油气输送管道凹坑修复判定准则
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油气输送管道凹坑修复判定准则
宋汉成 1，樊兆存 2，赵丽恒 3
（1 挪威船级社（中国）有限公司，北京，100020；2 中国石化胜利油田油气集输总厂，东营， 257061；3 中国石化山东省天然气管道有限责任公司，济南，250101）
摘要：系统的分析了美国联邦法规 49 CFR 195、49 CFR 192 和 ASME 标准 B31.4、 B31.8 管道凹坑修复判定标准，提出了凹坑的深度修复判定准则、应变修复判定 准则以及有限元分析方法。 有限元分析结果认为相同深度尺寸的尖锐凹坑比平滑 凹坑的应力水平明显高很多，消除深度小但应变大的凹坑，避免类似 Marathon Ashland 管道凹坑破裂的事故。 以某原油管道深度为 5.97%管道直径的凹坑为例， 凹坑深度和应变修复判定准则认为需要修复，有限元模拟结果给出可以承受 3MPa 以上的内压。最后分别提出了液体管道和气体管道的凹坑修复判定准则， 将凹坑分为四个修复等级，考虑了凹坑深度、凹坑处应变水平以及管道实际运行 应力水平等因素。 关键词：油气管道，管道凹坑，修复准则，有限元模拟
Abstract：Pipeline dent repair criteria included in American federal regulations 49 CFR 195&49 CFR 192 and ASME standards B31.4&B31.8 have been analyzed systematically, propose depth based repair criteria, strain based repair criteria and FEA method. It is considered that stress in sharpened dent is higher than smooth dent with the same depth size, so eliminate shallow but sharpened dent to avoid similar pipeline rupture accident with Marathon Ashland. For a crude oil pipeline with a 5.97%OD dent, it should be repaired according depth and strain repair criteria, and the FEA result show that it can bear 3MPa internal pressure. And suggest the liquid and gas pipeline dent repair criteria respectively based on dent depth, strain and operation stress level, the repair grade divide into four classes.
[4]
图 4 49 CFR 192 凹坑修复判定准则 Figure 4 49 CFR 192 Dent Repair Criteria
图 5 ASME B31.8-2010 凹坑修复判定准则 Figure 5 ASME B31.8-2010 Dent Repair Criteria
美国联邦法规将凹坑划分为上部和底部两类， 位于管道顶部的凹坑有可能是 第三方施工造成的，其危害程度要高于位于管道底部的凹坑，因此建议制定凹坑 修复等级时对凹坑位于管道上的位置宜区分对待。 对比 49 CFR 195 和 49 CFR 192 可知，液体管道凹坑修复等级划分为立即修 复、60 天内修复、180 天内修复，而气体管道凹坑分为立即修复、1 年内修复、 继续监控。液体管道比气体管道凹坑修复判定准则要求更严格，如 49 CFR 195 要求位于管道上部大于 3%管道直径和大于 2%管道直径的凹坑分别要求是 60 天内 修复和 180 天内修复，而 49 CFR 192 针对上述凹坑没有修复要求。这是由于液 体管道运行压力波动明显，而气体管道相对波动次数较少，液体管道更容易受到 压力循环导致的凹坑疲劳问题。 从上述对比看出，美国联邦法规和 ASME 标准总体判定准则是一致的，美国 联邦法规修复等级相对详细，修复判定标准更加严格，但 ASME 标准通用性更强。 2 应变判定准则 凹坑处的应变可以通过分析内检测数据或者现场开挖验证时的外检测手段 得到， ASME B31.8-2010 附录 R 给出了管道凹坑处应变的计算方法， 如图 6 所示， R0 是管道的初始半径，等于管道直径的一半， R1 为凹坑处管道横截面方向的曲 率半径，该曲率半径如果与管道初始半径方向一致，则为正值，如果与管道初始 半径方向相反，则为负值。 R2 为凹坑处管道纵断面方向的曲率半径，该曲率半 径一般为正值。则凹坑处管道周向弯曲应变 1 、轴向弯曲应变 2 、轴向拉伸应变
