输气管道内腐蚀缺陷剩余强度评估方法分析

曹 斌 王海清

浙江浙能天然气运行有限公司 （浙江 杭州 310052）

据大量国内外资料统计表明，对于管内腐蚀介质侵蚀和管外环境腐蚀严重的天然气管道来说，腐蚀是造成管线失效的最重要因素之一[1]。因腐蚀造成的输气管道内腐蚀缺陷严重影响天然气管道运营阶段的安全和经济目标。对含有内腐蚀缺陷的输气管道进行剩余强度计算是对整条天然气管道进行安全评估极其重要的一环，对保证管道的安全平稳运行有着不可替代的作用。

1 几种常用管道剩余强度评估方法

20世纪60年代末70年代初，美国Battelle研究所根据断裂力学理论分析和爆破实验结果提出了半理论半经验计算公式NG-18，后由美国煤气协会（AGA）作为标准颁布，这是最早用来计算管道极限内压载荷的公式，具体计算公式如式（1）:

式中 PC—腐蚀管道的极限内压载荷，MPa；

σf—管道材料的流变应力强度，MPa；

t—管道厚度，mm；

D—管道外径，mm；

A—腐蚀长度为基准的腐蚀面积，mm2；

A0—以腐蚀长度为基准的原始壁厚面积，mm2；

Mf—Folias膨胀系数。

20世纪90年代初，Kiefner在NG-18公式的基础上对其进行了修正,美国机械工程师协会（ASME）以此修正公式为基础颁布了腐蚀管道的安全评估规范ASME B31G[2]，这是最早、也是目前使用最为广泛的腐蚀管道评估规范。

式中 σy—管道材料的屈服强度，MPa；

d—腐蚀缺陷深度，mm；

L—腐蚀缺陷长度，mm。

其他符号含义见式（1）。

O’Grady等针对ASME B31G规范的保守性，对流变应力、Folias膨胀系数和腐蚀面积作出了相应修正，提高了公式计算的精度，称之为改进的ASME B31G方法，改进的ASME B31G方法中腐蚀管道极限内压载荷计算公式见式（4）:

式中符号含义同式（1）～（3）。

21世纪初，挪威船级社（DNV）联合英国天然气公司（BG）基于全尺寸实验和有限元分析，并考虑弯曲载荷和轴向力对腐蚀管道极限内压载荷的影响，建立了全新的腐蚀管道安全评价体系，形成了DNV RP-F101 规范[3]。

式中 σu—管道材料的极限抗拉强度，MPa；其他符号含义见式（1）～（3）。

2 各种评估方法适用性评价

以上几种油气管道剩余强度计算方法都是通过对腐蚀管道破坏理论以及试验研究后由行业权威机构颁布的标准/规范，是目前最具代表性的腐蚀缺陷管道安全评价的标准[4-6]。但是每种评估标准都具有一定的局限性和优缺点，对输气管道内腐蚀缺陷剩余强度评估的适用性有待研究。

为进一步分析几种标准/规范在评估天然气管道剩余强度时的适用性情况，以某天然气公司的输气管道为研究背景，对各种标准/规范在评估输气管道腐蚀缺陷时的适用性情况进行评价与讨论。天然气管道直径为168.3mm，壁厚为9.5mm，管道钢材为API 5L X52，各标准/规范的管道极限内压载荷计算结果如图1所示。

从图1计算结果可以看出，对于目前这4种常用的体积型缺陷评估标准，在评估输气管道极限内压载荷时，DNV RP-F101、NG-18、改进的ASME B31G、ASME B31G的保守性依次增加。考虑输气管道极限内压载荷计算结果的保守性情况，选用DNV RP-F101《Recommended practice for corroded pipelines》标准对输气管道剩余强度进行评估校核。

3 输气管道剩余强度计算程序

由于参照DNV RP-F101标准在计算输气管道剩余强度时需涉及到大量的参数和复杂的计算公式，计算过程中不仅要求对DNV RP-F101标准有熟悉的了解和掌握，还要进行大量繁琐的判断与计算，任何一步计算的失误都会给评估结果造成严重的影响，因此以DNV RP-F101标准为依托，Visual Basic 6.0为平台，编制了输气管道内腐蚀缺陷剩余强度计算程序（图2）。

