油气输送管道凹坑修复判定准则_达人艾里

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油气输送管道凹坑修复判定准则

(2013-07-10 09:58:37)

标签：

管道完整性

资产完整性

油气管道

管道内检测

分类：技术

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 天祥集团工业部，上海，201203；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

Oil and Gas Pipeline Dent repair Criteria

Alex Song¹，Fan zhaocun²，Zhao Liheng³

（1 Intertek IS., Shanghai, 201203；2 Sinopec Shengli Oil Field Oil and Gas Gathering Company，Dongying, 257061; 3 Sinopec Shandong Natural Gas pipeline limited company, Jinan, 250101）

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.

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。

图1 管道凹坑示意图

Figure1 Pipeline Dent drawing

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。

图2 49 CFR 195凹坑修复判定准则

Figure 2 49 CFR 195 Dent Repair Criteria

图3 ASME B31.4-2009 凹坑修复判定准则

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^[4]（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 B31.8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。

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，是管道的初始半径，等于管道直径的一半，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。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、轴向弯曲应变、轴向拉伸应变分别为公式（1）-（3）。

（1）

（2）

（3）

其中，为管道壁厚，mm；为凹坑深度，%OD；为凹坑长度，mm。

则凹坑处管道内表面应变和外表面应变为公式（4）-（5）。

（4）

（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。

图7尖锐凹坑应力分布

Figure7 Sharpened Dent Stress Distribution

图8平滑凹坑应力分布

Figure8 Smooth Dent Stress Distribution

4 案例分析

某原油管道经过漏磁内检测发现一处位于螺旋焊缝上且深度为5.97%管道直径的凹坑，检测信号见图9，对其开挖进行超声检测未发现裂纹存在，根据ASME B31.8-2010 附录R对凹坑处曲率测量结果进行应变计算得到凹坑处应变为4.2%。按照本文中上述的凹坑深度修复判定准则可以判定该凹坑需要修复，49 CFR 195要求在180内修复（凹坑影响焊缝且深度超过2%管道直径），若按照应变修复判定准则，由于上述液体管道标准没有给出相应的应变要求，则可以参照气体管道应变要求，要求修复（焊缝处应变大于4%）。

图9 凹坑检测信号

Figure9 Dent Inspection Signal

如果管道运营者想更详细的了解凹坑处的应力状况，以进行更有效的风险分析，就需要进行更高级别的评估，也就是采取有限元分析的方法。该凹坑的有限元模型见图10，选用3MPa的内压进行模拟计算，凹坑处应力模拟结果分布见图11，可见凹坑处最大应力为435MPa，小于材料的屈服应力水平445MPa，即该凹坑可以承受3MPa以上的内压，而目前该管道的实际最大运行压力为2.5MPa，小于凹坑处的失效压力，因此，如果修复条件不允许可以对其采取继续监控的措施，一旦条件允许或者管道操作条件改变，采取相应的修复措施，及早消除风险，确保管道的安全运行。

图10 凹坑有限元模型

Figure10 Dent FEA Model

图11 凹坑应力分布

Figure11 Dent Stress Distribution

5 结论及建议

本文系统的分析了已有的凹坑修复判定准则相关标准，包括美国联邦法规49 CFR 195、49 CFR 192和ASME标准B31.4、B31.8，给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。

（1）美国联邦法规和ASME标准在凹坑修复判定方法本质上是一致的，由于管道顶部的凹坑有可能是第三方施工造成的，其危害程度要高于管道底部的凹坑采用美国联邦法规区别对待顶部和底部凹坑的方法相对合理。

（2）凹坑应变判定准则相对深度判定准则更加准确，应尽可能采取有效措施测量计算出凹坑处的应变大小，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。

（3）采用有限元模拟进行了平滑凹坑与尖锐凹坑的对比分析，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，且在尖锐凹坑区域出现了高应力和低应力集中的状态。

（4）以某原油管道深度为5.97%管道直径的凹坑为例，分别采用凹坑深度修复判定准则和应变修复判定准则进行了判定，49 CFR 195要求在180内修复。但依据该凹坑的有限元模拟结果，可以承受3MPa以上的内压，高于该管道目前的实际最大运行压力，如果修复条件不允许可以对其采取继续监控的措施。

（5）液体管道运行压力波动明显，更易受到压力循环导致的凹坑疲劳问题。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%管道直径要求是60天内修复，而49 CFR 192没有修复要求。

（6）结合美国联邦法规和ASME关于液体管道和气体管道凹坑的修复判定准则，以及国内管道的实际运行情况、管道检测数据分析及提交时间等，建议液体管道凹坑参照图12给出的修复判定准则，气体管道凹坑参照图13给出的修复判定准则，将凹坑修复等级分为立即修复、1年内修复优先顺序1、1年内修复优先顺序2和不需要修复四个等级，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。