新版ASME B31G—2009管道剩余強(qiáng)度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性分析

摘 要

摘要：近年來我國油氣管道腐蝕現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，對腐蝕管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價(jià)可以有效地避免和預(yù)防管道泄漏事故的發(fā)生。1984年美國機(jī)械工程師協(xié)會頒布的ASME B31G—1984標(biāo)準(zhǔn)是
摘要：近年來我國油氣管道腐蝕現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，對腐蝕管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價(jià)可以有效地避免和預(yù)防管道泄漏事故的發(fā)生。1984年美國機(jī)械工程師協(xié)會頒布的ASME B31G—1984標(biāo)準(zhǔn)是研究腐蝕管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方面使用最廣泛、最基本的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一，之后又推出了ASME B31G—1991修改版及改進(jìn)的RSTRENG方法。為此，重點(diǎn)介紹了最新版ASME B31G—2009標(biāo)準(zhǔn)的分級評價(jià)方法以及較之前兩版ASME B31G的先進(jìn)性。根據(jù)收集到的67組管道全尺寸爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別利用新舊ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)和RsTRENG方法計(jì)算得出預(yù)測失效壓力，并與實(shí)際爆破壓力進(jìn)行了比較。通過實(shí)例驗(yàn)證和對比分析可知：新版ASME B31G—2009采用4個(gè)等級進(jìn)行腐蝕管道的剩余強(qiáng)度評價(jià)，更便于評價(jià)人員根據(jù)現(xiàn)場操作難易程度、資料詳細(xì)程度以及評價(jià)精度等要求選擇不同的評價(jià)等級進(jìn)行操作；其保守性明顯降低，預(yù)測結(jié)果更加接近真實(shí)值，具有較強(qiáng)的實(shí)用性；但與RSTRENG相比，它仍存在一定的保守性。另外，新版ASME B31G—2009仍不適于評價(jià)大口徑、高強(qiáng)度的管道，在評價(jià)范圍方面有待進(jìn)一步提高。
關(guān)鍵詞：天然氣管道；腐蝕；缺陷；剩余強(qiáng)度評價(jià)ASME；B31G；RSTRENG；評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
    近年來，世界各國的油氣管道因腐蝕所導(dǎo)致的失效事故頻繁發(fā)生，造成能源的浪費(fèi)以及環(huán)境的破壞，嚴(yán)重時(shí)給社會造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失。對管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評價(jià)可以有效地降低甚至避免管道失效的發(fā)生。從20世紀(jì)60年代末開始，世界各國一直在進(jìn)行腐蝕管道剩余強(qiáng)度評價(jià)方面的研究，頒布了許多相關(guān)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。1984年美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)頒布了ASME B31G—1984標(biāo)準(zhǔn)，其前身是基于斷裂力學(xué)的NG-18表面缺陷計(jì)算公式[1]，它是后來許多相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，至今仍是使用范圍最為廣泛的評價(jià)腐蝕管道剩余強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)之一。隨著世界工業(yè)水平的飛速發(fā)展，繼最初的ASME B31G—1984版在1991年進(jìn)行了一次修改后，2009年對該標(biāo)準(zhǔn)又進(jìn)行了一次修改，筆者主要針對最新版ASME B31G—2009的先進(jìn)性進(jìn)行分析。
1 新版ASME B31G—2009介紹
1.1 ASME B31G—2009分級評價(jià)方法
    新版ASME B31G—2009標(biāo)準(zhǔn)延續(xù)并完善了原始的ASME B31G評價(jià)方法，其最大的變化是采用分級評價(jià)的理念，由保守到精確，由粗略到精細(xì)，層層深入。評價(jià)共分為4個(gè)等級，各個(gè)等級之間不是孤立存在的，而是按照實(shí)際操作的難易程度、評價(jià)結(jié)果的精確性和保守性而制定的由初級到高級的評價(jià)原則。有利于評價(jià)人員根據(jù)現(xiàn)場操作難易程度、資料詳細(xì)程度以及評價(jià)精度等要求選擇不同的評價(jià)等級進(jìn)行操作，大大提高了工作效率和評價(jià)結(jié)果的精確度，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
1.1.1零級評價(jià)
   根據(jù)給定的管道直徑、壁厚和腐蝕坑深度在表1中查取現(xiàn)成的腐蝕區(qū)域最大腐蝕長度數(shù)據(jù)，用于確定連續(xù)相鄰的腐蝕區(qū)，或一串相互作用的金屬損失區(qū)的長度，步驟如下[2]：①根據(jù)相關(guān)記錄或直接測量確定管道的直徑和壁厚；②通過相關(guān)記錄確定管材的材料屬性；③清理管道表面的腐蝕至露出金屬表面，當(dāng)清理帶壓腐蝕管道表面時(shí)需要多加小心；④測量腐蝕區(qū)最大深度(d)和腐蝕區(qū)軸向距離(L)；⑤確定與管道外徑(D)相關(guān)的附表；⑥在附表上，找出與腐蝕部位的最大測量深度相等的那一行，如果表中沒有恰當(dāng)?shù)臏y量深度值，可以選擇鄰近的較大深度那一行；⑦沿橫向找到管道壁厚(t)的那一列，如果該壁厚沒有列出，即可選取鄰近的較薄壁厚那一列。壁厚的列與腐蝕深度的行交叉點(diǎn)處即為腐蝕區(qū)域允許的軸向長度(L)；⑧如果管道上金屬腐蝕區(qū)域的軸向長度(L)不超過表中所給的值即為可行。

