输油管道腐蚀剩余寿命的预测

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输油管道腐蚀剩余寿命的预测Ξ
罗金恒ΞΞ　赵新伟　白真权　路民旭
(中国石油天然气集团公司石油管材研究所)
摘要　针对某 273mm×6(7)mm输油管道建成时间不长,管道腐蚀却很严重,腐蚀发展速率非常高的情况,利用此管道历年来的近千个腐蚀大修缺陷尺寸数据,统计出管线的腐蚀速率分布,建立了腐蚀速率概率分布的模型,并对模型进行了验证,发现腐蚀速率服从正态分布N (013968,011412)。

利用腐蚀剩余强度评价确定的极限缺陷尺寸数据,在可靠性理论的基础上对 273mm×6(7)mm输油管道的腐蚀剩余寿命进行了预测,发现在低、中风险地段,管道使用5～6年后,需要检测和维修;在高风险地段,管道使用4～5年就需要检测和维修。

建议应对此输油管道加强防腐,严把防腐质量关。

主题词　输油管道　腐蚀　剩余寿命　预测　可靠性
某 273mm×6(7)mm输油管道于1988年8月
开始建设,1989年9月一期工程建成投产,二期工程于1990年11月全部投入使用。

管线采用钢级为X52的直缝钢管,设计最大输油量105×104t/a,最小输油量55×104t/a,设计工作压力6128MPa,输送介质温度低于80℃,设计寿命20a。

管线实际运行温度为56℃,压力为510～518MPa,输油量为125～137m3/h。

此输油管道虽然建成时间不长,但由于管线周围环境恶劣,地形起伏多变,腐蚀现象十分严重。

对管线大修挖开的部分管线进行统计,腐蚀的平均深度和最大深度分别为:1994年平均腐蚀深度为119mm,最深为3mm;1995年平均腐蚀深度为2143mm,最深达510mm;1996年平均腐蚀深度为2164mm,最深达410mm。

1997年漏磁检测结果表明,深度在310mm以上的腐蚀点就有213处,可见管线腐蚀情况非常严重,对此管线进行腐蚀剩余寿命预测已迫在眉睫。

腐蚀剩余寿命预测思路
油气输送管道腐蚀剩余寿命预测是管道安全评价的重要组成部分,它直接关系到管道检测、维修和更换周期的确定。

然而,由于腐蚀剩余寿命预测工作中存在着许多不确定因素,包括环境、力学和材质状况等因素,都难以取得准确结果,尤其是实际工况条件下的缺陷发展规律很难确定,造成腐蚀剩余寿命预测工作相对于剩余强度评价难度增大,从目前研究状况来看也相对不成熟。

例如,在现行适用性评价标准CEG B R6[1]、PD6493[2]以及最新发布的API579草案[3]中,对寿命预测方法仅提供了简单的指导性作法,实际使用中可操作性差。

因此,腐蚀剩余寿命预测一直是困扰管道评价人员的一大难题,发展较慢。

笔者利用此管道历年来近千个腐蚀大修缺陷尺寸数据(主要是腐蚀深度数据),统计出管线的腐蚀
第28卷　第2期石　油　机　械 2000年
Ξ
ΞΞ罗金恒,工程师,生于1972年,1997年毕业于西安交通大学材料科学与工程学院,获硕士学位,现从事石油管道及重大装备劳动卫生安全评价工作。

地址:(710065)陕西省西安市。

电话:(029)8214211-3405。

(收稿日期:1999-06-07;修改稿收到日期:1999-08-20)中国石油天然气集团公司九五项目(油气管道检测与安全评价技术研究)。

速率分布,并基于可靠性理论对 273mm ×6(7)mm 输油管道的腐蚀剩余寿命进行了预测。

预测思路如图1所示。

图1　腐蚀剩余寿命预测思路
腐蚀速率概率分布模型的建立
1.腐蚀速率分布的统计
统计1994～1996年 273mm ×6(7)mm 输油管
道大修时的近千个腐蚀缺陷深度数据,并除以相应的管道服役时间,得到腐蚀速率数据,画成图2所示的直方图。

从图2可看出, 273mm ×6(7)mm 输油管道缺陷的腐蚀速率位于013～015mm/a 之间的最多,高于015mm/a
和低于013mm/a 的都逐渐减少。

图2　腐蚀速率分布直方图
2.腐蚀速率概率分布模型的建立与验证
从图2可看出, 273mm ×6(7)mm 输油管道的腐蚀速率分布大致为一种正态分布,因此要对分布类型先提出假设,然后利用概率论知识进行验证。

(1)均值μ和方差σ2
的计算　由极大似然估计法,可求出腐蚀速率为正态分布的均值μ和方差σ2,即
μ=013968　(mm/a )
σ2=010199　(mm/a )2
(2)腐蚀速率为正态分布的验证　腐蚀速率
分布的验证利用常用的χ2-检验法(非参数检验法的一种)。

假设总体分布X ～N (013968,010199),将频数太小的区间并入相邻的区间,共分成6个区间计算概率,所得结果见表1。

表1　χ2-检验法结果一览表
A i n i p i np i n i -np i (n i -np i )2/np i
012<x 660108226　73154　-7154
01773012≤x <0131500116284145158414201134013≤x <0142450126290235103919701423014≤x <01524201259302311811011901448015≤x <0161380115777141105-310501066016≤x
530107493
66199
-13199
21921∑
894
41765
注:x 为腐蚀速率;A i 为以腐蚀速率划分的区间;n i 为处于A i 中的腐蚀速率频度(图2所示);p i 为根据X ～N
(013968,010199)分布确定的处于A i 中的腐蚀速率概率;n =894(腐蚀速率统计的总个数)。

