含体积型缺陷油气管道剩余强度评价标准对比分析研究

张　奕，高富超，杨锋平,3，王　琴，张　良,3，王　珂

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院　陕西　西安　710077；2.中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司　新疆　乌鲁木齐　830012；3.西安三环科技开发总公司　陕西　西安　710077)



·试验研究·

含体积型缺陷油气管道剩余强度评价标准对比分析研究

张奕1，高富超2，杨锋平1,3，王琴2，张良1,3，王珂1

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院陕西西安710077；2.中国石油天然气股份有限公司西部管道分公司新疆乌鲁木齐830012；3.西安三环科技开发总公司陕西西安710077)

从适用范围、限制条件、基本评价准则、关键参数取值、公开试验数据等方面对比分析了国内常用6项油气管道体积型缺陷剩余强度评价标准。结果发现：在原理上，ASME B31G -2012、API 579-1-2007、SY/T 6477-2014、SY/T 6151-2009均采用了失效应力评价方法；GB/T 19624-2004也基于极限载荷评价，但没有使用鼓胀因子；BS 7910-2013以失效评估图横坐标是否达到临界值作为评判准则。在适用范围上，6项标准均可进行钢管、焊缝缺陷的评价。标准通用限制条件为：管道材料是韧性的，不存在疲劳环境，服役温度满足设计要求，不存在应力集中，非尖锐缺陷。对于焊缝气孔、夹渣、咬边缺陷基于尺寸的直接评价，可依据BS7910-2013或GB/T 19624-2004进行。对于典型体积型缺陷的剩余强度评价，建议的选择次序为：国外标准ASME B31G -2012、API 579-1-2007、BS7910-2013，国内标准：SY/T 6151-2009、SY/T 6477-2014、GB/T 19624-2004。

油气管道；体积型缺陷；剩余强度评价；标准

0　引　言

油气输送管线服役期间可能会因为腐蚀、机械损伤、地质灾害等因素造成各种损伤，还可能存在制管和施工缺陷，严重的损伤和缺陷会引起管线的泄漏和开裂，导致火灾、爆炸中毒等事故发生，并可能造成人员伤亡、重大经济损失和环境污染。对发现的管道缺陷进行可靠的安全评估，对管道安全服役有重要影响。

对于体积型缺陷的评价，最常用的方法是基于弹塑性强度理论、断裂力学理论以及试验修正的半理论半经验公式[1,2]。其基本原理为：体积型缺陷的主要影响是减弱了钢管承载能力，改变原有完整钢管的受力分布情况。承载能力的减弱可通过弹塑性强度理论或者断裂力学理论得到计算式，并用鼓胀因子的系数来表示，该因子代表钢管几何形状及材料缺失对承压能力的影响。随着断裂力学、塑性力学、金属疲劳、无损检测、计算机等学科的发展和应用，目前已有较多的管道体积型缺陷剩余强度评价方法。这些方法主要以NG- 18公式为基础，只是流变应力取值、缺陷形状的表述(鼓胀修正因子)不同。除了半理论半经验公式方法，另一种评价方法是基于有限元的数值计算方法，该方法由于需要精细建模，耗费时间精力较多，通常用在重要缺陷的评价中，相关标准都将有限元数值方法作为最后一个级别的评价方法。

现阶段体积型缺陷评价标准主要有：ASME B31G-2012《腐蚀管道剩余强度手册》[3]、API579-1-2007《服役适用性评价》[4]、BS7910-2013《金属结构内可接受缺陷的评价指南》[5]等，国内主要评价方法有GB/T 19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评价》[6]、SY/T6151-2009 《钢质管道钢体腐蚀损伤评价方法》[7]、SY/T6477-2014《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》[8]。由于缺陷评价事关管道安全运行，因此在应用标准进行含缺陷油气管道安全评价时，必须充分考虑标准的限制条件和适用性。在体积型缺陷标准对比方面，杨绪运[9]、陈福来[10]、郭淑娟[11]等进行了研究，但均未从适用范围、限制性使用条件等方面对比标准的优缺点。