當(dāng)腐蝕深度比大于管道壁厚的10%且小于80%的鄰近腐蝕區(qū)域，腐蝕區(qū)的軸向長度不得大于由下式計(jì)算出的距離：
 
    B不能超過4.O。如果腐蝕深度在10%～17.5%之間，則式(1)中B=4.0。
    零級評價(jià)實(shí)際操作起來比較簡單，便于現(xiàn)場操作人員實(shí)際應(yīng)用，但缺點(diǎn)是比較保守。如果沒有通過零級評價(jià)可以進(jìn)行下一級評價(jià)。零級評價(jià)基本上沿用了原始B31G的方法，只是改用了公制單位。
1.1.2一級評價(jià)
    根據(jù)測量金屬損失的最大軸向長度和深度，進(jìn)行較復(fù)雜的計(jì)算。一級評價(jià)需要該領(lǐng)域的工程師、腐蝕技術(shù)人員、涂層檢驗(yàn)員或其他受過相關(guān)培訓(xùn)的人員進(jìn)行操作。步驟為：①根據(jù)相關(guān)記錄或直接測量確定管道的直徑和壁厚；②清理管道表面的腐蝕產(chǎn)物至露出金屬表面，當(dāng)清理帶壓腐蝕管道表面時(shí)應(yīng)小心；③測量腐蝕區(qū)域最大深度(d)和軸向長度(L)；④根據(jù)相關(guān)記錄確定適用管材的材料屬性；⑤選擇如下失效準(zhǔn)則計(jì)算失效應(yīng)力(SF)；⑥規(guī)定一個(gè)可接受的安全系數(shù)SF；⑦比較SF和SF·SO當(dāng)SF≥SF·SO時(shí)，缺陷可以被接受。
    當(dāng)z≤50時(shí)，為短缺陷：
    M=(1+0.6275z-0.003375z2)1/2    (3)
    當(dāng)z＞50時(shí)，為長缺陷：
    M=0.032z+3.3    (4)
    失效應(yīng)力表達(dá)式為：
SF=Sflow｛[1-0.85(d/t)]/[1-0.85(d/t)/M]｝ (5)
    其中z=L2/Dt   Sflow=1.1·SMYS
式中SO為最大操作壓力下的環(huán)向應(yīng)力；Sflow為流變應(yīng)力；M為鼓脹系數(shù)。
1.1.3二級評價(jià)
使用有效面積法，操作步驟與一級評價(jià)相似，不同的是有效面積法需要詳細(xì)測量管道腐蝕深度或剩余壁厚，更貼近實(shí)際的腐蝕情況。有效面積法的預(yù)測失效應(yīng)力的表達(dá)式如下：
 
