管道完整性评价评价方法

一级评价
– 由管道工程师、腐蚀技术人员、涂层检验员或其他 受过相关培训的人员进行操作。 – 按下式
p d 2 t σ flow 1 - 0.85 t 1 - 0.85 d 1 D t M
ASME B31G-2009
二级评价 • 使用有效面积法
– 对一系列连续腐蚀缺陷的每一个梯形截面计算出相关段的失 效压力，把最小的失效压力作为管子的失效压力。 – 需要细致的测量，工作量大
基于情形 基于内检测
一、剩余强度评价
主要缺陷类型
• 材料缺陷
– 体积（腐蚀）型缺陷
• 质量（重量）损失，内、外腐蚀产生，最为常见；
• 剩余强度评价的重要性
– 管道安全承压、延长寿命依据 – 内检测技术的发展 – 经常性的活动
– 面积（裂纹）型缺陷
• 最危险，产生原因复杂，与材质、制造工艺、使用环境有关
等 效 应 力 /MPa
案例2——占压管道
• 一处管道占压长度近1km，原 来埋深为1.6~1.8米，后因市 场扩建，人为垫土使管道埋
2.5 管道抬升高度/m 2 1.5 1 0.5 0 0
600.00
深增至5~11米。 • 经评价：
– 如果回填土刚度低于100Mpa，管道
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 轴向距离/m
10 13
16 19 22
25 28
31 34 37 序号
40 43
46 49 52
55 58 61
64 67
0.6 0.4
25 有 限元预测失效压力（MPa）
DNV RP F101
误差/%
X46
20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 试验爆破压力（MPa）
0.2 0 1 -0.2 序号 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67
– 焊缝材料断裂韧性偏低
• 建议维持现行压力。
凹陷管道的评估
• 评估流程——基于应变的评估
案例——内检测后的管道评价
轴向距离（mm） y 垂直距离 (mm)
内检测发现193处凹
x
陷，其中，深度等于 或大于6%的凹陷112 处，评价认为应变大 于或等于6%的凹陷
y 垂直距离
(mm)
• 建议最好采用48通道的变径检 测器检测
L10
ASME B31G-2009
三级评价
• 如以上三个等级的评价都没有通过，或需要考虑更复杂情况时， 应考虑进入三级评价； • • 采用更加详细的有限元分析方法； 考虑多种因素，包括：载荷、外力、边界条件、约束、变形、材 料的应力-应变曲线等。
p
1- A 2 t σ flow A0 A 1 D 1 - A M 0
• 1978年建输油管线
• 直径1.4m • 材质X70 • 天然气管道 • 允许运行压 力7.5MPa
– 2010年8月26日~11月6日实施内检测，检测发现腐蚀深度超过 0.5mm的缺陷10385处，螺旋焊缝异常点1467处，盗油点、套 管、管箍等约3875处； – 建议修复的缺陷15处； – 建议MAOP。
• • • •
（2）DNV RP-F101
1999年发布，与BG技术结合形成 针对高强度管材 评定方法 – 许用应力法 – 分项安全系数法——考虑了缺陷检测的不确定性 荷载作用形式： – 仅内压 – 内压和轴向拉/压力共同作用（包括弯曲） • 缺陷类型包括 – 单个缺陷 – 相互作用的缺陷 – 复杂形状缺陷
的环向应力高于设计要求； – 如果回填土刚度低于20Mpa，管道
– 洪水期间的最大漂浮； – 管道当前弯曲形状下。
400.00
的变形量超出3%。
200.00 0.00 -120 -72 -24 24 71 117 161 206 254 302
• 建议采取措施。
距离/m
案例3——滑坡作用下的管道分析
5
概率方法
• 基于两次数据 • 基于三次数据
案例——基于内检测的管道剩余寿命预测
• 检测里程126.1公里，检测出的腐蚀缺陷总数为1179，其中重度
缺陷130个、中度缺陷355、轻度缺陷652和轻微缺陷42个。
当前
5年后
