优化长输油气管道的评价技术

利用管道漏磁内检测技术虽能有效地检测出管壁上存在的各种缺陷，并给出相应尺寸，但是不能对管道的剩余强度给出确切的评价。一般情况下，检测出管壁上的缺陷短期内并不会造成管道穿孔、泄漏等情况，如果盲目地进行开挖、修理和维护将造成经济浪费。并且随着在役长输油气管道的使用年限增加，管道腐蚀现象越来越严重，管壁日益减薄，造成管道的承压能力下降，穿孔、泄漏、破裂等事故也会相继产生。预测管道的腐蚀状况，评价管道的剩余强度，能够保证在役管道运行的安全性。采用漏磁内检测技术对管道进行检测时发现管道管壁存在腐蚀，就要对受腐蚀的管道进行剩余强度评价。剩余强度评价是管道安全性、适用性评估的重要组成部分；研究在某种特定压力下腐蚀管道是否可以安全运行，并评估出在此运行压力下允许管道存在的缺陷最大尺寸；通过以上评价结果，可以制订出一系列的管道维修计划及安全管理方法。

从1960年开始，一些西方国家就已经着手对含有缺陷的长输油气管道评价问题进行探讨，以美国、英国及加拿大为首，到目前为止共出台和发布了ASME B31G标准、RSTRENG标准、DNV RP-F101标准、API 579标准、弹性极限准则、塑性失效准则、有限元方法、AGA NG-18方法、PRORRC方法、极限荷载解析法、可靠性理论等管道完整性评价标准和方法，这些方法有各自的适用范围和保守性。

对于ASME B31G标准而言，到目前为止共颁布了3个版本，分别为ASME B31G—1984标准、ASME B31G—1991标准、ASME B31G—2009标准和ASME B31G—2012标准。其中ASME B31G—1984标准又名腐蚀管道剩余强度的简明评价方法，是目前为止在欧美国家应用最为广泛的标准之一，ASME B31G—1991标准中对ASME B31G—1984标准进行了部分修正和完善，而ASME B31G—2009标准中则在大量实验数据的基础上对ASME B31G—1991标准进行了较大的改动，ASME B31G—2012标准在ASME B31G—2001的基础上又更进一步完善。希望能够通过此次修正，克服ASME B31G—1991标准的保守性。但是，加拿大阿尔伯塔的诺瓦公司和英国管道公司随后通过爆破实验等研究方法，先后证明了ASME B31G标准对于腐蚀缺陷管道的评价仍然具有保守性，并提出ASME B31G标准具有保守性的原因之一是对单个腐蚀缺陷、双腐蚀缺陷及相互作用的腐蚀缺陷和具有螺旋角的腐蚀缺陷均按照同一种评价方法进行评价。针对这一问题，ARCO阿拉斯加公司根据以往经验和对腐蚀缺陷的试评价结果，提出了将不连续的多个腐蚀缺陷看作一个腐蚀缺陷的极近似的条件。

RSTRENG标准分为RSTRENG0.85dL标准和RSTRENG有效面积法。该标准的理论依据与ASME B31G标准相同，只是对材料流变应力的定义和腐蚀缺陷的剖面面积做了部分修正，在一定程度上克服了ASMEB31G标准的保守性。但采用RSTRENG有效面积法在对腐蚀缺陷管道进行评价时，需要对腐蚀缺陷尺寸进行多次测量，评价过程较为烦琐，不适用于大范围评价。RSTRENG有效面积法的评价结果比RSTRENG0.85dL标准的评价结果更加精确。

DNV RP-F101标准主要包括分项安全系数法和许用应力法，对于不同类型的腐蚀缺陷有相对应的评价方法，能够评价独立的腐蚀、相互影响的腐蚀以及形状复杂的腐蚀缺陷，能够评价只有内压载荷作用的纵向腐蚀缺陷管道、内压与纵向压应力叠加作用的纵向腐蚀缺陷以及内压与纵向压应力叠加作用的环向腐蚀缺陷，适用范围比较广泛。但是采用分项安全系数法对腐蚀缺陷管道进行评价时，需要更为详细的管道和腐蚀缺陷参数，对于管道信息缺失的部分老管道的评价具有局限性。

API 579标准由美国石油协会制定并颁布，中文名称为《服役适用性评价推荐做法》，该标准在1997年首次颁布，于2007年进行了修正，并颁布了修正后的版本。API 579标准与ASME B31G标准的主要区别在于它在ASME B31G标准的基础上，兼顾了腐蚀缺陷形状、腐蚀的相互作用和附加载荷对管道安全运行压力的影响。对于腐蚀缺陷形状的区分，API579标准认为腐蚀共分为三类，对于每一种腐蚀缺陷形状，API 579标准共提供三级评价方法，随着评价级别的增高，评价结果的准确性逐渐提高，但是在评价时需要提供的腐蚀缺陷参数及管道参数更多，而在有些情况下，这些数据不能被准确提供，所以对于三级评价，应用范围不是很广泛。总体来讲，API 579标准比ASME B31G标准考虑的腐蚀缺陷参数及管道参数更加全面，但评价结果并不能在全部区间克服ASME B31G标准的保守性。在应用范围上，API 579标准的一级和二级评价比ASME B31G标准的应用范围更加广泛，在不能使用ASME B31G标准进行评价的情况时，可以考虑采用API 579标准进行评价。

