含局部减薄缺陷X80长输管线的安全评定

李思嘉，王 杰

（中国石油大学（北京） 机械与储运工程学院，北京 102249）

我国石油天然气管道建设规模逐渐加大，管线的断裂事故时有发生，长输管线的安全评定工作越来越受到重视。随着油气长输管线使用年限的增加，受环境的影响，管道腐蚀现象日益严重。腐蚀缺陷可分为：均匀腐蚀、局部腐蚀以及点腐蚀三种。其中，局部腐蚀会导致管道壁厚减薄，局部减薄缺陷是导致管道失效的主要形式之一。随着西气东输二线工程的开展，X80钢管得到大量使用。在西气东输二线工程中，主干线全部采用X80钢管。X80钢管的大量使用，促使国内形成了年产量150万t X80钢管的产能，年产值达到150亿元人民币[1]。工业发达国家普遍将X80列为21世纪天然气输送管线的首选钢级[2]。所以准确地评价含局部减薄缺陷X80长输管线的剩余强度具有很大的社会及经济效益。

国际上对含局部减薄缺陷管道的评价方法有很多，主要有美国ASME B31G[3]、API 579[4]、挪威的DNV RP F101[5]等，但是 ASME B31G、DNV RP F101等评价准则的材料适用范围为X80级以下的压力管道，对X80以上的钢级并不适用。API579-2007则有着完整的评价体系,评价过程更为详尽、方便，可以对含局部减薄缺陷管线的轴向和环向剩余强度进行评价，在二级评价中可以将壁厚断面缺陷分为若干小段，比一级评价更为准确的计算管道剩余强度。

1 含局部减薄缺陷评价流程

在 API579标准体系中，评价分为三个等级，随着评价等级的提高，所需要的数据越多，评价结果更为精确。一般而言，在获得评价所需数据后，先进行一级评价，通过一级评价则可继续服役，否则进行二级评价。通过二级评价则可继续服役，否则进行三级评价。三级评价不通过，就要对管道进行维修、更换或者退役。API579准则含局部减薄缺陷的设备，同样分为三级。含局部减薄缺陷流程如图1所示。

图1 局部减薄缺陷评价流程图Fig. 1 Assessment Procedure to Evaluate a Pipe with Local Thin Defect

2 含局部减薄缺陷X80长输管线评价

根据API579标准评价含有局部减薄缺陷的管道。某段X80级长输管线，根据评价需求，应获得参数如下：管道内径D为1 182.2 mm，管道名义壁厚tnom为18.4 mm，均匀金属损失LOSS为0 mm , 腐蚀余量FCA为0 mm，材料屈服强度δs为555 MPa ,设计系数为0.72，焊缝系数E为0. 9，轴向焊缝系数EL为0.9，环向焊缝系数Ec为0.9，许用剩余强度系数RSFa为0.9，缺陷与最近不连接处距离Lmsd为1 000 mm。根据临界壁厚断面图，获得缺陷轴向长度s为200 mm，环向长度c为80 mm。轴向临界壁厚断面图如图2、表1，确定测量最小壁厚tmm=9.6 mm。

图2 轴向临界壁厚断面图Fig. 2 Critical Thickness Profile (CTP) - Longitudinal Plane

表1 检查点位置壁厚Table 1 Thickness of Checking Point

2.1 含局部减薄缺陷一级评价

根据获得的数据进行含局部减薄缺陷的一级评级。

1）计算远离局部减薄缺陷的壁厚tc。

将参数代入，得tc=18.4 mm。

2）计算剩余厚度比Rt，轴向缺陷长度系数l，环向缺陷长度系数cl。

将参数代入，得Rt= 0.522，l=1.743，cl=0.697。

3）校核缺陷尺寸。如果满足下列要求，则继续一级评价；若不满足，则按一级、二级评价，此缺陷均不可接受。

将参数代入，条件均得到满足。

4）计算剩余强度系数RSF。先计算 Folias 因子Mt，再求出剩余强度系数RSF。

将参数代入，得Mt=1.5，RSF=0.766。

5）校核缺陷尺寸。如果满足下列要求，则继续一级评价；若不满足，则按一级评价，此缺陷不可接受，进入二级评价。

将参数代入，条件均得到满足。

6）计算拉伸强度系数TSF。

将参数代入，TSF=0.825。

7）判断缺陷环向尺寸是否满足评价。根据计算得到的TSF，选择公式如下的曲线，以评价中获得的剩余厚度比Rt为横坐标，环向缺陷长度系数cl为纵坐标形成坐标点带入曲线计算，若位于曲线上方，则判断缺陷环向尺寸安全。若位于曲线下方，则缺陷环向尺寸不安全，一级评价结束，进入二级评价。

将参数代入，坐标位于曲线上方，缺陷环向尺寸满足评价。

8）计算管道最大运行压力MAWP。先求出满足环向要求的最大运行压力 MAWPC和满足环向要求的最大运行压力 MAWPL的值，选择他们中较小的一个作为管道最大运行压力。S为许用应力，材料屈服强度ss乘以设计系数0.72，为399.6 MPa。

将参数代入，得 MAWPC= 10.99 MPa，MAWPL=22.67 MPa， MAWP=min(MAWPC,MAWPL)= 10.99 MPa。

9）判断管道能否在最大运行压力MAWP下运行，若不能计算在该缺陷下的最大安全工作压力MAWPr。以评价中获得的剩余厚度比Rt为纵坐标，l为横坐标形成坐标点，带入下式所表示的曲线计算，若位于曲线上方，则可以最大运行压力下运行。若位于曲线下方，但是剩余强度系数RSF大于许用剩余强度系数RSFa，仍然可以在最大运行压力MAWP下运行。

