不同级别腐蚀管道剩余强度评估方法对比研究.pdf

第 25 卷 第 1 期

腐蚀科学与防护技术

Vol.25 No.1

2013 年 1 月

CORROSION SCIENCE AND PROTECTION TECHNOLOGY

Jan. 2013

经验交流

不同级别腐蚀管道剩余强度评估方法对比研究 王 翔 1 赵东风 2 1. 中国石油大学机电工程学院 青岛 266555; 2. 中国石油大学化学化工学院 青岛 266555 中图分类号: TG174

文献标识码: A

文章编号: 1002-6495(2013)01-0085-04

1 前言

2.1 ASME B31G 准则

管道是油气资源输送最主要也是最经济安全的

ASME B31G 准 则 由 美 国 机 械 工 程 师 协 会 于

方式, 由于管道大多埋于地下, 输送压力高, 极易受

1984 年 颁 布, 并 于 1991 年 和 2009 年 分 别 对 B31G

到外部压力、腐蚀、第三方破坏和自然灾害等因素的

准则进行修订, 主要是为了克服 B31G 准则的保守

影响. 资料表明 , 腐蚀是油气管道失效的主要原因

性. 目前最新的 ASME B31G-2009 版根据现场应用

之一, 会造成管壁减薄, 管道的承压能力下降, 严重

的难易程度采用了分级评价方法进行分析, 评价时

时导致管道的破裂泄漏事故的发生, 对人员和财产

共分四个级别, 零级评价、一级评价、二级评价和三

造成重大损失.

级评价[3].

[1]

高级别钢质管道在提高输送压力的基础上减小

零级评价主要根据现场测量的腐蚀区域最大深

管径和壁厚, 可显著的降低工程费用, 因此提高管线

度和腐蚀区轴向距离, 然后对照标准中给出的附表

钢级别和输送压力是油气管道建设的发展趋势, 越

查找管道的最大允许轴向腐蚀长度, 一次确定管道

来越多的天然气管道工程开始使用 X80 甚至 X100

是否安全; 二级评价主要是更加精确的测量失效区

等更高级别的管线钢 . 目前我国已经建设了多条

域的有效面积, 然后进行失效压力的计算; 三级评价

长输油气管道工程, 如西气东输二线、中缅管道、中

是在前几个等级的评价没有达到要求或者实际情况

俄油气管道等, 油气田逐渐向高寒地区、海上以及高

十分复杂时使用, 三级评价时需要考虑更多的不确

含硫等资源进展, 油气管线使用的安全性成为学术

定性因素, 如外部应力、材料力学特性、约束等, 使用

界普遍关心的问题, 从而对管道材料提出了更高的

有限元方法进行计算.

[2]

要求, 因此对大孔径高级别钢质管道进行腐蚀安全

一级评价则需要根据一定的步骤按照失效准

性评估具有十分重要的应用价值.

则进行管道失效压力的计算, 首先直接测量管径 D

2 现有的标准及评价方法

和壁厚 t, 然后测量腐蚀区域最大深度 d 和轴向长度

对于含腐蚀缺陷的管道, 通常用剩余强度系数 对管道的安全性进行评估, 目前国外已经围绕腐蚀 管道的破坏机理和极限承载力进行了大量研究并 颁布了一些标准和研究方法, 包括 ASME B31G 及 其修正后的 B31G 准则 [3]、DNV-RP-F101、API579 准 则、SHELL92 及 PCORRC 等方法, 国内也针对管道 的腐蚀安全性评估制定了一些评价规范, 如《钢质 管道腐蚀损伤评价方法》(SY/T6151-2009)及《含缺 陷 油 气 输 送 管 道 剩 余 强 度 评 价 方 法 》(SY/ T6477-2000)等, 但是这些规范主要还是依据国外 标准进行制定 [4]. 下面对目前最常用的腐蚀管道安 全评价方法进行介绍. 定稿日期: 2012-08-31 作者简介: 王翔, 男, 1986 年生, 硕士生, 研究方向为安全技术及工程 通讯作者: 王翔, E-mail: [email protected]

L, 然后根据式(1)确定 z 的值以判断管道的腐蚀缺 陷类型: z = L 2 /Dt (1) 式中, t 为管道壁厚. 当 z ≤50 时, 腐蚀缺陷类型为短 缺陷；当 z >50 时, 腐蚀为长缺陷. 根据式(2)计算 Folias 系数 M 的大小: 12