    有效面積法是分別對腐蝕剖面內(nèi)的一系列矩形截面計(jì)算出相關(guān)段的失效壓力，把最小的失效壓力作為管子的失效壓力。該方法需要細(xì)致的測量，必須沿著管子長度方向進(jìn)行大量的測量，以確定詳細(xì)的腐蝕剖面圖。因計(jì)算量很大，有必要采用PC程序。
1.1.4三級評價(jià)
    以上3個(gè)等級的評價(jià)都沒有通過或需要考慮更復(fù)雜的情況時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)入三級評價(jià)。該等級評價(jià)采用更加詳細(xì)的分析方法，如有限元分析方法[3～5]等。分析考慮到影響結(jié)果的多種因素包括：載荷、外力、邊界條件、約束、變形、材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線等。
1.2 新版ASME B31G—2009的先進(jìn)性
    新版ASME B31G—2009針對前兩版ASME B31G的保守性作了如下改進(jìn)：①分級評價(jià)：新版B31G—2009首次提出分級評價(jià)的理念，4個(gè)評價(jià)等級有機(jī)結(jié)合起來，操作過程由簡到繁，考慮的評價(jià)條件越來越詳細(xì)，評價(jià)結(jié)果也是由保守到精確。②缺陷面積：新版B31G的一級評價(jià)將缺陷面積定義為0.85dL，該值介于矩形面積和拋物線形面積之間。降低了前兩版B31G[6～7]的保守性。二級評價(jià)中采用有效面積法，實(shí)際詳細(xì)測量管道腐蝕深度或剩余壁厚，更貼近實(shí)際的腐蝕情況，評價(jià)結(jié)果也更加精確。③長、短缺陷臨界值(z)：鑒于原B31G的保守性，將長、短缺陷的臨界值由20上調(diào)到50。④鼓脹系數(shù)(M)：新版B31G根據(jù)長、短缺陷的不同情況分別定義了不同的M值表達(dá)式。⑤失效準(zhǔn)則：設(shè)定了基于缺陷面積為0.85dL的統(tǒng)一的失效應(yīng)力(壓力)表達(dá)式(式5)。
2 ASME B31G與RSTRENG對比分析
2.1 RSTRENG與ASME B31G方法比較
    RSTRENG方法是在原始ASME B31G的基礎(chǔ)上，針對831G的保守性進(jìn)行改進(jìn)獲得的，包括RSTRENG 0.85dL和RSTRENG有效面積法兩種評價(jià)方法，主要對孤立缺陷進(jìn)行評估[8]。新版ASME B31G—2009的一級評價(jià)和二級評價(jià)分別參照了RSTRENG的0.85dL面積法和有效面積法并進(jìn)行了改進(jìn)。表2總結(jié)了它們的聯(lián)系與區(qū)別。
 

2.2 實(shí)例驗(yàn)證
    本文參考文獻(xiàn)[9]中對比分析了前兩版B31G，并得出結(jié)論：修正版ASME B31G—1991比原版ASME B31G—1984的保守性有所降低，預(yù)測結(jié)果更貼近實(shí)際值，但仍有不小的安全裕量。在前人研究的基礎(chǔ)上筆者根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[10]中收集到的67組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用ASME B31G—1991、ASME B31G—2009(一級評價(jià))和RSTRENG 0.85dL3種方法計(jì)算預(yù)測失效應(yīng)力，分別與真實(shí)值進(jìn)行誤差比較，結(jié)果見圖1。
    由圖1可知，新版ASME B31G—2009比ASME B31G—1991的保守性有所降低，預(yù)測結(jié)果更貼近真實(shí)值。然而，與RSTRENG 0.85dL相比，新版ASME B31G—2009仍存在一定的保守性，仍有改進(jìn)空間。需要注意：RSTRENG 0.85dL和ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)均只適用評價(jià)中低強(qiáng)度等級管道，在評價(jià)中高強(qiáng)度等級管道時(shí)均出現(xiàn)不安全現(xiàn)象。
2.3 RSTRENG與ASME B31G—2009實(shí)用性分析
    RsTRENG與AsME B31G—2009中各等級評價(jià)方法預(yù)測結(jié)果的保守性與實(shí)際操作的難易程度都不盡相同。圖2將這些評價(jià)方法按它們的保守性和可操作性進(jìn)行排序，更便于管道評估人員根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的評價(jià)方法進(jìn)行管道剩余強(qiáng)度評價(jià)。圖2中的各級評價(jià)方法保守程度隨著箭頭逐漸降低，而操作難度則隨著箭頭逐漸增大。
 

3 結(jié)論及建議
    1) 新版ASME B31G—2009采用的分級評價(jià)方法便于評價(jià)人員根據(jù)現(xiàn)場操作難易程度、資料詳細(xì)程度以及評價(jià)精度等要求選擇不同的評價(jià)等級進(jìn)行操作。大大提高了工作效率和評價(jià)結(jié)果的精確度，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
    2) 與前兩版ASME B31G相比，新版ASME B31G—2009的保守性大大降低，預(yù)測結(jié)果更加精確。
    3) 通過與RSTRENG進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證和實(shí)用性比較可以看出：新版ASME B31G—2009仍存在一定的保守性，有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。
    4) 新版ASME B31G—2009在適用鋼的等級方面有待進(jìn)一步完善，應(yīng)考慮評價(jià)高強(qiáng)度等級、大口徑管道的剩余強(qiáng)度評價(jià)的需要。
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[10] 帥健.管線力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010：23-25.
 
(本文作者：馬彬1 帥健1 李曉魁2 王俊強(qiáng)1 馮慶東1 1.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院；2.中國石油管道公司蘭州輸氣分公司)