将参数代入，坐标位于曲线下方，而且根据前面计算出的 RSFa，故管道无法在最大运行压力MAWP下运行。计算在该缺陷下的最大安全工作压力 MAWPr。

将参数带入，得到该缺陷下的最大安全工作压力MAWPr=9.354 MPa。

2.2 含局部减薄缺陷二级评价

二级评价可以得到比一级评价更加准确的结果。含局部减薄缺陷二级级评价步骤1) ～ 3)、5）～9）与一级评价相同。在二级评价中，步骤4）将壁厚断面缺陷分为若干小段，分别计算剩余强度系数，可以比一级评价更为准确的计算管道剩余强度，得到更为准确的最大安全工作压力 MAWPr。

图3 壁厚断面分段示意图Fig.3 Subdivision Process for Determining the RSF

1）计算远离局部减薄缺陷的壁厚tc，得tc= 18.4 mm。

2）计算剩余厚度比Rt，轴向缺陷长度系数l，环向缺陷长度系数cl。经计算得Rt= 0.522，l=1.743，cl=0.697。

3）校核缺陷尺寸，满足要求。

4）计算剩余强度系数RSF。首先按照金属损失大小按升序排列壁厚值。把评价的起始点设置在最大金属损失的位置上，即点壁厚读数最小处，依次计算。在当前评价的起点处，把壁厚断面分为一系列的子段，如图 3。对每个评价点，用下列方程计算每个子段的剩余强度系数 RSFi，其中 si为每子段的长度，为每子段的起点位置，为每子段的终点位置，λi为每个子段的轴向缺陷长度系数，为每个子段的 Folias 因子，为每子段的原始面积，为每子段的金属损失面积。剩余强度系数RSF是所有子组剩余强度系数 RSFi中的最小值。表2是以点壁厚读数最小处点6为起点，将管道壁厚断面图平均划分为10段，进行评价所得到数据，以其它点为起点的同理可得。通过计算确定最小的剩余强度系数为0.9，故RSF=0.9。

表2 剩余强度系数计算Table 2 The Calculation of Remaining Strength Factor

5）校核缺陷尺寸，得到满足。

6）计算拉伸强度系数TSF，得TSF=0.969。

7）判断缺陷环向尺寸是否满足，带入参数，得到满足。

8）计算管道最大运行压力MAWP，得MAWP=10.99 MPa。

9）判断管道能否在最大运行压力MAWP下运行，若不能计算在该缺陷下的最大安全工作压力MAWPr。根据计算，得RSF=0.9， RSF= RSFa，所以可以在最大运行压力10.99 MPa下安全运行，二级评价得到满足，评价结束。二级评价得到了比一级评价更为准确的最大安全运行压力，与二级评价相比，一级评价较为保守。

2.3 含局部减薄缺陷三级评价

随着评价的逐渐深入,如果不满足一级和二级评价准则的含局部减薄缺陷管道，则应使用三级评价方法或者退役、更换、维修。三级评价是最高水平和最复杂的评价，需要更加详尽的壁厚数据、几何详图、材料性质以及在此区域附近的附加载荷，是最高水平的评价，整个过程完全建立在定量分析的基础上，没有固定成熟的方法，可以采用应力分析，运用有限元建模等方法，确定结构连续服役适应性。

3 评价软件开发

通过实例计算，发现进行对含局部减薄缺陷管线的安全评定需要大量计算量，存在一定难度。为了解决这一问题，根据本文优化的 API579标准含局部减薄缺陷管道剩余强度的评价方法，开发了含局部减薄缺陷管道安全评价软件。

评价软件采用Visual Studio 2010开发平台，C#编程语言，实现了含局部减薄缺陷管道的安全评价，可以准确计算出管道的最大安全运行压力，界面友好，易于操作，功能全面。在二级评价模块中，可以根据需要任意添加点壁厚读数个数，自动判别最小剩余强度系数，可以实现更精确的评价。该软件大大减少了安全评定过程中计算的工作量，提高了长输管线的安全评定工作效率，降低了评定的难度。图4为结合本文算例进行计算时的界面，结果准确，方便易用。

图4 含局部减薄缺陷管线的安全评定软件界面Fig.4 Program Interface for the Assessment of Pipeline with Local Thin Defect

4 结 语

本文研究了API579-2007标准含局部减薄缺陷管道剩余强度的评价方法，针对长输管线，对评价流程进行了优化。选择X80长输管线为研究对象，完成了对含局部减薄缺陷管线的安全评定，得到了给定局部减薄缺陷下管道最大运行压力，二级评价比一级评价更为精确，证明了 API579标准评价含局部减薄缺陷管道的剩余强度的合理性。开发出含局部减薄缺陷的长输管线安全评定软件，该软件大大减少了安全评定过程中计算的工作量，提高了长输管线的安全评定工作效率，降低了评定的难度，进而使在役长输管道安全运行与管理水平得到进一步的改善和提高。

［1］王泽恒,等. 基于BS 7910标准含埋藏裂纹缺陷X80长输管线的二级安全评定 [J].焊管,2013 (04) ：61-65.

［2］DOLGIAS G S.高温轧制工艺（HTP）在高强度油气输送管线钢生产中的应用[J].南钢技术与管理，2006（3）：58-62.

［3］ASME B31G-2009,Manual for determining the remaining strength of corroded pipe lines[S]. American Society of Mechanical Engineers,2009.

［4］The American Society of Mechanical Engineers. API579-1 /ASME FFS-1-2007 fitness-for-service second edition [S]. Washington DC:API，2007.

［5］DNV RP F101-2004,Recommended practice for corroded Pipelines [S].Norway, 2004.