在役天然气输气管道腐蚀状态及安全分析.pdf

焊管．第3 1 卷第6 期．2 0 0 8 年1 1 月 8 1 ●管道建设 在役天然气输气管道腐蚀状态 及安全分析 闰琳1 ，宋旭1 ，牛靖1 ，胡兴民2 ，张建勋1 1 ．西安交通大学材料学院，西安7 1 0 0 4 9 ； 2 ．长庆公司靖边第一采气厂，陕西靖边7 1 9 0 0 0 摘要系统地研究了靖边天然气在役输气管道的腐蚀现状及安全性，根据在役管道不同形 式的腐蚀缺陷，运用第四强度理论对A S M EB 3 1 G - - 1 9 9 1 标准进行修正，并运用修正后的标准， 依据管道腐蚀检测数据计算管道的失效压力，进而对靖边管道进行评定，以确定管道的安全状 况。评定结果显示，在役腐蚀管道存在的缺陷在目前运行压力下允许存在，且管道处于安全运 行状态。 关键词腐蚀管道；A S M EB 3 lG ；安全评价 中图分类号T E 9 8 8 文献标志码B 文章编号1 0 0 1 3 9 3 8 2 0 0 8 0 6 0 0 8 1 0 4 天然气管道输送在国民经济中占有极为重要 的战略地位，因此天然气管道的可靠性研究越来 越受到重视。然而，输气管道在生产及使用过程 中不可避免会产生一些缺陷。体积型缺陷作为管 道缺陷的一种重要存在方式，主要包括腐蚀坑、划 槽、局部减薄等⋯。缺陷会导致管道的局部应力 集中及壁厚减薄，一旦管道发生事故，将会造成巨 大的经济损失，因此，有必要对石油天然气在役管 道适时进行安全评定，然后根据评定结果对管道 进行分析，做出管道是否继续服役、更换或维修的 决策心J ，从而科学地指导管道的维修计划和安全 生产管理。 2 0 世纪9 0 年代美国机械工程师学会 A S M E 颁布了修正的B 3 1 G 准则即A S M E B 3 1 G _ 1 9 9 l 标准。它是评估腐蚀管道的最初的 和最基本的方法，也是一些规范的基础口。J 。 笔者采用A S M EB 3 1 G 1 9 9 l 标准，研究了靖 边地区某天然气集输站管道的腐蚀情况，以其水 压爆破试验作为验证基础，对其进行安全评定及 分析，并对A S M EB 3 1 G 1 9 9 l 标准的保守性【6 7 o 进行了改进，系统地研究了靖边天然气在役管道 的腐蚀现状及安全性。 1 在役输气管道腐蚀分析 以靖边输气管道的原料气主线和复线 1 。和 2 。 及产品气主线和复线 3 。和4 。 为研究对象， 采用截取管道直接检测的方法对其进行腐蚀检 测。结果表明，4 条管道腐蚀特征以传送介质冲 刷形成的均匀腐蚀为主，管道周向壁厚均有不同 程度的减薄。轴向划痕也广泛分布于管道内壁， 有的划痕贯穿整个管道，但不同管道的具体腐蚀 情况也各自具有一定的特性。 1 ．1 原料气主、复线检测结果对比 原料气主线内壁的腐蚀特征为圆点状的蚀 坑，主要是因为密布的砂眼状细小腐蚀点密集分 布，且连成片形成小凹坑；管道内壁还分布较多长 短不一的划痕，部分区域划痕密集程度较大，划痕 沿轴向最大长度达3 5 0i n m ，见图1 a 。 原料气复线内壁分布有大片凹凸不平的腐蚀 斑点，形貌尤为明显，它是由许多形状不规则的凸 起、凹槽和腐蚀坑相互交错连接形成，所以形貌凹 凸不平，并且复线管道内壁局部区域有少量明显 腐蚀凹坑，凹坑直径达7 ．5m m ，典型的凹坑形貌 见图l b 。 万方数据 8 2 焊管 2 0 0 8 年1 1 月 局部划痕 a 原料气主线 局部凹坑 b 原料气复线 图1 原料气主、复线腐蚀特征形貌 另外，二者璧厚减薄也有明显差别，原料气主 线平均壁厚减薄量为1 ．5 7m m ，复线为0 ．8m m ， 原料气主线壁厚减薄量明显大于原料气复线，主 要原因是，主线投运时间比复线早，且两条管线职 能不同，致使壁厚减薄情况存在差异。 1 ．2 产品气主线、复线检测结果对比 产品气主线、复线管道的工作介质均为净化 天然气。