M =(1 + 0.627z - 0.003375z2) z  50 M = 0.032z + 3.3 z > 50 于是得到管道的失效应力 SF 的表达式: S F = S flow [1 - 0.85(d/t)]/[1 - 0.85(d/t)/M]

(2)

(3)

式中, Sflow 为流变应力(MPa), 其大小为 1.1SMYS, 其 中 SMYS 为材料规定的最小屈服应力(MPa). 计算出管道的失效应力后与规定的 SF·S0 值进

行比较确定管道是否失效, 其中 SF 是规定的可接受 安全系数, S0 为最大操作压力下的环向压力. ASME

86

25 卷

腐蚀科学与防护技术

B31G-2009 在缺陷面积的计算、长短缺陷值的确定

和对比, 本文采用许用应力法对管道进行剩余强度

等方面进行了修订.

计算.

2.2 DNV-RP-F101 方法

2.3 PCORRC 方法

DNV-RP-F101 方法是由英国燃气公司(BG)和

PCORRC 方 法 (Pipeline Corrosion Criterion) 由

挪威船级社(DNV)于 1999 年联合颁布的管道腐蚀

美国 Battle 实验室开发, 用于评价含钝口腐蚀缺陷

的标准, 该标准提供了两种评价腐蚀管道安全的方

的中高强度等级管道由塑性失稳导致失效的剩余强

法, 即分项安全系数法和许用应力法, 计算时将缺陷

度. PCORRC 方法中失效压力的计算公式如下:

分为单个缺陷、相互作用缺陷和复杂形状缺陷三种

ìï é ùüï L p f = σ b 2t í1 - d êê1 - exp(-0.157 )úúý (9) Dï t R(t - d) ûïþ ë î 式中, R 是管道内外半径的平均值(mm), L 为腐蚀长

类型, 而且该标准还将管道的内压、轴向和弯曲载荷 考虑进来. 1) 分项安全系数法[5]

度(mm), σb 是管材的拉伸强度(MPa), PCORRC 标准

ì 1 - γd (d - t)∗ γ d (d - t)* < 1 ï p corr = γ m 2tSMTS D-t ï γd (d/t)∗ 1í Q ï ïp = 0 γ d (d - t)*  1 î corr

认为管道的失效主要是由拉伸强度决定的, 其中缺 (4)

陷的长度和深度是最主要的影响因素.

3 不同评价方法的应用

其中:

为比较不同评价方法对管道剩余强度计算结果 2

æ ö Q = 1 + 0.31ç L ÷ è Dt ø

(5)

(d/t) =(d/t) meas + ε d StD(d/t) *

(6)

式中, pcorr 是内压载荷作用下腐蚀管道单个纵向腐蚀 缺陷的许用压力(MPa); Q 是长度校正系数; SMTS 是规定的最小拉伸强度(MPa); γd 为腐蚀深度的分项 安全系数; γm 为预测模型的分项安全系数; εd 是定义 腐蚀深度分数值的系数; (d/t)meas 为测得的腐蚀缺陷 相对深度; StD(d/t)为随机变量 d/t 的标准偏差.

的影响, 选取 X65、X80 和 X100 三种不同级别的钢 质管道, 利用上文提到的 3 种评价方法分别对 3 种管 道进行剩余强度计算, 即失效压力的计算, 并对计算 结果进行比较. 管道的力学和几何参数见表 1. 下面利用不同的评价标准对管道的失效压力进 行 计 算, 计 算 时 只 考 虑 单 个 缺 陷 时 的 情 况, 选 取 X65、X80、X100 三种级别的钢质管道, 首先假设 管道的腐蚀长度均为 200 mm. 一般情况下如果管道 的腐蚀深度超过壁厚的 80%则认为管道已经失效, 必须维修或者更换, 因此腐蚀深度分别取壁厚的

2) 许用应力法

10%~80%, 具体取值见表 2, 分别利用三种标准进行

(1 - d ) t p f = 2tUTS (D - t) (1 - d ) tQ

表 1 管道力学性能和几何参数[6~8]

(7)

