在役油气管道腐蚀剩余寿命预测方法

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在役油气管道腐蚀剩余寿命预测方法T e R mann i rd c o t o fC ro e ieie i e vc h e i igLf P e it n Meh d o ord d P p l n S rie e i nB s d o l bl y T e r a e n Rei it n oy a i中国石油天然气集团公司石油管材研究所赵新伟罗盒恒韩晓毅路民旭李鹤林Tippr a rsn danwm to fh m in i rd tno∞m dpp ebsdO t h ae hs e t e e do te e a igl ei i f e j幽 ae i h s p ee h r n f ep co ler lbly t∞ w .口血 meh divle s bi igrep b bl yds iuinmo eso v 'be d a/t I l I to n ov set lhn t r a it itb t a s i o i r o d l f mi l a s—c r￣o or n o vlct,c r so eoi y or in o s e cicl ors nf w s e i, ria roi l i .T e, afn o fh alr rb bly0 l - z t c o a z hn u￣ l o tefi ep oa it r ei a u i r a

bi t rc ieo ooe i lecudb 8l ycl li .Uiz gtsr 'o,w jyw l t h s v et fcr ddp ei ol egje b a u tn tin h n f e ee i m r p n rd c ao li i u t e d e riet m in leo t r ddp en船 l g船 te cet l 0日丑tOt gtea m ddt m h r a igi h c r e i l e o e n ee n f f eoo pi n h cpa e bbi ra erl— a b y r i

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.T en w m to a en】I f pe it igl e【 o h e eh d h sb e

关键词：管道腐蚀

失效概率可靠度

剩余寿命

检测周期

在役油气管道适用性评价是当前国际上管道工程研究的热点领域，它包括管道剩余强度评价和剩余寿命预测两个方面。剩余强度评价是在缺陷检测基础上经过力学分析和计算，对管道承载能力作出 科学评价；剩余寿命预测是在研究缺陷动力学长大规律基础上预测管道剩余服役寿命，为制定管道检测周期提供科学依据。与管道剩余强度评价相比， 管道剩余寿命预测难度较大。从目前研究状况来

点在于实际管道所处腐蚀环境复杂，变动因素较多，腐蚀的动力学规律难以准确获得。目前研究管材腐蚀动力学规律主要有两种方法，一是采用实验室加速试验方法，二是采用现场挂片试验方法。但上述两种方法都有其局限性，前者得到的腐蚀动力学规律和现场情况难以很好对应，直接应用试验结果往往导致过份保守的预测结果，经济性较差；后者虽然和实际情况对应性较好，但试验周期较长。

看，除了疲劳寿命预测研究得相对成熟外，其余象本文在充分利用管道腐蚀检测数据基础上，基于可腐蚀剩余寿命、应力腐蚀开裂寿命都尚在探索和发靠性理论，提出了一种新的管道腐蚀寿命预测方展之中。在目前已颁布的适用性评价标准中，对于法。 1预测方法

管道腐蚀寿命预测，有的标准如 A M 3G l S E B 1 _、 J C G 62 P 43 J E BR[和 D69[根本投有提到，有的标准 3如 A I 7[只给出了粗略的指导性作法，但实际 P 94 5 J

管道发生腐蚀失效的物理模型是时间下的

应用的可操作性较差。管道腐蚀剩余寿命预测的难

腐蚀深度口 ( )——临界腐蚀深度干涉模型。 T

本文得到中国石油天然气集团公司“ -九五”重大应用基础研究项目赘助。

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第 1卷第 2期 8

压

力

容

器

总第 14 0期

用 y作为 n (、 )一

的干涉随机变量，则有 Y:

n(,称为状态方程。管道在规定时间内、 )

陷的发展，因此，初始腐蚀缺陷长度 s和深度 n o o分别取目前检测到腐蚀缺陷长度和深度的最大值。 ()临界腐蚀深度的计算 3由于腐蚀缺陷长度对管道服役寿命影响较小， 所以可以假设腐蚀缺陷长度不变，

然后计算临界腐蚀深度。

规定条件下能否可靠工作，由下述状态方程描述： Y =口一口( )>,管道处于可靠状态，可 0靠度 (= (> ) ) P Y O Y=一o (<,管道处于腐蚀失效状态， ) 0 失效概率， ( )=P (< ) Y O Y 一口( ):,管道处于可嚣与失效的= r O极限状态，此时的概率 P (= )= Y O 0以上三种状态的概率之和等于 1,由于 P ( y=O=0 ),则有：( ):1一F ( ) () 1

临界腐蚀深度由公式 ( )一 ( )计算获 3 7得：一 _

L

:0 9.