产品气主线管道的主要腐蚀特征是凹凸 不平的腐蚀斑痕，如图2 a 所示，且广泛分布于 管道内壁，腐蚀产物为黑色坚硬物质。斑痕出现 的主要原因是由于壁面黑色坚硬物质在局部区域 剥落，形成边缘清晰的凹坑。主线管道内壁半周 划痕较多，且沿轴向平行分布，划痕深度较浅，密 集程度低，最长划痕贯穿整个管道内壁。 产品气复线内壁表面形貌最大特点是整个壁 面分布有一层黑色坚硬物质，此黑色表皮成片出 现，很坚硬，不易剥落，部分地方剥落后，表面变得 斑驳。复线内壁还分布有很多轴向长划痕，划痕分 布较长，最长的几乎贯穿整个管道，但划痕深度较 浅，长划痕上覆盖着黑色硬皮，部分黑色硬皮剥落 部位露出的是遍布划痕的基体金属，它们广泛分布 于复线管道内壁，密集程度较低，如图2 b 所示。 局部斑痕 a 产品气主线 黑色硬皮 b 产品气复线 圈2 产品气主、复线的腐蚀特征形貌 另外，二者壁厚腐蚀减薄量也存在一定的差 异产品气主线的平均壁厚减薄量达到2 ．5 9m m ， 而复线只有1 ．3 2m m ，产品气主线壁厚减薄量明 显大于产品气复线，这也是由服役时间及职能的 差别引起的。 1 ．3 原料气管道与产品气管道的检测结果对比 由于原料气与产品气的成分以及其中引起管 道腐蚀的气体成分差别较大旧1 原料气中H s 和 C 0 2 成分含量比产品气中H S 和C 0 2 成分含量 高很多 ，这必然造成管道腐蚀情况不同，进而引 起管道寿命不同。原料气管道与产品气管道腐蚀 形貌的差别主要是内壁的点蚀坑，对于原料气管 道来说，出现较密集的点蚀分布意味着在壁厚减 薄相差不大的情况下，更容易引起管道的穿孔泄 露失效；另外，在差别不大的工作压力下，由输送 介质冲刷引起的管道内表面划痕的形貌也相差 不大。 基于以上对靖边管道腐蚀情况的分析，选用 普遍适用于评价腐蚀管道的A S M EB 3 1 卜1 9 9 l 标准，对靖边腐蚀管道进行剩余强度的评价。 2 腐蚀管道剩余强度评价方法 A S M EB 3 1G _ 1 9 9 1 标准在分析受内压作用 并具有轴向腐蚀的管道时，主要考虑环向应力，认 为主要是环向应力影响管道的失效，然而在实际 情况中，评价管道剩余强度时，应考虑更加复杂的 受力情况，某些情况下轴向应力无法完全忽略。 靖边天然气输气管道为2 0 ’管道用钢，为高韧性 材料，通常情况下以塑性流动的形式破坏，考虑轴 向应力和环向应力的共同作用，按第四强度理论 确定极限载荷，对A S M EB 3 1 D 一1 9 9 1 标准进行修 正，以适应靖边天然气输气腐蚀管道的安全评定 与分析，改善其保守性归o 。 修正后A S M EB 3 1G 一1 9 9 1 规范的失效压力 2 ．3 1 t o “ n 。。 p2 矿 其中 R ． R 。 口f l o w2 虿～ 1 0 ．8 5 旦 卜o ．8 5 t 志l√』V 。 万方数据 第3 1 卷第6 期同 琳等在役天然气输气管道腐蚀状态及安全分析 当r ／D t ≤5 0 时 r 2／- 4 肘t [ 1 0 ．6 2 75 轰一0 0 0 33 7 5 舞] ； 当L 2 ／D t 5 0 时 ，2 M r2 0 0 3 2 岔 3 3 。 式中p 一失效爆破压力，M P a ； ￡一缺陷的轴向长度，m m ； ‘一管道公称壁厚，m m ； 扣缺陷深度，m m ； D 一管道外径，m m ； 坼一F o l i 鹪系数； R 一材料的屈服强度，M P a ； 尺。一材料的抗拉强度，M P a ； 盯‰一材料的流动应力，和屈服强度有关 的材料特性，M P a 。 依据英国天然气协会的研究结果，当缺陷长 度超过管道直径的7 5 ％时，缺陷长度对剩余强度 不再影响旧o ，当缺陷长度 7 5 ％管径时，取管径 的7 5 ％作为缺陷长度[ 3 1 ；当缺陷长度≤7 5 ％管 径时，取实际测量值。 