1d
2
（3）
i 12 1 2 3 2 3
2
（4）
2
o 12 1 2 3 2 3
（5）
图 6 凹坑应变测量图 Figure6 Dent Strain Measure
分析美国联邦法规和 ASME 凹坑修复评定准则（图 2-图 4），液体管道凹坑 修复评定准则没有相应的应变要求， 而气体管道凹坑修复评定准则除对凹坑深度 的要求外，还规定了相应的应变要求，如 49 CFR 192 要求应变超过临界水平的 凹坑进行修复，ASME B31.8-2010 要求管体处应变超过 6%或焊缝处应变超过 4% 的凹坑进行修复。凹坑应变评定准则相对深度判定准则更能判断凹坑的严重程 度，在条件允许的情况下，应尽可能测量出凹坑处的应变情况，将深度判定准则 和应变判定准则结合应用，消除深度小但应变大的凹坑，避免类似本文引言中的 Marathon Ashland 管道凹坑破裂事故，以确保管道的安全运行。 3 有限元分析 为了得到凹坑处更精确的应力分析，或者更好的评估凹坑对管道的影响，除 了上述提到的深度和应变判定准则，还可以借助有限元分析的方法。如采用有限 元模拟平滑凹坑与尖锐凹坑对管道应力分布的影响为例， 在管道顶部构造一个平 滑凹坑， 另外一个模拟情况下同样在管道顶部构造一个与平滑凹坑深度尺寸完全 相同的尖锐凹坑，都施加 1MPa 的内压，从模拟结果可以看出，相同深度的尖锐 凹坑 （图 7） 相对平滑凹坑 （图 8） 应力水平显著提高， 平均等效应力约为 300MPa， 且整体应力呈现对称分布，凹坑区域出现了高应力和低应力集中的状态，其中在 凹坑周围四个边角上为低应力，应力约为 187MPa，而在尖锐的凹坑中心位置， 最大应力为 441MPa，超过材料的屈服强度。这也说明了不能仅仅依靠深度作为 凹坑修复的评定准则。
Oil and Gas Pipeline Dent repair Criteria
Alex Song1，Fan zhaocun2，Zhao Liheng3
（1 Det Norske Veritas (china) Co. Ltd., Beijing, 100020；2 Sinopec Shengli Oil Field Oil and Gas Gathering Company，Dongying, 257061; 3 Sinopec Shandong Natural Gas pipeline limited company, Jinan, 250101）
图 3 ASME B31.4-2009 凹坑修复判定准则 图 2 49 CFR 195 凹坑修复判定准则 Figure 2 49 CFR 195 Dent Repair Criteria Figure 3 ASME B31.4-2009 Dent Repair Criteria
针对气体管道修复判定准则，美国联邦法规 49 CFR 192 部分气体输送管道 （见图 4 所示） 和 ASME B31.8-2010 气体输送和配送管道系统[5] （见图 5 所示） 分别给出了气体管道的凹坑修复判定准则。49 CFR 192 将凹坑修复等级划分为 立即修复、1 年内修复、继续监控和不需要修复四类，而 ASME B31.4 分为需要 修复和不需要修复两类。两个标准均将凹坑深度划分为 2%和 6%管道直径两个等 级，且将管道运行应力水平划分为 20%和 40%SMYS 两个等级。49 CFR 192 仅对运 行应力水平小于 20%SMYS 的凹坑不要求修复，ASME B31.8-2010 除此之外，针对 深度小于 2%管道直径、深度小于 6%管道直径且运行应力水平小于 40%SMYS 的两 类普通凹坑也不要求修复。
D
图 1 管道凹坑示意图 Figure1 Pipeline Dent drawing
Biblioteka Baidu
针对液体管道修复判定准则，美国联邦法规 49 CFR 195 部分有害液体输送 管道 [4]（见图 2 所示）和 ASME B31.4-2009 液体输送管道 [5] （见图 3 所示）分 别给出了气体管道的凹坑修复判定准则。49 CFR 195 将凹坑修复等级划分为立 即修复、60 天内修复、180 天内修复和不需要修复四类，且将凹坑深度划分为 2%、3%和 6%管道直径三个等级，而 ASME B31.4 分为需要修复和不需要修复两类。 针对深度小于 2%管道直径的普通凹坑 49 CFR 195 和 ASME B31.4 都不要求修复， 针对位于底部小于 6%管道直径的普通凹坑不要求修复，而 ASME B31.4 对小于 6% 管道直径且运行环向应力小于 20%SMYS 的凹坑不要求修复。
3 分别为公式（1）-（3）。
1 t
1 1 1 2 R0 R1 1 t 2 2 R2
（1） （2）
3 2 L
其中， t 为管道壁厚，mm； d 为凹坑深度，%OD； L 为凹坑长度，mm。 则凹坑处管道内表面应变 i 和外表面应变为公式（4）-（5）。
