点蚀管道剩余强度评价的协同评估综合影响因子

HOANGVanThanh2田大庆

(1. 四川大学 机械工程学院,成都 610065; 2. 越南海事大学,海防 180000)

金属油气管道被称作“国家重要生命线”，在国民经济战略地位中占位极重[1]。随着管道服役时间的延长，在附加载荷与腐蚀性介质的复合作用下，管道的内外壁均有发生腐蚀失效的可能[2]。在各种腐蚀缺陷中影响最大的是点状腐蚀缺陷，它是多种腐蚀缺陷发展的最原始形态。为保障油气能源的安全输送，有必要对含有点蚀缺陷的油气输送管道进行安全评价。

基于“剩余强度评价”的相关准则是目前最具实际效应和工程实用价值的管道安全评估方法，其中最具参考性的是美国颁布的API 579-1/ASME-FFS-1-2007评价准则和ASME B31G系列评价准则，其次是1999年由英国燃气公司和挪威船级社联合颁布的DNV-RP-F101评价准则[3]。由于这些评价准则的适用性区分不大，在应用对象上具有重叠性，即针对一种工程设备或部件同一点蚀缺陷现场，允许采用不同评价准则进行评价，并得出保守性的结论。且由于在评价过程中缺乏明确的取舍依据，工程人员在实际操作中往往结合其他非技术性因素凭主观经验确定评价结果。本工作针对三种评价准则中鼓胀因子与流变应力对剩余强度评价的影响，分析三种准则保守性的大小，提出一个基于管道实际工况的协同评估综合影响因子，为管道安全评估提供可靠的数据支持，对评估人员选择正确的评估方法提供辅助。

1 影响剩余强度评价的参数

分析发现，无论是ASME B31G-1991及其后期改进的ASME B31G-2009评价准则(即Rstreng评价方法)，还是由英国燃气公司和挪威船级社共同颁布的DNV-RP-F101评价准则，这几种评价准则中用于剩余强度计算的基础公式都如式(1)和式(2)所示，即美国煤气协会(AGA)于20世纪70年代针对含有体积型腐蚀缺陷管道剩余强度评估提出的基于断裂力学的NG-18评价准则表面缺陷公式[4]。这些评价准则只是在流变应力，Folias鼓胀系数和腐蚀投影面积上进行了改进[5]。

(1)

(2)

式中：SF为失效应力，MPa；Sflow为流变应力，是和材料最小屈服强度有关的特性，MPa；A为缺陷投影面积，mm2；A0为缺陷的管道壁面积，mm2；t为公称壁厚，mm；D为管道外径，mm；M为Folias鼓胀系数；L为腐蚀缺陷长度。

ASME B31G-1991(ASME B31G-2009)和DNV-RP-F101中，评价准则的影响参数如表1所示。此外，API 579-1/ASME-FFS-1-2007与ASME B31G系列评价准则为同一评价体系，其评价准则的影响参数也列于表1中。表中，d为最大腐蚀缺陷深度,σSMYS为外界条件下规定的最小屈服强度，σSMYS为外界条件下规定的极限拉伸强度。

1.1 流变应力

材料受单向应力作用过程中，由于存在加工硬化，材料的塑性流变应力随形变量增大相应增大，在形变过程中某一时刻塑性流变所需的应力就是流变应力[6]。

表1 不同评价准则中影响参数的计算公式Tab. 1 Formula of affecting parameters in different evaluation criteria

根据美国石油协会发布的API-5L管线钢相关标准可以查询到不同牌号管线钢的屈服强度与极限抗拉强度，将这些参数分别带入三种评价准则可计算出对应的流变应力，将这些管线钢的流变应力与屈服强度作图，如图1所示。

图1 不同评价准则计算的流变应力对比Fig. 1 Comparison of flow stress calculated by different evaluation criteria

由图1可以看出，对于上述管线钢，利用ASME B31G-1991评价准则计算的流变应力最小，利用DNV-RP-F101评价准则计算的流变应力最大，并且随着管线钢钢级的提升(钢级越高，管线钢的屈服强度越高)，用三种评价准则计算的流变应力的差距逐渐减小。结果表明，在管线钢钢级较低即屈服强度较低时，流变应力对点蚀缺陷剩余强度评价影响较大；在管线钢钢级较高即屈服强度较高时，流变应力对点蚀剩余强度评价影响较小。

1.2 鼓胀系数

表2 不同评价准则中各当量长度对应的鼓胀系数Tab. 2 Expansion coefficient versus equivalent length in different evaluation criteria

由表2可以得出，根据API 579-1/ASME-FFS-1-2007评价准则与ASME B31G-1991评价准则计算的鼓胀系数最大，且其值几乎重合，根据ASME B31G-2009评价准则计算的鼓胀系数次之，而根据DNV-RP-F101评价准则计算的鼓胀系数最小。另外，随着当量长度的增大，各评价准则计算的鼓胀系数的差距也在增大。由此可见：当量长度较小时，即缺陷表现为短缺陷时，鼓胀系数对点蚀剩余强度评价的影响不大；当量长度较大时，即缺陷表现为长缺陷时，鼓胀系数对点蚀剩余强度评价的影响增大。