弹性极限准则由Wang于1991年提出，是一种以材料的弹性极限作为判定标准的分析方法。该准则认为，当管道的等效应力不大于管道的屈服强度时，管道处于安全运行状态；反之，管道失效。管道失效时的运行压力称为失效运行压力。该准则将等效应力限制在管道材质的弹性范围内，判定结果与实验结果相比较为保守，但比ASME B31G标准更加准确。(www.xing528.com)

塑性失效准则由BinFu和M.G.Kirkwood提出，是一种以材料的抗拉强度作为判定标准的分析方法。当管道的等效应力不大于管道的抗拉强度时，管道处于安全运行状态；反之，管道失效。管道材质为铁磁性材料，具有较好的韧性，抗拉强度较大。该准则能够克服弹性极限准则的保守性，但当等效应力达到材料的屈服极限时，管道易发生泄漏等事故，判定结果与实验结果相比较为冒险。

有限元仿真方法主要分为线性有限元分析和非线性有限元分析两种，可用于分析单个腐蚀缺陷和相互影响的腐蚀缺陷等多种情况。该方法主要以弹性极限准则和塑性失效准则为理论依据，采用ANSYS、COMSOL等有限元仿真软件，建立腐蚀缺陷管道实体模型，对模型进行网格划分、加载和求解，通过通用后处理功能查看管道等效应力云图，得出腐蚀缺陷管道等效应力的大小，与弹性极限准则和塑性失效准则中的相应参数相比较，评价腐蚀缺陷管道。相比较而言，有限元仿真方法能够准确描述长输油气管道以及腐蚀缺陷的实际运行状况，评价结果相对比较准确。但是用有限元方法进行管道评价时，过程比较烦琐，计算量较大，故该方法不适用于大范围评价。

可靠性评价的主要理论依据为可靠性理论，它是通过建立与管道实际情况相符的可靠性模型，将腐蚀缺陷的尺寸和管道载荷等变量作为随机变量加入到模型之中，从而实现对管道的可靠性分析。这种方法主要由英国的D.G.Dawson和S.J.Dawson等提出，相对于其他评价方法，可靠性理论能够计算出腐蚀缺陷管道的失效压力和失效时间。

我国对于管道腐蚀缺陷的研究起源于20世纪80年代。自从中国腐蚀与防护学会组会以来，我国对管道腐蚀缺陷的研究开始了新的发展阶段，到目前为止出台了很多适用于国内长输油气管道的国家标准和行业标准，如：SY 6186—2007《石油天然气管道安全规程》、SY/T 6151—2009《钢质管道管体腐蚀损伤评价方法》、SY/T 10048—2003《腐蚀管道评估的推荐作法》、SY/T 0087—2006《钢质管道及储罐腐蚀评价标准埋地钢质管道外腐蚀直接评价》、SY/T 0087.2—2012《钢质管道及储罐腐蚀评价标准埋地钢质管道内腐蚀直接评价》、Q/GDS J 0023—1990《管道干线腐蚀调查技术规范》、SY/T 6477—2014《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》、1989年的Q/GDS J 0003—1989《管道防腐层大修技术规定》、CV-DA—1984《压力容器评定缺陷规范》、SAPV—1995《压力容器安全评定》、SY/T 0087.3—2010《钢制管道及储罐腐蚀评价标准钢质储罐直接评价》等。国内学者对ASME B31G标准的部分参数进行修正，得出更加接近爆破压力的修正方法。其中，SY/T 6151—2009《钢质管道体腐蚀损伤评价方法》主要是参照ASME B31G标准修订，SY/T 6477—2014《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》主要是参照API 579标准修订，2003年出版的SY/T 10048—2003《腐蚀管道评估的推荐作法》主要是参照DNVRF-101标准修订。目前我国自主研发和出台的标准还比较少，主要是参照国外的标准。

长输油气管道是网络式的运输工具，部分管道发生腐蚀、泄漏、爆炸事故会对全部管线的安全造成威胁，导致管道网络全线停输，对人民的生命财产安全和社会经济的发展造成巨大影响，对事故现场周围的环境造成严重破坏，导致事故管道的维修和事故善后工作投入巨大的资金。所以，能够准确地检测长输油气管道当前的腐蚀情况，预测腐蚀缺陷未来的发展趋势和速度，计算出在目前的腐蚀状况下可以输送的最大安全运行压力，预测出管道可以安全运行的使用年限，针对目前管道的腐蚀情况，确定不同管段的维修先后顺序，采用合适的维修方法，合理地制定长输油气管道的维修和维护计划，是保证管道按照预定要求运行，减少长输油气管道发生破裂等问题发生的首要任务。