Keywords：oil and gas pipeline，pipeline dent，repair criteria，Finite element simulation 0 引言 凹坑是由于管壁永久塑性变形而使管道横截面发生的几何变形， 一般是管道 施工建设期间搬运、回填中的碰撞或岩石障碍等，以及管道服役期间挖掘设备等 第三方施工导致的管道变形[1]。 管道凹坑严重威胁着管道的安全运行，有些凹坑会立即导致管道失效，另外 一些凹坑随时间变化的载荷作用可能会使管道发生疲劳破坏。2000 年 1 月 27 日 下午 12:12 Marathon Ashland 管道公司的一条建于 1973 年的直径 610mm 原油管 道在美国肯塔基州温彻斯特市发生破裂[2]，泄漏原油 185 万升，导致附近的高尔 夫球场和小河污染，事故损失约 700 万美元，无人员和伤亡。破裂位置穿越页岩 区，1997 年的标清漏磁检测数据分析结果认为该处为凹坑，由于该凹坑没有超 过当时的修复标准（凹坑深度大于 2%管道直径），没有进行开挖修复。对管道 破裂位置分析为典型的凹坑处疲劳裂纹扩展开裂， 裂纹最深位置已经扩展壁厚的 90-95%，疲劳裂纹的主裂纹和二次裂纹起始点位于管道凹坑的边缘，破裂位置压 力仅为 2.9MPa。 凹坑及裂纹的存在极大的降低了管道的承压能力， 如果上述事故中的凹坑在 1997 年内检测数据分析后进行了开挖修复，就会避免相应的污染和经济损失， 保障管道的安全运行。 管道的不同缺陷已有的标准均给出了相应的评估指导方法 [3] ，但针对凹坑没有一个系统的修复评定准则。因此，随着管道内检测在国内普 遍被接受，有必要综合分析已有的凹坑评估标准，提出适合国内管道的凹坑修复 判定准则，借助内检测数据分析结果，提高管道的可靠性。 1 深度判定准则 管道凹坑深度一般定义为管道直径相比于原始直径的最大减小量（即，名义 直径减去最小直径） ， 是影响凹坑承压强度和疲劳寿命的重要参数， 见图 1 所示。
宋汉成 1，樊兆存 2，赵丽恒 3
（1 挪威船级社（中国）有限公司，北京，100020；2 中国石化胜利油田油气集输总厂，东营， 257061；3 中国石化山东省天然气管道有限责任公司，济南，250101）
摘要：系统的分析了美国联邦法规 49 CFR 195、49 CFR 192 和 ASME 标准 B31.4、 B31.8 管道凹坑修复判定标准，提出了凹坑的深度修复判定准则、应变修复判定 准则以及有限元分析方法。 有限元分析结果认为相同深度尺寸的尖锐凹坑比平滑 凹坑的应力水平明显高很多，消除深度小但应变大的凹坑，避免类似 Marathon Ashland 管道凹坑破裂的事故。 以某原油管道深度为 5.97%管道直径的凹坑为例， 凹坑深度和应变修复判定准则认为需要修复，有限元模拟结果给出可以承受 3MPa 以上的内压。最后分别提出了液体管道和气体管道的凹坑修复判定准则， 将凹坑分为四个修复等级，考虑了凹坑深度、凹坑处应变水平以及管道实际运行 应力水平等因素。 关键词：油气管道，管道凹坑，修复准则，有限元模拟
Abstract：Pipeline dent repair criteria included in American federal regulations 49 CFR 195&49 CFR 192 and ASME standards B31.4&B31.8 have been analyzed systematically, propose depth based repair criteria, strain based repair criteria and FEA method. It is considered that stress in sharpened dent is higher than smooth dent with the same depth size, so eliminate shallow but sharpened dent to avoid similar pipeline rupture accident with Marathon Ashland. For a crude oil pipeline with a 5.97%OD dent, it should be repaired according depth and strain repair criteria, and the FEA result show that it can bear 3MPa internal pressure. And suggest the liquid and gas pipeline dent repair criteria respectively based on dent depth, strain and operation stress level, the repair grade divide into four classes.