X65

X80

X100

杨氏模量 E/ MPa

2.06×10

2.06×10

2.06×105

泊松比

0.3

0.3

0.3

最小屈服强度 SMYS/ MPa

464

555

802

最小抗拉强度 SMTS/ MPa

563

625

891

屈强比 Y/T

0.82

0.89

0.90

各种不确定性因素的影响, 计算结果更加符合实际

管径 D/ mm

813

1219

1420

情况下腐蚀管道的剩余强度情况, 而许用应力法主

壁厚 t/ mm

13.0

18.4

20.0

要侧重于现场应用, 具有一定的保守性. 为便于计算

操作压力/ MPa

9.45

12.00

18.00

式 中, pf 是 失 效 压 力 (MPa); UTS 为 极 限 拉 伸 强 度 (MPa). 如果需要计算管道的安全工作压力 psw, 则 p sw = Fp f

(8)

式中, F 为管道强度设计系数. 分项安全系数法综合考虑了管道腐蚀情况下的

5

5

表 2 腐蚀缺陷的几何参数 腐蚀深度/ mm

0.1t

0.2t

0.3t

0.4t

0.5t

0.6t

0.7t

0.8t

X65

1.3

2.6

3.9

5.2

6.5

7.8

9.1

10.4

X80

1.84

3.68

5.52

7.36

9.20

11.04

12.88

14.72

X100

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

1期

87

王 翔等: 不同级别腐蚀管道剩余强度评估方法对比研究

失效压力的计算, 计算结果见图 1~3.

的 计 算 结 果 处 于 两 者 之 间. DNV-RP-F101( 简 称

从计算结果可以看出, 针对三种不同级别的管

F101)方法和 PCORRC 方法对于不同级别的管道,

道, 随着管道钢级的提高及管道 SMYS 和 SMTS 值

随着腐蚀深度的不同, 两者计算结果的相对大小也

的变大, 管道的失效压力也在变大, 即在相同腐蚀缺

是变化的.

陷条件下, 管道钢级越高, 管道的安全性越高, 而且

对于 X65 管道, 当 d/t  10%时, F101 方法的计

随着腐蚀深度的增大, 管道的失效压力降低, 其中

算结果大于 PCORRC 方法的计算结果; 当 d/t >10%

DNV-RP-F101 方法的计算结果下降幅度最大. 同时

时, PCORRC 方法的计算结果大于 F101 方法的计算

可以看出, ASME B31G-2009 的计算结果最为保守,

结果. 因此 d/t=10%是一个分界点, 两种方法的计算

PCORRC 方法的计算结果最大, DNV-RP-F101 方法 　

值相对大小会发生变化. 而对于 X80 和 X100 管道,

１８

　 ＡＳＭＥ　 Ｂ３１Ｇ－ ２００９ 　 ＤＮＶ－ ＲＰ－ Ｆ１０１ 　 ＰＣＯＲＲＣ

１７ １５ １３ １２ １０

力 计 算 结 果 的 标 准 差. 从 计 算 结 果 可 以 看 出,

８

３

４

５

６

７

８

Ｃｏｒ ｒ ｏｓ ｉ ｏｎ　 ｄｅｐｔ ｈ／ 　 ｍｍ

９ １０ １１ １２

说明这种方法的计算结果变化随着参数不同变化比

　 ＡＳＭＥ　 Ｂ３１Ｇ－ ２００９ 　 ＤＮＶ－ ＲＰ－ Ｆ１０１ 　 ＰＣＯＲＲＣ

１７

根据计算结果及文献[9~11]提供的含腐蚀管道 腐蚀缺陷尺寸及爆破失效压力的实验数据可以看出 X100 钢管道的计算结果波动最大, 因此其只适用评

１５ １４ １３

价中低强度等级管道; DNV-RP-F101 方法和 PCORRC 方法由于采用基于管材爆破强度的安全准则, 计

１２

算结果总体相差不大, 一定程度上改善了 ASME

１１

１０ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０１１１２１３１４１５１６ Ｃｏｒ ｒ ｏｓ ｉ ｏｎ　 ｄｅｐｔ ｈ／ 　 ｍｍ 　

B31G 准则的保守性, 并且更适用于评价 X60 以上级 别的管道, 但是当腐蚀深度改变时 DNV-RP-F101 方 法的计算结果变化幅度较大, 因此 PCORRC 方法在 改善评价方法的保守性方面表现出了优越性.

图 2 不同标准下 X80 管道的失效压力计算结果

４． ０

　 ＡＳＭＥ　 Ｂ３１Ｇ－ ２００９ 　 ＤＮＶ－ ＲＰ－ Ｆ１０１ 　 ＰＣＯＲＲＣ

２２ ２０

　

Ｆａｉ ｌ ｕｒ ｅ　 ｐｒ ｅｓｓｕｒ ｅ／ 　 ＭＰａ

较平稳.

