外腐蚀损伤模式下的埋地钢质燃气管道剩余强度评价与剩余寿命预测

余雨虹，文鹏

（1.内江市检验检测中心，四川 内江 641100；2.杭州鼎势智能科技有限公司，浙江 杭州 310000）

埋地钢质管道的外损伤主要有外腐蚀、凹陷、划伤以及不良地质条件造成的管道轴向应力过大等。燃气管道敷设形式主要为埋地敷设，隐蔽工程下的轴向应力较难发现，在地质条件状况相对稳定，敷设环境变化不大的情况下，外腐蚀造成的损伤占主要。在城镇燃气管道的失效统计数据中，腐蚀造成的失效占失效总因素的68%。因此，开展埋地钢质燃气管道外防腐层检测，发现外腐蚀损伤，进而开展剩余强度评价和剩余寿命预测工作，对管道安全运营具有重要意义。

1 外腐蚀损伤检测

外防腐层损伤检测方法主要有交流电流衰减法（又称PCM 法、多频管中电流法）、交流电位梯度法ACVG、直流电流衰减法、直流电位梯度法DCVG、变频-选频法、密间隔电位测量法CIPS 等。各种方法适用条件不同，在不同环境情况下，各有优越性。多种方法相互结合、相互补充，可实现一定条件下的埋地钢质燃气管道外损伤的检测及评价工作。本文重点介绍交流电流衰减法和交流电位梯度法结合的外腐蚀检测技术。

交流电流衰减法（PCM 法）测试原理是：仪器的发射机给管线施加一定频率的电流，利用接收机沿管道上方接收管道中的电流信号，获取电流值。通过电流的衰减可计算该段管道的外防腐层绝缘电阻值和管道电流衰减率，判断防腐层整体状况。检测示意图见图1。

图1 交流电流衰减法检测示意图

交流电位梯度法测试原理是：当防腐层破损时，管道中电流会从防腐层破损处流出或流入大地，在土壤中形成电位梯度，通过测量电位梯度，可对防腐层的破损点进行定位测量。当土壤电阻率一定时，该方法获取的漏损点强度（DB 值）大小可一定程度的反映防腐层外损伤情况的严重性。防腐层外损伤漏损点检测示意图见图2。

图2 交流电位梯度法检测示意图

综合以上两种方法通过防腐层绝缘电阻值和防腐层破损点密度可定性判断外防腐层状况。针对防腐层绝缘性能较差、破损点密度较高的管段，选取外损伤严重的管道进行开挖工作，采集外腐蚀损伤数据。

2 外腐蚀损伤形态

外防腐层失效后，埋地钢质燃气管道在腐蚀活性区根据防腐层失效面积不同，腐蚀成因不同可形成不同的腐蚀形态。

杂散电流引起的腐蚀主要为点蚀，腐蚀方向沿管道环向延伸，腐蚀坑边缘清晰圆滑。腐蚀速率较快，可直接造成管道穿孔泄漏，对管道危害较大。

土壤腐蚀引起的腐蚀主要为点状、面状腐蚀，腐蚀面形成不同深度的腐蚀坑。腐蚀速率随土壤腐蚀性不同而不同，一般腐蚀速率相对较慢，危害性相对较小。

以上两种腐蚀形态都有金属的蚀失，使管道造成体积型缺陷，影响管道的剩余强度，从而影响管道寿命。

3 剩余强度评价及剩余寿命预测

管道剩余强度评价又称适用性评价或合于使用评价。剩余强度评价是在缺陷定量检测的基础上，通过严格的力学分析和计算，给出管道的最大允许工作压力（简称MAOP），为管道升、降压及管道维修提供决策的依据。国内外对管道的剩余强度评价研究十分重视，基础理论建立较早，形成了一系列的标准和规范，例如，API 579《服役适用性评价推荐做法》、BS 7910《金属结构中缺陷验收评定方法导则》《GB/T 30582-2014 基于风险的埋地钢质管道外损伤检验与评价》等。