() 3

1赢 (一一 1Mt (+ . )= 1 O柏。:

() 4 () 5

建立 o ( )和 n的概率分布模型，计算获得 ( )和， ( )随时问变化曲线如图 1所示， 给出管道可接受失效概率，或且标可靠度岛，即 n

1 8 S . 5o 2:

R: t ld:2 c i r— F ￣ n

() 6 () 7、”

可确定管道的腐蚀剩余寿命，B未来管道检测周 期。

式中，为壳体参数；蝇为傅立叶因子； 为最小要求壁厚，n n;冠为剩余厚度比；P为管

道承受的内压，M a P;A为管道外径，玎 I为管|;tⅡ道公称壁厚，,;E为弹性模量，取 21x m . 15 P;为管材屈服强度.M a 0M a P;F为设计系

数，与管线所处地区类别相关，见表 1 o;S为缺陷长度，n]口为腐蚀缺陷临界深度，Ⅱn a m Ⅱ。裹 l瞥道设计系数 F取值T

田 1可靠度函数 R ( )和失效概率函数 F ( r )曲线

11可靠度 R ( . )和失效概率， ( )的计算

()腐蚀速率的概率分布模型的建立 1统计管线历年来的缺陷检测数据和相应的检测时间 .按公式 ( )计算腐蚀逮率，得到一系列 2并

若考虑到材料强度的分散性，临界缺陷尺寸吼应服从某种概率分布，其概率密度函数用 ( )表示。 ()某时刻 r 4下腐蚀缺陷深度的概率分布

的腐蚀速率数据 .对腐蚀速率数据进行统计分析， 建立腐蚀速率的概率分布模型，其概率密度函数用( )表示。=

当已知腐蚀速率的概率密度函数 ( )时， 由于腐蚀速率 V和腐蚀深度 n服从同一种分布，不难得出时问下腐蚀缺陷深度 n:n+v ) r(

0 r的概率密度 (。卵)

q q. f一 f—_

() 2

式中

— .—

()可靠度冠 ( 5 )和失效概率 F ( )的计 r算

商蚀速率，Ⅻna/腐蚀深度，ⅡnⅡ检测时间，年

口——

——

假设腐蚀深度 n和临界腐蚀深度均为连续 r型随机变量，其概率密度函数分别为， n )和口( r(,图 2 ( )是 4口) a r和 n的干涉图，在干涉。

%——管线建造时间 ()初始腐蚀缺陷尺寸 2

管道腐蚀剩余寿命决定于当前最严重的腐蚀缺

区内显然口>,这时管道处于不可靠状态，亦 r称失效，失效概率与干涉区面积大小有关。随时间 5 7

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在役油气管道腐蚀剩余寿命预测方法

VI 0培.N220 o 0 1

7的延长，干涉区面积增大，’失效概率增大，可靠度降低。女

19年对该管线进行了 5 99次腐蚀检测，在管道外壁共发现 3处腐蚀缺陷。下面基于现场腐蚀缺陷 9检测数据预测管道腐蚀剩余寿命。

腐蚀棵度

概率密度

概率肃度

()临界腐蚀深度 n为莲续型随机变量 a

腐蚀速率 c/ l y啪 J

圉 3腐蚀速率分布直方图

()腐蚀速率的统计分析 1( )牺舁腐蚀深度 n为确定值 b

图 2腐蚀深度钾和临界腐蚀深度的干涉图

图3是基于缺陷检测数据，按 11 ( )给 .中 1出的方法，经计算和统计获得的腐蚀速率分布直方图。按正态分布进行拟合，并经 x s检验，证明— 假设成立。 ()初始缺陷尺寸的确定 2为安全起见，初始缺陷尺寸取检测到的最大腐

时问下的失效概率 F (’ 7 )和可靠度 R ( ) T由下述公式计算：

F7=[ a a。 ( ( J J￣￣r 8’ ( () l ) ) ddr l r l

()=f n)五 ) d, ( T U rI ( d o工([ ] 9 )口

蚀缺陷尺寸，a: .m 0 35 m,s= 0rn o 70。 m( )临界缺陷尺寸 3

若不考虑材料强度的分散性，。为确定值

未考虑材料性能的分散性，屈服强度取最小规定值 20 P,按 11 ()中的公式计算临界腐 4M a .节 3蚀深度。

( 2()所示)图 b,时间 7下的失效概率 F ( )和’ T可靠度 R ( )由下述公式计算： rr j

F ( )=IⅡa)a T, T r ( d

()

1 0

()寿命预测结果 4按照前述，可靠性寿命预测方法预测管道的腐

R (’ (rar 7 )=J a)a12目标可靠度和可接受失效概率 .