取显著性水平α=0105,查χ2-分布表,由费歇定理,知其自由度为6-2-1=3,χ2(3)=
71815,拒绝域应为[71815,∞
),由于χ2的计算值为41765,没有落入拒绝域,因此在水平α=0105下,腐蚀速率服从正态分布N (013968,011412)。

极限缺陷尺寸的确定
273mm ×6(7)mm 输油管道极限缺陷尺寸的计算利用API RP579[3],取管道外径D =273mm ,管道壁厚t 取较小值6mm ,屈服强度(σs )取三个试样的最小值394MPa ,压力取实际运行压力的较高值518MPa ,焊缝系数E 取110[4]。

为了简化分析,计
算时将对管道剩余强度不敏感的缺陷轴向和周向尺寸固定,对应于现场缺陷开挖的实际情况,将缺陷
轴向和周向尺寸取为两种情况,分别为400mm ×300mm 、1500mm ×环向一周。

由于不知道缺陷具体
的厚度分布,为保守起见,假设为矩形分布。

不考虑地区类别,按照100%屈服强度计算,所得极限
缺陷尺寸(极限深度尺寸)的结果见表2。

表2　输油管道缺陷极限深度尺寸的计算结果
腐蚀区域400mm ×300mm
1500mm ×环向一周
极限深度尺寸(mm )
41227
41218
腐蚀剩余寿命的预测
1.可靠性寿命预测思路
随着管线服役年限的增加,腐蚀缺陷逐渐长大。

根据可靠性理论[5],通过对腐蚀缺陷尺寸和腐蚀发展规律的统计,可以给出管道腐蚀失效的概率
1
3第28卷　第2期罗金恒等:输油管道腐蚀剩余寿命的预测
统计分布规律,其思路如图3所示。

其中图3a 对应的是时间1的失效概率P f ,其值很小,随着时间的推移,发展到时间2,失效概率P f 为图3b 中的相交区域,可以看出,随着时间越往后发展,失效概率P f 越大。

若通过确定合适的可接受失效概率,就可对管道的剩余寿命预测,据此确定正确的管道检测和维修周期。

图3　管道腐蚀失效概率统计图
2.管道随服役年限变化的失效概率分布
根据 273mm ×6(7)mm 输油管道腐蚀速率的概
率分布和腐蚀缺陷的极限尺寸,按照图3的思路,就可将管道的失效概率随服役时间变化的规律绘制成如图4所示的曲线。

比较图4a 与图4b ,可发现两图具有某些共同点,即随着管道服役年限的增加,管道的失效概率逐渐增加,而且都有一个从小到大快速增长的转折点。

因此,通过确定可接受的失效概率,根据图4就可以估计管道的剩余寿命,从而确定合适的检测周期和维修周期。

另外,还可以看出即使缺陷的腐蚀区域变化较大,但是对使用年限相同的管道,失效概率却几乎没有改变。

a.腐蚀区域为400mm ×
300mm
b.腐蚀区域为1500mm ×环向一周
图4　管道腐蚀失效概率随时间变化的规律曲线
3.腐蚀剩余寿命的预测
参照API RP579的思路,将管道经过的不同地
段划分为低风险地段、中风险地段和高风险地段三种类型。

这样,不同地段管道可接受的失效概率可取为不同的数值,见表3。

表3　不同风险地段管道可接受的失效概率数值
地段类别低风险地段中风险地段高风险地段
可接受的失效概率
213×10-2
10-3
10-5
根据表3和图4,就可预测 273mm ×6(7)mm
输油管道的腐蚀剩余寿命,从而确定出管道维修和检测周期,结果见表4。

表4　输油管道的腐蚀剩余寿命预测结果
地段类别
低风险地段213×10-2中风险地段10-3高风险地段
10-5
腐蚀剩余寿命(a )400mm ×
300mm 5～65～64～51500mm ×一周
5～6
5～6
4～5
结论及建议
(1)利用 273mm ×6(7)mm 输油管道历年来的
腐蚀大修缺陷尺寸数据,统计出了管道的腐蚀速率分布,发现腐蚀速率分布服从正态分布N (013968,011412)。

(2)通过确定不同风险地段管道可接受的失效概率,对 273mm ×6(7)mm 输油管道进行了可靠性腐蚀剩余寿命预测。

发现在低、中风险地段,管道使用5～6年的时间,需要进行检测和维修;在高风险地段,管道经过4～5年的时间,就需要进行检测和维修。

(3)基于 273mm ×6(7)mm 输油管道高的腐蚀速率,应对此输油管道加强防腐,严格把好防腐质量关。

参　考　文　献
1　Milne ,Ainsw orth R A ,D owling A R ,et al.Assessment of the
integrity of structures containing defects.Int.J.Pressure Vessels and Piping ,1998,32:2～104
2　BSI PD6493G uidelines on Method for Assessment of the
Acceptability of Flaws in Fusion Welding S tructures ,19913　Draft API RP 579API Recommended Practice for Fitness -for
-service
4　AS ME B3118G as T ransmission and Distribton Pipling Systems ,
1989:39
5　金国梁,陈　琳,张爱林等.可靠性与优化及其在石油工
业中的应用.北京:中国科学技术出版社,1992:91～99
(本文编辑　郑　重)
23 石　油　机　械2000年。