外腐蚀损伤通常为防腐层受到外部机械损伤后造成破损，破损处管道受到腐蚀，腐蚀造成的缺陷一般为单一体积型缺陷。

含单一体积型缺陷的失效压力计算公式为：

式中，FP为含缺陷管道的失效压力，Mpa；D为管道直径，mm；t为管道壁厚，mm；d为腐蚀缺陷深度，mm；σflow为流变应力，Mpa；M为Folias 膨胀系数；为材料最小屈服强度，Mpa；L为缺陷长度，mm。

剩余寿命预测主要包括腐蚀寿命预测、裂纹扩展寿命预测、损伤寿命预测等，本文主要针对管道腐蚀寿命展开预测。

外腐蚀造成管体壁厚减薄，管道剩余强度减弱，准确获取的管道腐蚀速率是开展腐蚀寿命预测的关键点。准确的腐蚀速率预测一般是沿管道悬挂腐蚀刮片，通过腐蚀刮片的失重情况计算腐蚀速率。通过腐蚀寿命预测公式计算管道的剩余寿命。

腐蚀寿命预测公式为：

式中，RL 为腐蚀寿命，年；C 为校正系数，取0.85；SM 为安全裕量，无量纲；MAOP 为管段许用应力，MPa；GR 为腐蚀速率，mm/年；t 为名义壁厚，mm。

4 案例分析

某条埋地钢质次高压B 级燃气管道，设计压力为1.0MPa，使用压力为0.8MPa，管道规格为D108×6，总长度为8.820km，防腐层类型为石油沥青防腐层，未施加阴极保护，材质为20#钢，输送介质为二类天然气，敷设环境为郊区土壤介质，管道参照地区等级为三级地区，投用日期为1985 年。

该管道管道经外防腐层损伤检测后，发现30DB 以上防腐层破损点共计72 处，防腐层破损点较多，70DB以上破损点数量高达24 处，随机开挖抽查70DB 以上防腐层破损点12 处，并对管体缺陷及腐蚀状况进行了检测，12 处开挖点的管道均漏铁锈蚀，且都处于直管段上，发现缺陷类型均为腐蚀造成的体积型损伤，缺陷轴向长度均大于环向长度，并对缺陷进行了记录，记录数据见表1。

表1 开挖测量数据

按照以上公式对12 处外腐蚀损伤缺陷进行剩余强度计算，评估结果见表2。

表2 剩余强度计算结果

由于该管道无腐蚀刮片、缺乏准确的年腐蚀速率，在未知腐蚀速率情况下，腐蚀速率保守取值为0.4mm/a。管道腐蚀寿命预测计算结果见表3。

表3 剩余寿命预测计算结果

管道剩余强度值最低处是开挖点10 处，其剩余强度值即失效压力为17.05MPa，带入三级地区强度设计系数0.4，管道的MAOP 为6.82MPa，其值远大于管道的使用压力0.8MPa，该管道的剩余强度满足要求。

经剩余寿命预测计算，管道剩余寿命为7.61 年。

5 结语

本文从埋地钢质城镇燃气管道的外腐蚀损伤入手，讲述了埋地钢质燃气管道外腐蚀损伤基础数据获取的方法及技术及其主要损伤形态，引用剩余强度评价及剩余寿命预测基础理论公式，通过案例计算，得到剩余强度值及腐蚀剩余寿命。

针对整条管线，剩余强度值的准确性及剩余寿命的严谨性，取决于防腐层破损点为腐蚀活性点，获取的数据是管道正在进行腐蚀的数据。

埋地管道受杂散电流干扰、土壤腐蚀性差异、地磁干扰因素导致管道内部自身存在电动势，管地电位存在差异性。当开挖点不具随机性和开挖点数不符合统计学原理时，获取的数据就不具准确性，即开挖点在管道自身的阴极端，评价结果就不足以覆盖整条管线的剩余强度值，剩余寿命预测也就缺乏准确性和真实性。