。此寿命预测结果可以为管道维 (1蚀剩余寿命如表 2 1 )修和制定检测周期提供科学依据。如果管道不维修，对于一类地区的管道检测周期为 21,二、 .年 三类地区管道检测周期为 1 . 7年，四类地区检测周期为 1 .;若要将整条管线检测周期定为 21 4年 . 年，二、三、四类地区的腐蚀管段应进行维修 (如补强处理 )或更换。裹 2瞥道腐蚀剩余寿命预谢结果

管道运行的目标可靠度和可接受失效概率要根据管道所处地区类别和风险等级来确定。对于处在类地区的管道，对应低风险情况，可接受失效概一

率取 l,目标可靠度岛取 09;对于处在旷 . 9二类和三类地区的管道，对应中等风险， 取 l一，R取 099对于处在四类地区的管道，对 0 0 .; 9

应高风险，

取 l。,岛取 0999 0。 . 9。 9

风等 低险中险高险险级风 I风 l风地区类剐一类地区 I二、三类地09 . 921 . l 17 . I

四类地区14

2应用实例

目标可靠度剩余寿命 ( 年)

l 099 l 099 . . 9 9 99

某天然气输送管线于 18 96年建成投产，管线全长 1 k,管道选用￣ 7 m双面埋弧螺旋 0 i 4n 37x m 7焊管，管道材料为 S 4B b 1。管道目前运行压力为 i 0 8 P,计划提升输送压力到 15 P。 1 4一 .M a . a 9 M 9

基于可靠性理论的管道腐蚀剩余寿命预测方法已经在内蒙阿赛输油管线、河南中安输气管线、大港油田港仓输气管线等多条 (下转第 4页) 3

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第 1卷第 2期 8

压

力

容

器衰2 J 15 B 15J 1 Bl 3

总第 14 0期

=

相 h

() 7

因此，容积 ( m ) n:=

J/ 4 3 I T7 8 IJIT T 9 I 4 3/

本文方法 1 92 41 1.

H++

() 8

()质量 3

内表面积 ( ) 误差 ( %)

19 .4—

192 .45- 0. I 0 -

0. 1

首先计算外壁容积，分别如下： 锥段外壁容积：=

容积 (] m)

误差 ( %)质量 ( ) 误差 ( )%

O36 .3—

0 36 .34+0 1

0. 1

O 3 抛.

詈=一h一 ( r+以 )8日+以/i j0 n s n

13 2—93

169 6 .+2 . 30

1 . 6

式中

6∞= ( R+以 )一 (+d ) (一∞s ) r 1

r 9,h=2,以=6内表面积、容积和质量结 =0 5,果见表 1:

以+d代替、r +d代替 r,按公式 ( ) 6

及公式 ( )可分别计算圆弧段外壁容积 z 7及直边段外壁容积。于是。外壁容积 (m: n )= l 2 ++ () 9

()9o 2 0折边锥形封头 (0/ ) 0= 4:果见表 2:

:1 0 2, 0

r 8,h 2,以=,内表面积、容积和质量结=1 0=5 8

4结论( )J 15— 7、 J l5—7、J/ 4 3—9、 1 B 5 3 B l6 3 B T 7 8 5 1

质量 (g: k)= 80x (一 ) x1 75 0 (O 1)

J,43标准内表面积、容积计算结果与精确值 B' 9 q7 (文方法计算结果 )相比误差都不大，J/本 B '78 -5 BT 79标准精确度更高；而质量计 1 3-9、J/ 43" - 4算结果则有较大误差，尤其是 J/ 43- 9、J/ B T78 -5 B T79 5 43—9标准有较大的正偏差。 ()本文方法已被新标准 J44钢制压力容 2 B76《

3计算结果对比 ()6o 1 0折边锥形封头 (0/ ) 60 0: 6:D 0衰l J l铅—7 B 1 I3J l6 B15 _

JZ' 3 I I- 8 t￣ 7l ' T9 B/ ' 3 I 4

本文方法 0.

内表面积 ( ) 误差 ( %)容积 ( ) 误差 ( )%

068 . 7+34.

069 .59+O 6 .

器用封头》(报批稿 )采用。65 57

00 .酷2+06

0呦 .+00 .

O 02 .6 B

作者简介：孙瑛，女，16 95年生，18 96年毕业于浙江大学化工机械专业，高级工程师。现在武汉科技大学自动化学院任教，从事机械设计方面课程的教学工作。通讯地址：

质量 (g k)误差 ( %)

3. 26 +35.

3 . 79+加 . 3

3 1 5.

武汉科技大学 22 4信箱，

邮编：41 1 3。￣

(接第 5页 )上 8

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,^. R. I wig且 d A. T. ) tn, n e

油气管线上成功应用，为上述管线的检测与维修提供了科学依据。 3结论14 0

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()基于可靠性理论，建立了一种新的在役油 1

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气管道腐蚀剩余寿命预测方法。 ()基于可靠性理论的管道腐蚀剩余寿命预测 2结果可以为管道检测周期的制定和维修决策提供科学依据。该方法已在国内多条管线上应用。参考文献

h l l. 19￣lue t 91

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作者简介：赵新伟，男，1 9 9年生，在职博士，从事在授 6压力管道和压力容器安全评价研究工作。通讯地址：西安市电子二路 2号石油管材研究所。邮编：706。 1 105

1 A砌￡ 3G . s B 1:腐蚀管道剩余强度评价指南 .1 1 9 9

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cyr1.html