管道腐蚀剩余寿命预测

管道腐蚀剩余寿命预测

埋地管道长年埋置地下，不可避免地遭受腐蚀。特别是随着埋地管道服役时间的增加，管道腐蚀情况越来越严重，给管道使用单位的安全生产和经济效益带来严重的影响。开展埋地管道腐蚀的剩余寿命预测评估，对提高埋地管道事故隐患区段的预测能力，实施管道运行完整性管理具有十分重要的意义。

埋地管道因遭受内在和外在因素的破坏，使其设计寿命严重地受到威胁。其中内在因素如管道本身的擦痕、划痕、压痕等机械损伤，管道制造和施工过程中的质量问题；外在因素如地下管道受到腐蚀、人为破坏、管道运行管理不善等。目前，我国埋地管道面临着管道老化、变质等问题，管道使用寿命和剩余使用寿命问题越来越受到重视。

管道的设计寿命一般为33年，为保持管道预期设计寿命，管道使用单位都制定了严格的管道定期检测和日常维护计划，同时十分重视管道的管理、检查和维护工作，有些国家则把管道线路的腐蚀和泄漏检测纳入SCADA系统。

在役埋地管道的剩余寿命预测实际上是一个涵盖管道在线检测、安全状况评价、剩余寿命预测的一个系统工程。

与设计寿命密切相关的是埋地管道的诊断问题。所谓管道腐蚀剩余寿命的基本概念是管道个别地段的剩余使用寿命。对个别管道的持续运行寿命进行诊断，不仅可预防未来可能发生的故障，而且会对管道运行制度和预检修措施进行正确的规划。在很多情况下，还可使这段管道在降低负荷的条件下继续利用其有效期。为此，应将整个埋地管道线路划分成各自不同的典型地段（如按规则规定划分为四种地段），在此基础上进行危险区段的剩余寿命预测。

对管道内、外部结构进行早期诊断，可预测管道剩余使用寿命。埋地管道失效多数情况下是由管体外部腐蚀造成的，其主要机理是土壤的电化学腐蚀。根据管道失效的特点可将腐蚀缺陷分为均匀腐蚀、局部腐蚀和点腐蚀三大类，但因腐蚀影响因素具有极大不确定性，以及缺陷的发生和发展的不确定性（特别是对点蚀），需要从概率统计的角度出发对整条管线或整个管段的剩余寿命进行统计分析，找出其统计规律。

管道本体存在的裂纹也是影响管道使用寿命的重要因素，裂纹的扩展速度会严重影响管道的剩余寿命。所以管道剩余寿命预测中还包括低周疲劳裂纹扩展寿命评估方法，主要是规定当裂纹尺寸达到某一给定长度时的疲劳周次为疲劳裂纹的萌生寿命。但由于裂纹萌生过程中存在很大的随机性，即使同一材料在其相邻区域上截取不同的试样，同一裂纹长度指标对应的循环周期可能处于裂纹扩展的不同阶段。所以也需要利用恰当的物理模型与统计方法确定一种可靠的裂纹尺寸与寿命的关系。

研究表明，金属的老化效应和管道表面的腐蚀损伤会导致管材脆变，从而改变材料的塑

性，使机械性能参数发生衰退，所以管道剩余寿命除与管道运行过程中发生的管道腐蚀剩余壁厚和应力变形等有关外，与母体金属和焊接部位原始机械性能（金属连续性、含缺陷程度、金属可塑性、冲击韧性）与管道运行时间有一定关系，运行5～10年，钢材性能无明显变化，并保持在稳定水平上；运行超过10年，塑性和刚性开始降低；运行到20年时，母体金属相对收缩率降低30％，焊缝相对伸缩率降低25 ％。冲击韧性降低20 J／cm2。因此，对管道强度剩余寿命进行预测可以采用缺陷探伤仪、测厚仪、便携式硬度计以及磁力——噪声探测仪等非开挖检验方法进行检验，然后利用断裂力学和概率计算方法，获得精确的管道剩余强度和剩余使用寿命的预测和评估结果。

研究人员根据埋地管道腐蚀剩余寿命预测的特点，建立了各种腐蚀缺陷的几何形态模型，不同腐蚀类型的腐蚀速率电化学模型、腐蚀管道剩余寿命的强度储备比模型和性能衰减模型。并通过对管道进行剩余强度评价，从三个方向对缺陷尺寸（即缺陷深度、轴向尺寸和环向尺寸）进行了校核，确定了缺陷的极限腐蚀尺寸。

为了预测裂纹的萌生寿命，人们提出了不同的分析模型。其中Mason-Coffin方程是从宏观力学出发得到的一种常见的应力一应变法，它定义了裂纹萌生寿命与应变之间的关系。