1　标准适用范围与限制条件

ASME B31G由ASME(美国机械工程师协会)发布，最新版本为2012版。API 579-1由API(美国石油学会)和ASME共同发布，最新版本为2007版。BS7910由英国标准研究所发布，最新版本为2013版。GB/T 19624由国家质监总局和国家标准化委员会共同发布，最新版本为2004版。SY/T 6151由国家能源局发布，最新版本为2009版。SY/T 6477由国家能源局发布，最新版本为2014版。6项标准均属于推荐性标准。

1.1适用范围

ASME B31G-2012适用范围：1)地下、地上以及近海管道的金属损失。2)内外腐蚀引起的金属损失。3)磨损引起的金属损失，但管道表面不能有力学损伤、裂纹、弧坑、制造缺陷等其他缺陷。4)现场弯管、工厂热煨弯管、弯头上的金属损失。5)恰好位于直焊缝、电阻焊缝或环焊缝上的金属损失(意味着腐蚀没有选择性发生在焊缝上)，且管道质量完好、韧性、制造缺陷与金属损失较远，没有相互干扰。6)任何深度的金属损失，但超过壁厚80%时，需认真考虑测量精度以及腐蚀速率。7)新管制造允许的金属损失。8)发生金属损失的管材是韧性的。9)压力、温度均在设计要求之内。10)内压是主要应力来源。

API 579-1-2007适用范围：1)原始设计是按公认的规范或标准进行的。2)构件不在蠕变区工作，工作温度符合设计要求。3)材料损失区域有相当的光滑轮廓，不应有切口形缺陷(大的应力集中)。4)构件不承受循环载荷(未来服役环境小于150次循环)。5)没有裂纹。

BS7910-2013适用范围：1)局部腐蚀。2)韧性材料。3)管道直径壁厚比超过10(薄壁管)。4)管道、弯头、承受环向应力或轴向应力。5)位于母材或焊缝上的内外腐蚀。6)冲蚀或金属损失。7)如果在焊缝上，则要求焊缝没有焊接缺陷，不能与母材低匹配，脆断不大可能发生。

GB/T 19624-2004适用范围：1)在用钢制含超标缺陷压力容器的安全评价。包括断裂与塑性失效评价和疲劳失效评价。2)体积型缺陷：包括凹坑、气孔、夹渣、深度小于1 mm的咬边等。

SY/T 6151-2009适用范围：1)在役含腐蚀损伤管道的评价。2)适用于钝性的、低应力集中的腐蚀损伤的碳钢和低合金钢管道。3)管道钝性机械损伤可参考本标准进行。

SY/T 6477-2014适用范围：1)含缺陷油气输送管剩余强度评价。2)管道原设计标准与GB50251或GB50253一致。3)内外腐蚀、管体金属损失类缺陷。4)管道表面不含裂纹、机械损伤、制造缺陷或其他缺陷。5)缺陷的深度不超过管道公称壁厚的80%。6)管道材料是韧性的。7)管道运行温度处于标准控制温度范围内。8)内压时管道的主要载荷。

1.2在油气管道应用上的限制

ASME B31G-2012：不适用于以下情况：1)裂纹型缺陷或机械损伤没有被彻底打磨光滑。2)金属损失发生在超过6%的凹陷之中。3)沟槽腐蚀、选择性腐蚀、优先腐蚀不发生在钢管焊缝或环焊缝上。4)除了弯管和弯头外的其他管件。5)钢管是脆性的。6)钢管服役温度超标或在蠕变温度范围内服役。

API 579-1-2007：不适用于以下情况：1)与主要结构不连续处。2)承受较大附加载荷。3)工作温度处于蠕变范围内的构件。4)循环载荷服役下的构件。

BS7910-2013：不适用于以下情况：1)最小要求屈服强度高于555 MPa(X80及以下适用)，屈强比超过0.93。2)存在外部超压。3)疲劳载荷。4)尖锐缺陷。5)局部金属损失与裂纹共同存在。6)局部金属损失与机械损伤共同存在。7)机械损伤导致的金属损失(如沟槽)。8)焊接缺陷。9)环境原因致开裂。10)金属损失深度超过80%原壁厚。11)存在应力集中区域的金属损失，如角焊缝等。12)机械连接地方的金属损失。