ASME B31G-2009 准则的计算结果最为保守, 并且

１６ 　

Ｆａｉ ｌ ｕｒ ｅ　 ｐｒ ｅｓ ｓ ｕｒ ｅ／ 　 ＭＰａ

１８

着腐蚀深度的增加, 管道失效压力的下降幅度和速 度最大, 而 PCORRC 的计算结果的标准差值最小,

　

１９

DNV-RP-F101 的计算结果的波动程度最大, 并且随

１８ １６ １４ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０１１１２１３１４１５１６１７１８ Ｃｏｒ ｒ ｏｓｉ ｏｎ　 ｄｅｐｔ ｈ／ 　 ｍｍ

图 3 不同标准下 X100 管道的失效压力计算结果

　

　 Ｘ６５ 　 Ｘ８０ 　 Ｘ１００

３． ５ ３． ０ ２． ５ ２． ０

　

２

Ｓｔ ａｎｄａ ｒ ｄ　 ｅｒ ｒ ｏｒ ／ 　 ％ 　

１

图 1 不同标准下 X65 管道的失效压力计算结果

２４

的计算结果. 小, 图 4 给出了三种方法针对不同钢级管道失效压

９

２６

度是不同的. 同时可以看出, 当 d/t  70%后, F101 方

为了比较不同方法的计算结果的波动程度的大

１１

７ ０

的增加和管道钢级的提高对不同计算方法的影响程 法的计算结果变的非常小, 并且小于 ASME B31G

１４ 　

Ｆａｉ ｌ ｕｒ ｅ　 ｐｒ ｅｓ ｓ ｕｒ ｅ／ 　 ＭＰａ

１６

分界点的 d/t 值分别为 30%和 40%, 这说明腐蚀深度

１． ５ １． ０ ０． ５

０． ０ Ｒ　 Ｐ－ Ｆ１０１ ＡＳＭＥ　 Ｂ３１Ｇ－ ２００９ ＤＮＶ－

图 4 计算结果波动程度比较

ＰＣＯＲＲＣ

88

腐蚀科学与防护技术

4 结论及展望 (1) 在 相 同 腐 蚀 缺 陷 条 件 下, 管 道 级 别 越 高, SMYS 和 SMTS 值越大, 管道的剩余强度越大, 管道 安全性越高.

25 卷

参考文献 [1] Ahammed M, Melchers R E. Reliability estimation of pressurized pipelines subject to localised corrosion defects [J]. Int. J. Pressure Vessels Piping, 1996, 69(3): 267

(2) 腐蚀深度的增加和管道钢级的提高对不同

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计 算 方 法 的 影 响 程 度 不 同, DNV-RP-F101 方 法 和

ability of corroding pipelines [J]. Reliabil. Eng. Syst. Safety, 2008,

PCORRC 方法的计算结果随着腐蚀深度的增加和管 道级别的提高而改变. (3) ASME B31G-2009 准则的计算结果最为保 守, 不 适 用 与 高 级 别 钢 制 管 道 的 剩 余 强 度 评 价, DNV-RP-F101 方法和 PCORRC 方法一定程度上克 服了 ASME B31G-2009 准则的保守性, 更适用于计 算 X80 及以上的高级别管道的剩余强度. (4) 在计算 X80 及 X100 高级别管道的剩余强度 时, 随着腐蚀深度的改变, DNV-RP-F101 方法的计 算结果变化幅度较大, 而 PCORRC 方法的计算结果 波动较小, 因此更好的改善了评价方法的保守性. 目前对管道剩余强度的计算方法的理论基础大 体相同, 主要是基于 Folias 半经验公式结合实验数 据进行修正, 对不同级别和材质的管道其适用性不 尽相同; 另外在计算时对管道模型进行了部分假设, 没有充分考虑腐蚀缺陷的形状、缺陷随时间变化的

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增长及相邻缺陷的影响等因素, 有时计算结果与实

[11] Freire J L F, Vieira R D, Benjamin A C, et al. Burst tests of pipe-

际情况相差较大, 因此必须针对这些不足对管道剩

line with extensive longitudinal metal loss [J]. Exp. Tech., 2006,

余强度的评价方法进行更加系统深入的研究.

30(6): 60