[4]
图 4 49 CFR 192 凹坑修复判定准则 Figure 4 49 CFR 192 Dent Repair Criteria
图 5 ASME B31.8-2010 凹坑修复判定准则 Figure 5 ASME B31.8-2010 Dent Repair Criteria
美国联邦法规将凹坑划分为上部和底部两类， 位于管道顶部的凹坑有可能是 第三方施工造成的，其危害程度要高于位于管道底部的凹坑，因此建议制定凹坑 修复等级时对凹坑位于管道上的位置宜区分对待。 对比 49 CFR 195 和 49 CFR 192 可知，液体管道凹坑修复等级划分为立即修 复、60 天内修复、180 天内修复，而气体管道凹坑分为立即修复、1 年内修复、 继续监控。液体管道比气体管道凹坑修复判定准则要求更严格，如 49 CFR 195 要求位于管道上部大于 3%管道直径和大于 2%管道直径的凹坑分别要求是 60 天内 修复和 180 天内修复，而 49 CFR 192 针对上述凹坑没有修复要求。这是由于液 体管道运行压力波动明显，而气体管道相对波动次数较少，液体管道更容易受到 压力循环导致的凹坑疲劳问题。 从上述对比看出，美国联邦法规和 ASME 标准总体判定准则是一致的，美国 联邦法规修复等级相对详细，修复判定标准更加严格，但 ASME 标准通用性更强。 2 应变判定准则 凹坑处的应变可以通过分析内检测数据或者现场开挖验证时的外检测手段 得到， ASME B31.8-2010 附录 R 给出了管道凹坑处应变的计算方法， 如图 6 所示， R0 是管道的初始半径，等于管道直径的一半， R1 为凹坑处管道横截面方向的曲 率半径，该曲率半径如果与管道初始半径方向一致，则为正值，如果与管道初始 半径方向相反，则为负值。 R2 为凹坑处管道纵断面方向的曲率半径，该曲率半 径一般为正值。则凹坑处管道周向弯曲应变 1 、轴向弯曲应变 2 、轴向拉伸应变
1d
2
（3）
i 12 1 2 3 2 3
2
（4）
2
o 12 1 2 3 2 3
（5）
图 6 凹坑应变测量图 Figure6 Dent Strain Measure
分析美国联邦法规和 ASME 凹坑修复评定准则（图 2-图 4），液体管道凹坑 修复评定准则没有相应的应变要求， 而气体管道凹坑修复评定准则除对凹坑深度 的要求外，还规定了相应的应变要求，如 49 CFR 192 要求应变超过临界水平的 凹坑进行修复，ASME B31.8-2010 要求管体处应变超过 6%或焊缝处应变超过 4% 的凹坑进行修复。凹坑应变评定准则相对深度判定准则更能判断凹坑的严重程 度，在条件允许的情况下，应尽可能测量出凹坑处的应变情况，将深度判定准则 和应变判定准则结合应用，消除深度小但应变大的凹坑，避免类似本文引言中的 Marathon Ashland 管道凹坑破裂事故，以确保管道的安全运行。 3 有限元分析 为了得到凹坑处更精确的应力分析，或者更好的评估凹坑对管道的影响，除 了上述提到的深度和应变判定准则，还可以借助有限元分析的方法。如采用有限 元模拟平滑凹坑与尖锐凹坑对管道应力分布的影响为例， 在管道顶部构造一个平 滑凹坑， 另外一个模拟情况下同样在管道顶部构造一个与平滑凹坑深度尺寸完全 相同的尖锐凹坑，都施加 1MPa 的内压，从模拟结果可以看出，相同深度的尖锐 凹坑 （图 7） 相对平滑凹坑 （图 8） 应力水平显著提高， 平均等效应力约为 300MPa， 且整体应力呈现对称分布，凹坑区域出现了高应力和低应力集中的状态，其中在 凹坑周围四个边角上为低应力，应力约为 187MPa，而在尖锐的凹坑中心位置， 最大应力为 441MPa，超过材料的屈服强度。这也说明了不能仅仅依靠深度作为 凹坑修复的评定准则。
Oil and Gas Pipeline Dent repair Criteria
Alex Song1，Fan zhaocun2，Zhao Liheng3
（1 Det Norske Veritas (china) Co. Ltd., Beijing, 100020；2 Sinopec Shengli Oil Field Oil and Gas Gathering Company，Dongying, 257061; 3 Sinopec Shandong Natural Gas pipeline limited company, Jinan, 250101）