GB/T 19624-2004适用于以下情况：1)锅炉和管道在进行安全评价时可参照本标准进行。2)壁厚半径比小于0.18，直管段要求外半径内半径之比小于1.4。3)材料韧性满足设计要求，无劣化。4)缺陷深度不得大于60%t(直管段为70%t)，且剩余壁厚不得小于2 mm。5)缺陷长度不得超过2.8(Rt)0.5。6)缺陷宽度不小于缺陷深度的6倍。其中R表示管道半径，t表示管道壁厚。

SY/T 6151-2009：1)不能用于安装之前或安装过程中钢管的腐蚀评价，或焊缝及热影响区存在较严重缺陷钢管的评价。2)只适用于管道承受内压情况，当管道存在较大附加应力时，则应另行考虑。

SY/T 6477-2014：不适用于以下情况：1)管道上的裂纹型缺陷或机械表面损伤未能打磨光滑。2)管道环向变形引起的管径变化超过6%。3)处于钢管焊缝或环焊缝上的缝隙腐蚀、选择性腐蚀。4)管道材料是脆性的。5)管道运行温度超过标准控制或者处于蠕变温度范围。

2　标准评价准则与关键参数取值

2.1评价级别

ASME B31G-2012：剩余强度评价级别为4级。

API 579-1-2007：均匀腐蚀和局部腐蚀剩余强度评价级别都为3级。

BS7910-2013：剩余强度评价级别为1级。

GB/T 19624-2004：剩余强度评价级别为1级。

SY/T 6151-2009：剩余强度评价级别为2级。

SY/T 6477-2014：均匀腐蚀和局部腐蚀剩余强度评价级别都为2级。

2.2基本准则

6项评价标准试验评价时所遵循的基本准则如下：

ASME B31G-2012：缺陷处环向应力是否大于流变应力。

API 579-1-2007：均匀腐蚀：均值壁厚及最小壁厚是否大于要求值；局部腐蚀：缺陷处环向应力及轴向应力是否大于屈服强度。

BS7910-2013：1)对于常规体积型缺陷，以塑性崩溃是否会发生为判断失效条件，以失效评估图中横坐标载荷比是否大于临界值为判断依据，相当于只以双判据失效评估图(FAD)中横坐标是否达到临界值评价体积型缺陷是否安全；2)对于气孔、夹渣、咬边有直接方法。

GB/T 19624-2004：1)对于凹坑缺陷：以最高工作压力是否大于临界压力为判据。2)对于气孔缺陷，以气孔率和单个气孔尺寸为判断依据。3)对于夹渣缺陷，以夹渣尺寸为判据。

