周向角间距为，其判断流程与零级评价一致。

如果存在缺陷群集，需要对缺陷群集进行定义，首先按照顺序将缺陷群集编号，然后定义缺陷群集长度和深度。如：缺陷群集包括1号缺陷、2号缺陷、3号缺陷，缺陷群集长度L为L1+L2+L3+S12+S23，缺陷群集深度d为。

再对缺陷依据以下许用应力法计算公式计算失效压力：

其中 Pf为失效压力，MPa；

Q为长度修正系数。

1.4 2级评价

1）Modified ASME B31G算法

二级评价采用有效面积法，步骤与一级评价相同，但有效面积法需要详细测量管道腐蚀深度或剩余壁厚。有效面积法是把整个损失区用网格划分成若干个梯形，通过测量所划分的网格的尺寸，进行加和来获取金属损失区的有效面积。

其中：A为腐蚀缺陷轴向金属损失有效面积；

di为位置i点的腐蚀深度；

Li为位置i点的轴线距离；

n为测量次数。

有效面积法估计失效应力的公式：

其中：A0为有效面积区金属原始面积，A0=Lt。

对于缺陷群集，采用以下评价方法：

①判断是否存在缺陷群集

缺陷轴向间距S或环向间距Φ小于3t，即为缺陷群集，判断流程与一级评价中Modified ASME B31G一致。

②对缺陷/缺陷群集进行评价按照下列公式计算：

当Z≤50时：

当Z＞50时：

求得失效压力为：

2）DNV许用应力法

首先判断是否存在缺陷群集，判据和判断流程：与一级评价中DNV方法中一致。

计算总形状许用的应力：

计算每个斑块的许用应力：

计算每个斑点的许用应力：

计算组合缺陷的许用压力：

前述计算中最小的许用压力即为管道的许用压力：

1.5 3级评价

基于ANSYS有限元方法分析方法进行数值试验，对某种钢材在不同管径、不同壁厚及腐蚀深度进行失效应力的模拟，最终得出3级评价的失效应力值。现以某缺陷为例说明三级评价流程。

1.5.1 管道模型

管道材质采用屈服强度为450MPa的L450管线管，独立腐蚀缺陷的尺寸为如表2所示。

表2 管道模型参数

依据实际尺寸建立有限元数值模拟模型，如图2和图3表示。

图2 管道总体模型图

图3 腐蚀缺陷模型图

1.5.2 方法论述

（1）网格划分

运用有限元分析方法ANSYS对模型进行非线性分析，结构并非始终处于弹性状态，故需要考虑材料非线性，如图4和图5表示。依据L450钢材的自身属性，设定材料的屈服应力为210MPa，最大拉应力为415MPa。

图4 整体模型网格

图5 网格局部加密

对建立的分析模型进行网格划分，并对缺陷区域进行网格局部加密以获得较高的精度。管道数值模拟选取SOLID45单元，以达到模拟大变形并节约计算成本的目的；

（2）载荷条件

管道内壁（包括缺陷表面）施加内压，进行分步加载；

（3）边界与约束条件

通过对两侧刨面施加对称约束来等效全局模型，通过对两端面施加固定约束来等效夹具对管道的固定作用，如图6表示；

图6 载荷与约束条件

（4）计算原理

管道内压载荷从0开始按预先设定的载荷步进行分步加载，进行迭代计算。直到施加的压力载荷使得管道产生的最大拉应力达到415MPa时，依据最大拉应力准则迭代计算无法收敛，从而停止计算。此时，认为已经达到设定的破坏状态，当前载荷步数×步长=加载压力。即可求得当前管道的破坏压力值。

1.5.3 计算结果

压力云图如图7所示。最大应力出现在缺陷的边缘处，超过415MPa的最大拉应力限定，此时施加的罐壁内压即为管道的破坏压力值。此时，依据“当前载荷步数×步长=加载压力”，即0.13×100=13MPa。计算得到当前工况下管道的失效压力值为13MPa。

图7 有限元计算云图

2 内检测结果评价方法及应用

2.1 0级-3级评价方法

（1）评价所需基础数据

0级评价仅需要管道直径/壁厚，及缺陷深度、长度即可查表评价，给出定性结果。1级评价可依据内检测结果，给出定量结果（含缺陷管道安全运行压力）包括管道尺寸数据、管材级别、设计运行压力、缺陷尺寸数据（如表3表示）。2级评价的结果较1级评价更接近真实值，但需要更多的数据需开挖验证，获取缺陷准确轮廓信息（如图8表示）。3级评价最为接近真实值，但在2级评价所需数据的基础上还需准确的材料性能数据；

图8 迭代计算过程

表3 缺陷尺寸数据表

（2）评价流程

该方法的内检测结果评价部分，主要是根据内检测数据，对含缺陷管道进行0级评价、1级评价、2级评价、3级评价，评价级别依次递增，准确性也依次增加。通过对内检测数据进行相应的算法模型运算，得出缺陷承压能力、管道失效临界压力、管道预估维修因子等，最终得到缺陷类型以及维修建议，从而对管道能否安全运行进行判断，并提供指导意见。参照ASME B31G实现0级评价算法，Modif ined B31G 1级评价算法，Original B31G 1级评价算法，2级评价中的有效面积法；参照DNVGLRP-F101已经实现包括分析安全系数法、许用应力法在内的1级评价算法；3级评价基于ANSYS有限元方法，模拟出特定管道缺陷的失效压力。

图8 开挖验证缺陷轮廓信息

2.2 内检测缺陷的评价

以某独立腐蚀的钢制管道为例，运用该油气田钢质管道内检测结果评价方法对其进行评价。管道及独立腐蚀缺陷参数如表2表示，依据开挖检测数据和分析结果，利用本文所提方法进行运算，得出结果如表4表示。

表4 油气田钢质管道内检测结果评价方法结果

1、2级评价各项评价方法结果与3级评价结果的相对误差值如图9表示。

图9 1、2级评价结果与3级评价结果相对误差

由该缺陷的评价结果可知0级评价只能给出定性结论，判断该缺陷是否通过0级评价，在承压范围之内，不能计算缺陷承压能力的具体数值。1级评价的4个算法所计算出的缺陷承压能力，与3级评价结果相比，其相对误差“ASME Modifined B31G”＜“ASME Original B31G”＜“DNV分项安全系数法”＜“DNV许用应力法”。由此可知1级评价中“ASME Modifined B31G”的计算结果与3级评价最为接近，相对误差为8.5%。2级评价的2个算法所计算出的缺陷承压能力，与3级评价结果相比，其相对误差“DNV许用应力法”＜“ASME Modifined B31G”，2级评价中“DNV许用应力法”的计算结果与3级评价最为接近，相对误差为-10.8%。

3 结语

分析了基于ASME B31G和DNV RP-F101管道腐蚀缺陷标准的油气田钢质管道内检测结果评价方法及主要功能，并通过实例对方法进行验证。结果表明：该方法逻辑性强，计算结果准确，易于操作，对实现油气集输管道缺陷一般评价和精准评价有较好推广前景。