T
T2 T1 T T (t1 t min ) T1 2 1 (t a1 t min ) T1 t1 t 2 a 2 a1
4
案例——输油管道的承压能力评价
• 某输油管道，设计压力偏于保 守，看能否提压？ • 评价发现
– 早期管道焊缝质量不好
• 错边、未焊透
凹陷管道
• 用深度与直径的百分比来度量； • 分类：
– 平滑凹陷 – 曲折凹陷 – 单纯凹陷 – 焊缝凹陷 – 划伤凹陷 – 管顶凹陷（非约束凹陷） – 管低凹陷（约束凹陷）
• 长、短缺陷临界值：
– 鉴于原B31G的保守性，将长、短缺陷的临界值z上调到50。
• 鼓胀系数M：
– 根据长、短缺陷的不同情况分别定义了M的表达式。
基本方法 • 基本公式
（3）PCORRC方法
• 美国Battelle研究院新近提出来的新公式
• 改进
– 流变应力 – 鼓胀系数
• 拟合公式 • 适用范围：中高强度钢管道。
（4）精确评价方法
• 有限元模型
– 基于含缺陷管道的失效机理，精确的应力/应变分析
中国石油大学（北京）提出新的失效压力预测公式
• 与实验结果吻合；
误差/%
0.6 0.4 0.2 0 -0.2 1 4 7
ASME B31G-1991
• 以有限元计算结果为基础，提出了新的公式。
实验验证 共67组全尺寸爆破试 验数据，其中X55及其 以下43组

L5 L4 L3 L2 L1
2
ASME B31G-2009的先进性
• 分级评价：评价结果由保守到精确。 • 缺陷面积：
– 一级评价缺陷面积定义为0.85dL，该值介于矩形面积和抛物形 面积之间，降低了原两版的保守性； – 二级评价中采用有效面积法，实际详细测量管道腐蚀面积， 更贴近实际的腐蚀情况，结果更精确。
输油管道
疲劳机理 • 高周疲劳（疲劳裂纹扩展） • 低周疲劳
三、复杂条件管道的评价
• 不良地质条件
– 采空沉陷 – 洪水 – 滑坡 – 断层 – 冻土 – 占压等
基于情形的评价方法
• 很多方面在国内是空白，完整性管理中的难点。
6
案例1——漂浮管道
• 某天然气管道洪水期间 被冲出约137m，发生露 空漂浮，最大上抬位移 量约为2.2 m。 • 原来方案为沉管； • 经评定，以下两种情况 下管道均安全：
10年后 31
基于疲劳的剩余寿命 管道的疲劳损伤
输气管道 气量变化 启、停输 油品交替 启、停输
油气管道压力波动
管道压力波动分析： （1）无论是输油还是输气管道，即使是平稳运行，均存在大量的小幅
压力波动 环境载荷 周期变化
循环载荷 交变载荷
疲劳损伤 疲劳破坏
承载能力下降 泄漏和破裂
波动，且输气管道的小幅波动多于输油管道； （4）输油管道可能存在过多的压力调整，因此，其大幅波动较多。
零级评价
• 步骤： a) 根据记录或直接测量管道直径和壁厚;
b) 通过记录确定管材属性; c) 清理腐蚀表面至露出金属，清理带压管道时需要多加 小心; d) 测量腐蚀区域的最大深度d和沿轴向的长度L; 查表； 如果腐蚀区长度L不超过表中所给的值，即为可行。
管道公称外径NPS൒60mm和NPS൑168mm时的长度L值
缺陷深度 d(mm) 0.3 0.5 0.8 1.0 1.3 1.5 1.8 2.0 2.3 2.5 2.8 3.0 3.3 3.6 3.8 4.1 4.3
管道壁厚t（mm） 2.1 50.5 23.2 13.4 9.8 7.8 6.4 … … … … … … … … … … … 2.8 不限 49.1 21.7 15.1 11.9 9.8 8.3 7.2 … … … … … … … … … 3.2 不限 62.0 28.7 19.0 14.7 12.1 10.3 9.0 7.9 6.9 … … … … … … … 3.6 不限 65.8 38.3 23.7 17.9 14.6 12.4 10.8 9.5 8.5 7.6 … … … … … … 3.9 不限 68.8 49.2 28.1 20.8 16.8 14.3 12.4 11.0 9.8 8.8 8.0 … … … … … 4.4 不限 72.7 72.7 35.6 25.3 20.1 17.0 14.7 13.0 11.6 10.5 9.6 8.7 … … … …
