氣田金屬管道腐蝕缺陷評價方法適用性分析

賀煥婷 王旭 叢蕾旭 何翔 漆翔 劉忠磊 劉思源

1青海油田鉆采工藝研究院

2青海油田采油三廠

3青海油田采油四廠

金屬腐蝕缺陷給管道安全運行帶來的隱患是管道行業(yè)普遍關注的問題。因此，找到一種適用于氣田金屬管道腐蝕缺陷評價方法尤為重要[1-2]。管道金屬腐蝕缺陷評價是管道完整性評價中的關鍵環(huán)節(jié)之一，現(xiàn)國內外管道金屬腐蝕缺陷評價所采用的的標準和方法眾多，且各評價方法都具有各自的適用范圍[3]。為分析各評價方法在氣田金屬管道中是否可以準確評價管道金屬腐蝕缺陷的實際狀況，需對現(xiàn)有管道金屬腐蝕評價方法進行適用性分析，以加強和規(guī)范氣田金屬管道的完整性管理，進一步提高管道完整性管理水平。

1 金屬腐蝕缺陷評價方法

目前，對于管道金屬腐蝕缺陷評價，國內外常用的評價方法有：NG-18 方程、ASME B31G 標準、Rstreng 有效面積法、Rstreng0.85dL 方法（修正版的ASME B31G標準）、DNV RPF101方法等[4-6]。

1.1 NG-18方程

NG-18是用于評估腐蝕管道失效壓力的最早標準[7]。軸向表面缺陷的腐蝕管道失效壓力計算見公式（1）。

式中：p為失效壓力，MPa；σflow為流動壓力，MPa；t為壁厚，mm；D為管徑，mm；A為腐蝕面積投影，無量綱；A0為腐蝕管段長度范圍內的面積(tL)，mm2；M為鼓脹因子；d為最大腐蝕深度，mm；L為缺陷軸向長度，mm。

金屬體積型缺陷示意圖如圖1所示。

圖1 金屬體積型腐蝕缺陷示意圖Fig.1 Schematic diagram of metal volume corrosion defects

1.2 ASME B31G標準

ASME B31G 標準是美國機械工程師協(xié)會通過對NG-18 方程進行改進后所得的新的腐蝕管道評價準則，ASME B31G—1984 標準中腐蝕管道失效壓力的計算見公式（2）[8]。

式中：σflow=1.1SMYS（管材最小屈服強度）；A=2/3dL；。

采用ASME B31G—1984 標準計算時必須滿足以下兩個條件：①流動應力為l.lSMYS；②管道腐蝕缺陷部位的金屬損失用腐蝕投影面積表示：腐蝕缺陷短時，腐蝕投影面積簡化為拋物線所包圍的面積，即2/3dL；當腐蝕缺陷較長時，投影面積被簡化為矩形區(qū)域，即dL。不同長度的腐蝕缺陷下投影面積的計算方法不同，使得計算公式出現(xiàn)了一定的差異性[9]。

1.3 Rstreng 0.85dL(ASME B31G—2012)

Rstrengtg 0.85dL方法是在ASME B31G—1984的基礎上，在對86 組不同形狀腐蝕缺陷的管道試驗基礎之上進行改進后提出的。Rstreng 0.85dL方法就是改進的B31G 方法，即ASME B31G—2012。其計算見公式（3）[10-11]。

1.4 DNV RP-F101方法

DNV RP-F101 方法針對復雜形狀的、單個的和存在互相影響的管道中多個復雜的腐蝕缺陷進行計算。管道的內部壓力及管道承受的彎曲載荷和軸向載荷在該公式中均被充分考慮。其計算公式見式（4）[12-13]。

1.5 PCORRC方法

PCORRC 方法是一種由美國Battle 實驗室開發(fā)的管道剩余強度評估方法。它主要用于評估中高強度鋼質管道由于塑性失穩(wěn)而導致的管道的失效[14-15]。失效壓力的計算公式見式（5）。

式中：σflow為SMYS/0.9；R為管道半徑。

2 各評價方法的比較

將以上評價方法的計算公式進行對比，對比結果見表1。每種方法的計算公式的差異主要體現(xiàn)在三個方面：流動應力的值，腐蝕區(qū)域的投影方法及鼓脹因子的計算方法[16-18]。