SY/T 6151-2009：缺陷尺寸评价法以及最大应力评价法(以流变应力为临界值)；

SY/T 6477-2014：同API 579-1。

2.3安全因子取值推荐

6项评价标准试验评价时安全因子取值推荐如下：

ASME B31G-2012：建议与水压试验压力与设计压力的比值，但不小于1.25。

API 579-1-2007：均匀腐蚀：无。局部腐蚀：缺陷处管道设计系数的倒数。

BS7910-2013：缺陷处管道设计系数倒数。

GB/T 19624-2004：按失效后果分，缺陷尺寸、应力需要考虑安全因子，取值范围1.0～1.5。

SY/T 6151-2009：按缺陷尺寸评价时不考虑安全系数；按最大应力评价时考虑安全因子为缺陷处管道设计系数倒数。

SY/T 6477-2014：均匀腐蚀：无。局部腐蚀：缺陷处管道设计系数与焊缝系数乘积的倒数。

2.4流变应力取值推荐

6项评价标准试验评价时流变应力取值推荐如下：

ASME B31G：根据情况取1.1σs或σf=σs+69或σf=(σs+σb)/2。

API 579-1：无流变应力项。

BS7910：σf=(σs+σb)/2

GB/T 19624：非焊缝区为σs；焊缝区为屈服强度与焊缝系数之乘积。

SY/T 6151：σs+69.5

SY/T 6477：无流变应力项。

其中，σs表示管道材料的屈服强度，σf表示流变应力，σb表示抗拉强度。

2.5基于公开试验数据的评价结果对比

文献[12]采用63组试验数据，分析了传统B31G(AMSE B31G-2012 第1级评价中的方法a)、修正B31G (AMSE B31G-2012 第1级评价中的方法b)、API 579、BS7910和PCORRC方法的准确性，认为针对低钢级钢管的失效压力预测，API 579-1的计算方法更加准确、安全，更适用于工程。修正B31G计算方法的准确性仅次于API 579-1，但计算结果较API 579-1偏于危险。其余3种计算方法也都偏于危险，计算结果不如API 579-1和B31G准确。针对高钢级钢管，B31G的两种计算方法均较为准确、安全可靠，而API 579-1略偏于保守。BS7910和PCORRC则显得计算结果分散性较大，不如前三种方法准确。

3　对比分析

从适用性看，6个标准均可用于钢管及焊缝体积型缺陷的评价，其中AMSE B31G-2012明确说明可用于弯头、弯管缺陷的评价。6个标准的通用限制条件为：要求管道材料是韧性的；不存在疲劳环境；服役温度满足设计要求；不能用于应力集中区(如角焊缝、机械连接处)缺陷的评价；要求缺陷不是尖锐缺陷。除GBT19624-2004外，其余标准要求不存在较大附加载荷。当体积型缺陷与凹陷复合时，AMSE B31G-2012和SY/T 6477-2014明确要求凹陷不得超过6%管径。

部分标准存在特殊的限制要求，如BS7910-2013要求焊缝不得低匹配，屈强比不得高于0.93,焊接缺陷不能评价。SY/T 6151-2009不能用于安装之前或安装过程中钢管的腐蚀评价。GB/T 19624-2004要求管道的壁厚半径比小于0.18，由此不能用于小口径厚壁管的评价；缺陷深度不得大于0.6 t(直管段为0.7 t)，而其余标准的限制条件为0.8 t；对缺陷长度和宽度也有明确要求，不能用于长缺陷或者窄缺陷的评价。

对于3个国外标准，在原理上，ASME B31G-2012和API 579-1-2007相同，均以NG- 18公式为基础，而BS7910-2013则采用了裂纹型缺陷失效评估图的思想，以失效评估图的横坐标载荷比来衡量缺陷是否安全。虽然该方法本质上仍是以应力是否达到临界值作为判据，但在载荷比计算时与前两者完全不同。其重要突破在于体积型缺陷和裂纹型缺陷均可用失效评估图评价，使得两类典型缺陷的剩余强度评价有统一的可能。需要注意的是，文献[12]认为BS7910准确性不如API579-1和ASME B 31G，但该文献使用的是BS7910-2005版，其体积型缺陷评价方法附录M与2013版完全不同，2005版评价方法基于NG-18公式，更接近于ASME B31G-2012的评价方法。因此，不能说明2013版BS7910准确性低于前两个标准。

对于3个国内标准，分析其评价公式可知，SY/T 6151-2009采用了ASME B31G-2012的评估公式，但多了一种直接根据缺陷尺寸(包括深度、轴向长度、环向长度)的分级方法，该方法可简单有效地给出缺陷的危害程度。SY/T 6477-2014采用了 API 579-1-2007的评估公式。GB/T 19624-2004采用了“八五”重点科技攻关项目研究成果，认为体积型缺陷对承载能力的减弱主要受无因次深度d/t和无因次长度L/(Rt)0.5影响(其中d表示缺陷深度，L表示缺陷轴向半长度)，由此拟合了基于极限承载能力的缺陷评价公式，并没有采用鼓胀因子。该标准对于存在较大拉、弯等附加载荷情况时，也可使用，而其余标准则主要考虑内压因素，要求不能有较大附加载荷。