按ASME B31G评估，3个缺陷评价为失效，92个缺陷评价为要 求立即修复。
2、裂纹（面积）型缺陷管道
缺陷分类： • 根据方向，分：轴向、环向和螺旋方向； • 根据位置，分为：
– 穿透裂纹：贯穿整个管壁 – 表裂纹：与管壁的表面之一相接触 – 埋藏裂纹：处于管壁之内并不与管壁表面相接触
断裂机理
• 存在不同失效模式 – 极端情形：线弹性断裂和塑性失稳； – 中间情形——弹塑性断裂； – 英国中央电力局（CEGB）的R6方法：
– 存在于焊缝周边
• 螺旋型腐蚀：
– 螺旋焊缝周边，与管线的轴向成一定的角度。
1
（1）ASME B31G方法 • 起源于60年代后期，NG-18方程 • 1984年，正式发布 • 1991年，进行了一些修改 • 2009年，新版
– 提出了分级概念
• 四级评价 e) f)
ASME B31G-2009
• 该标准先后在1977年、1980年和1986年作过三次修订，前两版称为老 R6，第三版称为新R6。虽然都是利用失效评定图进行评定，但两者 的理论基础有着本质的不同。
穿透缺陷
表面缺陷
埋藏缺陷
评价方法 • 失效评定图方法
– 三级评估 – 有限元方法 – J-R阻力测试
裂纹管道评估中的断裂力学分析
• J-R阻力曲线 有限元分析
ASME B31G-2009
4.8 不限 58.3 76.0 44.2 29.9 23.4 19.5 16.9 14.9 13.4 12.1 11.0 10.1 9.3 8.5 … … 5.5 不限 不限 81.9 69.5 41.1 30.7 25.0 21.4 18.8 16.8 15.2 13.9 12.8 11.8 10.9 10.2 9.5
96处，应予以修理。
二、管道剩余寿命评价
基于腐蚀的剩余寿命预测方法
腐蚀速率评估： • 基于模拟试验（挂片或埋片）
• 影响管道剩余寿命的两项因素：
– 腐蚀——根据腐蚀速率 – 疲劳——根据疲劳裂纹扩展速率
• 基于现场测试（腐蚀探针、电化学测试） • 基于检测数据（内检测） – 统计推断
• 正态分布模型 • 极值分布模型
15
30 管道轴向位置(m)
45
60
，需要具体问题，具体分析； • 仍然需要发展新的评价方法。
管道应力分布
滑动距离较小时，管道部分受压、部分受拉； 滑动距离增加，压应力逐渐减小，管道趋于整 体拉弯变形（物理伸长→轴心应变）；超过某 值后，应力分布趋于一致
• 几何缺陷——凹陷 • 修复——承压能力薄弱环节
– 焊接 – 复合材料缠绕
1、腐蚀（含体积型缺陷）管道
• 评价标准 • 点蚀：
– 腐蚀面积小，严重时会穿孔
评价方法
– ASME B31G方法 – DNV RP F101方法
• 片状腐蚀：
– 面积较大
• 研究
– PCORRC公式 – 有限元方法
• 焊缝腐蚀：
X52 X60L X60TS
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 1 -0.2 4 7 误差/%
新公式
10
13 16 19 22
25 28 31
34 37 40 43 序号
46 49 52 55
18
58 61 64 67
3
案例——内检测后的管道评价
案例2——输油管道剩余强度评价
滑坡对管道的作用示意
轴 向 应力 (m) 600 0.9m 400 200 0 -200 -400 0
600 400 轴向 应力 (m) 200 0 -200 -400 0 15 0.9m 4m 30 管道轴向位置(m) 2m 10m 45 60
结束语
2m 10m
4m
• 完整性评价是完整性管理的基础； • 实际管道的完整性评价包含的内容很多
管道完整性评价方法总览
管道完整性评价体系
管道完整性评价方法与案例
体 积 型 缺 陷
剩余强度
剩余寿命
复杂情形/不 良地质条件
帅健
教授/博士生导师
面 积 型 缺 陷
几 何 缺 陷
基 于 腐 蚀
基 于 疲 劳
滑 坡
泥 石 流
洪 水
断 层
中国石油大学（北京）机械与储运工程学院 2011年9月20日﹒ 山东青岛