3 腐蚀管道安全评定与分析 基于以上对在役腐蚀管道腐蚀形貌与状态的 分析，运用修正后的A S M EB 3 l G 1 9 9 l 标准对各 个管道进行安全评定，并以水压爆破试验所获得 的重要压力数据作为综合评定服役过程中管道使 用寿命的依据。 3 ．1 水压爆破试验 水压爆破试验是评价石油天然气管道剩余寿 命的试验方法之一，通过水压试验能综合评定服 役过程中管道材料腐蚀、性能变化等因素对其使 用寿命的影响，同时，水压试验的进行能为管道的 安全计算提供重要的综合压力数据。为此，本文 专门就4 条天然气管道的取样管道进行了水压试 验，试验结果见表l ，在满足水压试验要求的前提 下，增加水压直至管道破裂，对其变形及缺陷暴露 情况进行了现场统计、记录，并采集了试验管道的 爆破压力及试验中获得的重要压力试验数据，对 目前在役的相关管道的运行及维护提供必要的 参考。 表l水压爆破试验结果及管道运行压力M P a ”管道爆破运行管道爆破运行 编号压力 压力编号 压力 压力 1 。 2 8 ．3 2 4 ．93 0 2 6 ．0 7 4 ．8 氛2 。 2 8 ．3 4 4 ．94 3 0 ．2 44 ．6 3 ．2 腐蚀管道失效压力计算 从腐蚀分析可知，管道腐蚀形貌以均匀腐蚀 为主，并且由于输送介质及管道作用存在差异，各 个管道内壁均出现了不同的局部腐蚀形貌，依据 腐蚀缺陷的深度和大小，运用修正后的A S M E B 3 l G 一1 9 9 l 规范，求得腐蚀管道可以承受的最大 允许工作压力，见表2 。 表2 腐蚀管道可承受的最大允许工作压力 A S M EB 3 1 卜1 9 9 1 标准主要考虑由缺陷引起 的壁厚减薄条件下保证管道安全运行的最大压力。 3 ．3 腐蚀管道失效分析 结合管道实际腐蚀情况及表2 所得数据可知 1 原料气主线管道内壁部分区域轴向划痕 分布密集，且划痕较深，此缺陷相对于均匀腐蚀， 对当前管道剩余寿命的影响较大。 2 原料气复线管道由于腐蚀斑点是由许多 形状不规则的凸起、凹槽和腐蚀坑相互交错连接 形成，所以相较于管道内壁存在的单个腐蚀坑及 均匀腐蚀现象，腐蚀斑点对管道的局部影响较大。 3 产品气主线管道内壁局部斑痕处为管道 的薄弱环节，此缺陷是由黑色硬皮剥落后形成，相 对于轴向划痕更广泛地分布于整个管道内壁，且 管道内壁由于局部斑痕的存在而显得凹凸不平。 4 轴向划痕贯穿于整个管道内壁，且附于 黑色硬皮之下，此缺陷对当前管道的影响比较大， 划痕处朱效压力最小。 万方数据 8 4 焊管 2 0 0 8 年1 1 月 综上所述，各个管道的薄弱环节均在局部腐 蚀处，对管道剩余强度起决定因素的也是最严重 的局部腐蚀，这与工程实际 管道破坏通常发生 在局部腐蚀处 是一致的。 3 ．4 安全评定与分析 用靖边在役管道目前运行压力、水压爆破压 力及运用修正后的A S M EB 3 l G 1 9 9 l 标准计算 数据，对管道最小失效压力进行对比分析，结果如 图3 所示。 图3 管道运行压力、爆破压力及失效压力比较 结合图3 ，当在役腐蚀管道运行压力低于失 效压力时，即认为所要评定的缺陷可以接受，管道 在当前运行压力下是安全的。所以，由图3 可知， 目前靖边各个管道还处于安全运行状态，且缺陷 可以接受，管道可继续服役，无需更换或拆除。另 外，从图中也可以得知基于爆破压力的安全裕度。 图4 为A S M EB 3 1G 一1 9 9 l 修正前后保守性分析， 从图中可以看出对A S M EB 3 l G 1 9 9 l 标准进行 修正后其保守性得到改善。 图4A S M EB 3 1 G - - 1 9 9 1 修正前后保守性分析 4 结论 通过对靖边地区某天然气集输站管道的腐蚀 状态分析，采用改进的A S M EB 3 1 卜1 9 9 l 标准。 系统地研究了其安全性。结果表明 1 原料气和产品气在役管道腐蚀特征以传 送介质冲刷形成的均匀腐蚀为主，管道壁厚均有 不同程度的减薄。轴向划痕分布于管道内壁，有 的划痕贯穿整个管道。