该计算程序提供了分项安全系数法和许用应力法，可分别采取这2种方法对输气管道的剩余强度进行计算评估。该程序最终得到的结果信息为:对于分项安全系数法，在保证一定安全等级的情况下可以得出评估腐蚀管段的最大许用压力值；对于许用应力法，也可以得到该腐蚀管段的最大许用压力值。使用者可以根据需要自由选择以上2种计算方法对输气管道单一腐蚀缺陷和交互腐蚀缺陷管段的许用压力值进行计算，进而对天然气管道的安全性进行评定。

4 计算程序的应用与分析

为了分析所编制的程序——《输气管道内腐蚀缺陷剩余强度计算程序》在计算输气管道剩余强度时的实用性与有效性，举一个工程实例，便于分析比较缺陷各参数（主要是腐蚀缺陷深度、缺陷长度）对输气管道剩余强度的影响。利用这些计算结果作出了缺陷程度与管道许用压力值的关系曲线，分别如图3和图4所示，其中L表示腐蚀缺陷长度，d表示腐蚀缺陷深度，t表示管道厚度。并不明显；③当缺陷深度超过管道壁厚的40%时，输气管道许用压力值随着缺陷程度加深而迅速降低，而且管径越小、壁厚越大的输气管道，下降的斜率就会越大。

从图3可知:①对于腐蚀缺陷长度等于10倍缺陷深度（L=10d）的输气管道来说，管道许用压力值随腐蚀缺陷程度加深总体变化规律是先平缓后急速下降；②当腐蚀缺陷深度很小（腐蚀缺陷深度小于管道壁厚的40%）时，计算得到的管道许用压力值随着腐蚀缺陷程度加深而缓缓减小，但是减小的趋势

从图4可知:①对于腐蚀缺陷长度等于100倍缺陷深度（L=100d）的输气管道来说，只要管道有内腐蚀缺陷存在，随着腐蚀缺陷程度加深，管道许用压力值变化比较大，而且下降的也相当快；②当输气管道的管径越小、壁厚越大时，许用压力值下降的斜率也会越大；③对于输气管道中存在的长腐蚀缺陷（如腐蚀缺陷长度达到缺陷深度的100倍时）要引起足够的重视，因为长腐蚀缺陷的输气管道许用压力值下降很快，具体的数值可以采用编制的计算程序进行相应的计算评估。

5 结论

（1）对比研究了各种常用油气管道缺陷剩余强度计算标准/规范对于输气管道内腐蚀缺陷评估的适用性问题，发现DNV RP-F101、NG-18、改进的ASME B31G、ASME B31G的保守性依次增加，所以采用挪威船级社颁布的NDV RP-F101《Recommended practice for corroded pipelines》标准对输气管道剩余强度进行评估。

（2）基于NDV RP-F101标准中的剩余强度计算方法，分析归纳评估步骤，并以DNV RP-F101标准为依托，Visual Basic 6.0为平台，编制了《输气管道内腐蚀缺陷剩余强度计算程序》。

（3）工程实例证明运用所编程序可以有效地对输气管道内腐蚀缺陷剩余强度进行评估，而且此程序操作简单，界面友好。

[1]方华灿.油气长输管线的安全可靠性分析[M].北京:石油工业出版社,2002.

[2]ASME B31G-1991.Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines[S].

[3]DNV RP-F101-2004.Recommended practice for corroded pipelines[S].

[4]郭淑娟,陈保东,韦丽娃,等.几种含体积型腐蚀缺陷管道剩余强度评价方法的特点及适用性[J].腐蚀科学与防护技术,2008,20(5):364-366.

[5]王春兰,张鹏,陈利琼,等.腐蚀管道剩余强度评价的基本方法[J].四川大学学报:工程科学版,2003,35(5):50-54.

[6]刘颖,廖柯熹,刘长林,等.含腐蚀缺陷管道的剩余强度评价方法[J].天然气与石油,2008,26(2):41-44.