图 3 ASME B31.4-2009 凹坑修复判定准则 图 2 49 CFR 195 凹坑修复判定准则 Figure 2 49 CFR 195 Dent Repair Criteria Figure 3 ASME B31.4-2009 Dent Repair Criteria
针对气体管道修复判定准则，美国联邦法规 49 CFR 192 部分气体输送管道 （见图 4 所示） 和 ASME B31.8-2010 气体输送和配送管道系统[5] （见图 5 所示） 分别给出了气体管道的凹坑修复判定准则。49 CFR 192 将凹坑修复等级划分为 立即修复、1 年内修复、继续监控和不需要修复四类，而 ASME B31.4 分为需要 修复和不需要修复两类。两个标准均将凹坑深度划分为 2%和 6%管道直径两个等 级，且将管道运行应力水平划分为 20%和 40%SMYS 两个等级。49 CFR 192 仅对运 行应力水平小于 20%SMYS 的凹坑不要求修复，ASME B31.8-2010 除此之外，针对 深度小于 2%管道直径、深度小于 6%管道直径且运行应力水平小于 40%SMYS 的两 类普通凹坑也不要求修复。
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图 1 管道凹坑示意图 Figure1 Pipeline Dent drawing
Biblioteka Baidu
针对液体管道修复判定准则，美国联邦法规 49 CFR 195 部分有害液体输送 管道 [4]（见图 2 所示）和 ASME B31.4-2009 液体输送管道 [5] （见图 3 所示）分 别给出了气体管道的凹坑修复判定准则。49 CFR 195 将凹坑修复等级划分为立 即修复、60 天内修复、180 天内修复和不需要修复四类，且将凹坑深度划分为 2%、3%和 6%管道直径三个等级，而 ASME B31.4 分为需要修复和不需要修复两类。 针对深度小于 2%管道直径的普通凹坑 49 CFR 195 和 ASME B31.4 都不要求修复， 针对位于底部小于 6%管道直径的普通凹坑不要求修复，而 ASME B31.4 对小于 6% 管道直径且运行环向应力小于 20%SMYS 的凹坑不要求修复。
3 分别为公式（1）-（3）。
1 t
1 1 1 2 R0 R1 1 t 2 2 R2
（1） （2）
3 2 L
其中， t 为管道壁厚，mm； d 为凹坑深度，%OD； L 为凹坑长度，mm。 则凹坑处管道内表面应变 i 和外表面应变为公式（4）-（5）。
Keywords：oil and gas pipeline，pipeline dent，repair criteria，Finite element simulation 0 引言 凹坑是由于管壁永久塑性变形而使管道横截面发生的几何变形， 一般是管道 施工建设期间搬运、回填中的碰撞或岩石障碍等，以及管道服役期间挖掘设备等 第三方施工导致的管道变形[1]。 管道凹坑严重威胁着管道的安全运行，有些凹坑会立即导致管道失效，另外 一些凹坑随时间变化的载荷作用可能会使管道发生疲劳破坏。2000 年 1 月 27 日 下午 12:12 Marathon Ashland 管道公司的一条建于 1973 年的直径 610mm 原油管 道在美国肯塔基州温彻斯特市发生破裂[2]，泄漏原油 185 万升，导致附近的高尔 夫球场和小河污染，事故损失约 700 万美元，无人员和伤亡。破裂位置穿越页岩 区，1997 年的标清漏磁检测数据分析结果认为该处为凹坑，由于该凹坑没有超 过当时的修复标准（凹坑深度大于 2%管道直径），没有进行开挖修复。对管道 破裂位置分析为典型的凹坑处疲劳裂纹扩展开裂， 裂纹最深位置已经扩展壁厚的 90-95%，疲劳裂纹的主裂纹和二次裂纹起始点位于管道凹坑的边缘，破裂位置压 力仅为 2.9MPa。 凹坑及裂纹的存在极大的降低了管道的承压能力， 如果上述事故中的凹坑在 1997 年内检测数据分析后进行了开挖修复，就会避免相应的污染和经济损失， 保障管道的安全运行。 管道的不同缺陷已有的标准均给出了相应的评估指导方法 [3] ，但针对凹坑没有一个系统的修复评定准则。因此，随着管道内检测在国内普 遍被接受，有必要综合分析已有的凹坑评估标准，提出适合国内管道的凹坑修复 判定准则，借助内检测数据分析结果，提高管道的可靠性。 1 深度判定准则 管道凹坑深度一般定义为管道直径相比于原始直径的最大减小量（即，名义 直径减去最小直径） ， 是影响凹坑承压强度和疲劳寿命的重要参数， 见图 1 所示。