此外，管道内壁还存在局 部凹坑和腐蚀斑痕等典型腐蚀形貌。 2 基于爆破试验结果，运用第四强度理论对 A S M EB 3 1G 1 9 9 1 规范进行修正后计算结果对原 规范的保守性有很大的改善，更加接近实际值，能 更好地符合试验结果，计算得到的失效压力低于实 际爆破压力，说明修正后还有一定的安全裕度。 3 尽管在役管道内壁出现了多种腐蚀缺 陷，且这些缺陷对管道均有不同程度的影响，然而 经过评定，检测出的缺陷在当前运行压力下是允 许存在的，且管道当前运行压力远远低于其失效 压力。因此，被检测管道目前还处于安全运行状 态，可继续服役，无需进行维修或更换。 参考文献 [ 1 ] 庄传晶，冯耀荣，李鹤林，等．含缺陷石油管道极限承 载能力分析[ J ] ．石油机械，2 0 0 1 ，2 9 5 6 8 ． [ 2 ] C A L E Y OF ，G O N Z A L E ZJL ，H A L L E NJM ．AS t u d yo n t h eR e l i a b i l i t yA s s e s s m e n tM e t h o d o l o g yf o rP i p e l i n e sw i t h A c t i v eC o r r o s i o nD e f e c t s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f P r e s s u r eV e s s e l sa n dP i p i n g 。2 1 0 2 ．7 9 1 7 7 8 6 ． [ 3 ] A N S I ／A S M EB 3 1G _ 1 9 9 l ，M a n u a lf o rD e t e r m i n i n gt h e R e m a i n i n gS t r e n g t ho fC o r r o d e dP i p e l i n e s [ S ] ． [ 4 ] A N S I ／A S M EB 3 1 p 1 9 8 4 ，M a n u a lf o rD e t e r m i n i n gt h e R e m a i n i n gS t r e n g t ho fC o r r o d e dP i p e l i n e s [ S ] ． [ 5 ] W UHS ，Z H O N GQP ．A s s e s s m e n to ft h eI n t e g r i t yo f S t r u c t u r eC o n t a i n i n gD e f e c t s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f P r e s s u r eV e s s e l sa n dP i p i n g ，1 9 9 8 ，7 5 4 3 4 3 3 4 6 ． [ 6 ] 帅健，张春娥，陈福来．腐蚀管道剩余强度评价方法的 对比研究[ J ] ．天然气一I 业，2 0 0 6 ，2 6 11 1 2 2 1 2 5 ． [ 7 ] 郑洪龙，吕英民，杨伟，等．腐蚀管道修正B 3 1 G 评定 方法研究[ J ] ．压力容器，2 0 0 4 ，2 1 4 1 7 1 9 ． [ 8 ] 赵新伟，罗金恒，郑茂盛，等．点腐蚀损伤管道剩余强度 的评价方法[ J ] ．机械工程材料，2 0 0 6 ，3 0 6 2 6 2 9 ． [ 9 ] 宋旭，张振文，闩琳，等．基于管道爆破试验对A S M E B 3 1 G 标准中相关参数的修正[ J ] ．焊管，2 0 0 8 ，3 1 1 8 4 8 7 ． 作者简介闫琳 1 9 8 3 一 ，女，西安交通大学硕士研究生， 从事管道强度与安全性研究工作。 收稿日期2 0 0 8 0 6 2 9 编辑刘志军 万方数据