综上适用范围、限制条件以及试验对比数据，对于典型体积型缺陷的评价，本文认为3个国外标准优选的次序为：ASME B31G-2012、API579-1-2007、BS7910-2013。3个国内标准的优选次序为SY/T 6151-2009、SY/T 6477-2014、GB/T 19624-2004。

对于焊接气孔、夹渣缺陷，GBT19624-2004和BS7910-2013可进行基于缺陷尺寸的直接评价方法，而其他标准没有。因此遇到此类缺陷，可首先根据缺陷尺寸依据GBT19624-2004或BS7910-2013直接评价，在评价通不过的情况下，将缺陷视为体积型或裂纹型缺陷，选择相应标准进行评价。

对于咬边缺陷，只有BS7910-2013能进行基于尺寸的评价，在评价不能通过情况下，可按裂纹型缺陷选择相应标准进行评价。

4　结　论

1)6个标准均可对钢管、焊缝体积型缺陷进行剩余强度评价。

2)标准通用的限制条件为：要求管道材料是韧性的，不存在疲劳环境，服役温度满足设计要求，不能用于应力集中区(如角焊缝、机械连接处)缺陷的评价，缺陷不是尖锐缺陷。

3)BS7910-2013以失效评估图横坐标是否达到临界值作为评判准则，使得裂纹型缺陷和体积型缺陷评价有了统一的可能。该标准明确规定评价时钢级不得超过X80，屈强比不大于0.93。

4)典型体积型缺陷的评价，本文认为3个国外标准优选的次序为：ASME B31G-2012、API 579-1-2007、BS7910-2013。3个国内标准的优选次序为SY/T 6151-2009、SY/T 6477-2014、GB/T 19624-2004。当存在较大的拉、弯等附加载荷时，可使用GB/T 19624-2004进行评价。

5)对于焊缝气孔、夹渣、咬边缺陷基于尺寸的直接评价方法，可使用BS 7910-2013或GB/T 19624-2004。尺寸直接评价通不过情况下，可按裂纹型缺陷选择相应标准进行评价。

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Comparative Study on Standards of Volume Flaw Remaining Strength Assessment for Oil & Gas Transmission Pipeline

ZHANG Yi1, GAO Fuchao2, YANG Fengping1,3, WANG Qin2, ZHANG Liang1,3,WANG Ke1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China;2.PetroChinaWestPipelineCompany,Urumqi,Xinjiang830012,China;3.Xi′anTri-circleTechnologyDevelopmentCorporation,Xi′an,Shaanxi710077,China)

Six remaining strength assessment standards for volume flaw were compared in aspects of application range, limit condition, basic evaluation criteria, key parameters selection and public test data. It is found that failure stress assessment method is adopted by ASME B31G-2012、API 579-1-2007、SY/T 6477-2014 and SY/T 6151-2009, GB/T 19624-2004 is based on limit load, but no Fourier factor, and horizontal axis of FAD is used as assessment criterion by BS 7910-2013. In application scope, all the six standards can be used in pipe and weld. The general limitations of these standards are: ductile material of pipe, absence of fatigue, temperature in design scope, no stress concentration and not sharp flaw. For pore, slag inclusion or undercut assessment based on their size, BS 7910-2013 or GB/T 19624-2004 can be used. For typical volume flaw assessment, the recommended standards choosed sequence is: for the foreign standards ASME B31G -2012、API 579-1-2007、BS7910-2013, for the domestic standards SY/T 6151-2009、SY/T 6477-2014、GB/T 19624-2004.

oil &gas transmission pipeline； volume flaw；remaining strength assessment；standard

张奕，女，1983年生，工程师，2012年毕业于西安石油大学材料工程专业，工程硕士，主要从事实验室、检验机构认可体系管理及石油管道安全风险控制。E-mail：zhangyi008@cnpc.com.cn

TE832

A

2096-0077(2016)04-0030-05

2016-04-14编辑：葛明君)