表1 評價計算公式對比分析Tab.1 Comparative analysis of the evaluation calculation formulas

3 計算方法的適用性分析

某氣田現(xiàn)有金屬管道共14 條，材質以L360（X52）及L415（X60）居多，強度最大的材質為L415（X60）。為了綜合對比分析現(xiàn)有腐蝕管道失效壓力計算方法在該氣田金屬管道上的適用性，選取近年來進行過漏磁內檢測的4條金屬管道（臺南高壓輸氣管道（X52）、柴北緣輸氣管道（X60）、兩東輸氣管道（X60）、馬仙輸氣管道（X52））為研究對象來進行分析，取4條管道中含腐蝕缺陷的不同管段，分別使用上述各方法計算其預測失效壓力。各管道的具體參數(shù)見表2。

表2 各管道缺陷參數(shù)信息Tab.2 Defect parameter information of each pipeline

通過采用ASME B31G 標準、Rstreng0.85dL 方法、DNV RP-F101、PCORRC 方法在4 條管道中含腐蝕缺陷的不同管段上計算其失效壓力。從圖2的計算結果可以看出，以上方法計算結果的保守性均隨著缺陷深度比(d/t)的增大而緩慢降低。ASME B31G 標準計算結果的保守性最大，Rstreng 0.85dL方法和DNV RP-F 101 的計算結果非常接近，但Rstreng 0.85dL方法的計算結果保守性更居中，DNV RP-F101 的計算結果保守性最低。當缺陷深度比增大時，PCORRC方法的計算結果出現(xiàn)了冒進的現(xiàn)象[19-20]。當缺陷深度比逐漸增大時，冒進的現(xiàn)象出現(xiàn)在PCORRC方法的計算結果中[19-20]。

圖2 各計算方法在不同管道的計算結果Fig.2 Calculation results of different calculation methods in different pipelines

與老版ASME B31G 相比，RSTRENG 0.85dL 方法中的腐蝕投影面積用0.85dL取代了2/3dL，采用了修正的流動應力值和鼓脹系數(shù)，相對于ASME B31G 方法、RSTRENG 0.85dL方法的計算結果就不再保守[21]。

為了進一步分析以上五種評價方法在該氣田金屬缺陷管道中的適用性，計算出各評價方法預測結果的壓力比A（實際失效壓力/計算失效壓力），實際失效壓力的計算采用同管徑、同管材、同壁厚及模擬同缺陷的現(xiàn)場水壓試驗結果數(shù)據(jù)，具體參數(shù)見表3。計算結果如圖3所示。

表3 各管道缺陷水壓試驗失效壓力參數(shù)信息Tab.3 Failure pressure parameter information of various pipeline defects in hydraulic test

通過圖3 可以看出，針對該氣田4 條金屬管道的壓力比計算，以上4種評價方法計算壓力比A的離散性由低到高依次是：DNV RP-F101、ASME B31G標準、Rstreng0.85dL方法、PCORRC方法。此外，ASME B31G 標準的保守性最大，在管道實際工程應用中可能會導致不必要的維修維護和管道更換，Rstreng0.85dL方法通過適當調整安全系數(shù)改進了評價方法的保守性問題[22-23]。

圖3 各方法計算結果的壓力比Fig.3 Pressure ratios calculated by each method

從不同評價方法計算結果的準確性、保守性綜合考慮，并結合氣田金屬管道的具體管材，Rstreng0.85dL方法更適合用于該氣田材質為X60和X52的金屬管道腐蝕缺陷評價。

4 結論

（1）含金屬腐蝕缺陷管道的評價方法具有一定的差異性，不同的評價方法有不同的使用范圍。金屬腐蝕缺陷的各種評價方法計算公式的差異性主要體現(xiàn)在不同的流動應力、腐蝕面積投影方式以及鼓脹因子三個方面。

（2）從計算結果的保守性、準確性綜合考慮，Rstreng 0.85dL方法更適合用于該氣田材質為X60和X52的金屬管道腐蝕缺陷評價。