由于点蚀缺陷多表现为短缺陷，鼓胀系数对其影响不大，但从流变应力对剩余强度评价影响的角度考虑，认为：ASME B31G系列评价准则最为保守，DNV-RP-F101评价准则最为冒险，API 579-1/ASME-FFS-1-2007评价准则介于两者之间。

2 协同评估综合影响因子

由上文的研究分析可以看出，三种评价准则在评价方式、适用范围及保守性上都有所区别。在适用范围上，ASME B31G系列评价准则不适用于高强度等级钢与大口径钢，也无法评估在含有附加载荷或轴向应力下的点蚀缺陷管道剩余强度；DNV-RP-F101评价准则不适用于缺陷深度大于管道壁厚85%的缺陷和钢级超过 X80的管道。在保守性上，ASME B31G系列评价准则最高，API 579-1/ASME-FFS-1-2007评价准则次之，DNV-RP-F101评价准则最低。同时，对三种评价准则进行选取时，由于技术指标重叠性和区分度低，对于很大一部分缺陷，无法给出合理依据来确定选取哪一种评价准则作为管道剩余强度评价的方法。

基于以上问题，在实际环境中选取点蚀管道剩余强度评价准则时，往往难以用一个指标来判断，而需要用多个目标来进行比较判断。解决这类问题可使用多目标规划方法。多目标规划是数学规划的一个分支，研究多个目标函数在给定区域上的最优化。这是一种定性与定量相结合的多目标决策与分析方法，对于目标结构复杂且缺乏必要的数据的情况最为实用。点蚀管道所处环境可以抽象为一个多目标规划模型，针对该种模型选取线性加权和法进行分析较为合理。按照各目标对评估影响的重要性赋予相应的权系数，然后对其线性组合进行寻优求解，其基本模型为：

(3)

(4)

式中：Wi为第i个因素的权重；Wij为第i个因素中第j个因子的权重；Pij为第i个因素中第j个因子的标准化值；K为综合指数。

以对管道的重要性作为考虑依据，基于三种评价准则各自保守性的不同，协调影响管道评估结论的多种因素，提出一个协同评估综合影响因子K。K值越大，对管道评估重要性越高，则应选择保守性相对较高的评价准则；反之，K值越小，对管道评估影响的重要性越低，则应选择保守性相对较低的评价准则，以求生产效益的最大化。

根据管道在实际工况中会遇到的影响因素，将协同评估影响因子细分为生产流程重要系数K1、介质危险系数K2、经济效益系数K3和设备维护系数K4。生产流程重要系数K1表示管道在生产流程中所处的是关键位置或是辅助位置；介质危险系数K2表示管道运输介质为易燃易爆介质、强腐蚀性介质、高温介质或是一般介质；经济效益系数K3表示设备成本造价高昂或者设备成本造价低廉；设备维护系数K4表现设备维护检修困难或是简单。根据工程实践经验，对每一个影响因素进行权重赋值，最后将四种影响系数求和得到协同评估影响因子K，表示该管道重要性，对评价准则的选择提供参考。协同评估综合影响因子权重如图2所示，括号内为该因素权重赋值。

图2 协同评估综合影响因子权重图Fig. 2 Weight map of synthetical impact factors for synergy assessing

规定当0≤K<0.5时，选用保守性较低的DNV-RP-F101评价准则；当0.5≤K<0.8时，选用保守性适中的API 579-1/ASME-FFS-1-2007评价准则；当0.8≤K<1时，选用保守性较高的ASME B31G系列评价准则。以一段无附加载荷的X60管线钢为例进行计算，该X60管线钢位于石化加氢装置辅助位置，易发生氢腐蚀爆炸，成本低廉,但维护检修较为困难，查取各影响因子权重，按式(5)计算得协同评估综合影响因子K为0.65。由于0.5≤K<0.8，所以选用保守性适中的API 579-1/ASME-FFS-1-2007评价准则进行评价。

K=K1+K2+K3+K4=0.3×0.3+

0.4×1+0.2×0.3+0.1×1

(5)

3 结论

(1) 通过研究流变应力和鼓胀系数参数对点蚀管道剩余强度评价影响，比较了API 579-1/ASME-FFS-1-2007、ASME B31G系列以及DNV-RP-F101评价准则的保守性。ASME B31G系列评价准则保守性最高，DNV-RP-F101评价准则保守性最低，API-579评价准则保守性介于两者之间。

(2) 当在技术指标上无法合理选取评价准则进行评估时，建立多目标规划模型，利用线性加权和法提出一个协同评估综合影响因子K以表示管道评估多种因素的重要性影响。该因子由生产流程重要系数、介质危险系数、经济效益系数及设备维护系数组成，对各影响因素进行权重赋值以表示管道在实际工况中的重要性，基于评价准则保守性对评价人员选取具体评估准则提出参考。