王 猛， 趙冬巖

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

基于DNV-RP-F101規(guī)范的腐蝕海底管道強(qiáng)度評估研究

王 猛， 趙冬巖

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

近年來海底管道由于腐蝕缺陷造成失效的事件有增多的趨勢。為了評估在管道發(fā)生腐蝕后失效的風(fēng)險(xiǎn)性，對DNV-RP-F101的腐蝕管道強(qiáng)度評估方法進(jìn)行研究，通過算例對影響強(qiáng)度評估的關(guān)鍵因素進(jìn)行了敏感性分析，并對DNV-RP-F101和DNV-OS-F101的關(guān)系進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，影響強(qiáng)度評估結(jié)果的三個(gè)主要因素中，缺陷檢測數(shù)據(jù)誤差對評估結(jié)果影響最大。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，屈強(qiáng)比對評估結(jié)果的影響可忽略。

海底管道；腐蝕缺陷；強(qiáng)度評估

0 引 言

隨著國內(nèi)海洋工程的發(fā)展，我國在役海底管道總長度已超過6000km。但由于運(yùn)營維護(hù)技術(shù)和管理上的原因，多數(shù)管道自從投產(chǎn)以來未進(jìn)行任何清管、通球等基本的維護(hù)活動(dòng)。20%的海底管道無法進(jìn)行內(nèi)檢，管道的腐蝕和強(qiáng)度現(xiàn)狀對管道安全運(yùn)行存在重大影響。腐蝕導(dǎo)致管道壁厚減薄,使管道承壓能力降低且引起應(yīng)力集中。當(dāng)腐蝕缺陷的深度和數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，為維護(hù)管道而進(jìn)行的修復(fù)、停工將造成經(jīng)濟(jì)損失。更為嚴(yán)重的是管道發(fā)生破裂，引發(fā)事故。因此，國內(nèi)對缺陷檢測和評估的需求日益迫切。

對管道缺陷的檢測和評估技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了40年，并形成了成熟的規(guī)范。美國Battlle研究所根據(jù)斷裂力學(xué)理論和爆裂試驗(yàn)結(jié)果提出了半理論半經(jīng)驗(yàn)公式NG-18[1]；美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)在此基礎(chǔ)上建立了腐蝕管道評估規(guī)范ASME B31G[2]；Kiefner等[3]在NG-18的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了修正，將短腐蝕近似為拋物線形腐蝕，而將長腐蝕近似為矩形腐蝕，稱之為改進(jìn)的B31G方法；Fu等[4]釆用非線性有限元模擬分析腐蝕管道承壓狀態(tài)，證明基于應(yīng)力失效準(zhǔn)則的非線性有限元分析方法能較為準(zhǔn)確地預(yù)測腐蝕管道的極限內(nèi)壓；挪威船級社(DNV)對腐蝕海底管道進(jìn)行一系列數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,并結(jié)合英國天然氣公司的研究成果,形成了DNV-RP-F101腐蝕管道剩余強(qiáng)度評估推薦規(guī)范[5]。該規(guī)范考慮了軸壓和彎曲荷載的影響,建立了新的腐蝕管道評價(jià)體系。

本文對DNV-RP-F101的缺陷評估方法進(jìn)行研究；通過算例對影響腐蝕管道強(qiáng)度評估的因素進(jìn)行敏感性分析；對在役管道評估的兩個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)DNV-RP-F101[5]和DNV-OS-F101[6]的關(guān)系進(jìn)行了探討。

1 腐蝕缺陷

從缺陷分布方向分類，腐蝕缺陷可劃分為徑向缺陷和環(huán)向缺陷。徑向缺陷延管軸方向分布；環(huán)向缺陷延管環(huán)向分布?，F(xiàn)有的強(qiáng)度評估模型一般基于典型缺陷形式。為評估缺陷管道的承壓能力，需對缺陷形狀進(jìn)行簡化。DNV-RP-F101按矩形邊界計(jì)算管壁減薄，如圖1所示。

圖1 矩形邊界金屬缺陷Fig.1 Rectangular shaped metal loss defect

管壁的某一個(gè)區(qū)域內(nèi)，可能存在多個(gè)缺陷。如果各缺陷間距滿足一定條件，則應(yīng)按缺陷相互作用考慮。當(dāng)相鄰環(huán)向缺陷角間距φ>360(t/D)0.5或相鄰缺陷軸向間距s>2(Dt)0.5時(shí)(見圖2；式中D為管道外徑，t為管道壁厚)，缺陷可作為獨(dú)立缺陷進(jìn)行評估。否則應(yīng)考慮缺陷的相互作用。由于篇幅限制，本文僅討論單一缺陷。

圖2 相互作用缺陷Fig.2 Interacting defects

2 評估模型

2.1 復(fù)雜模型

已有的管道強(qiáng)度評估模型是結(jié)合有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果獲得的。JIP研究項(xiàng)目進(jìn)行了12個(gè)帶有缺陷的全尺寸管道內(nèi)壓試驗(yàn)，并同時(shí)進(jìn)行了三維(3D)非線性有限元分析[7]。BG Technology公司的研究項(xiàng)目進(jìn)行了70個(gè)缺陷管道的內(nèi)壓試驗(yàn)，缺陷形式包括單一缺陷和相互作用缺陷[4]。BG項(xiàng)目也進(jìn)行了有限元分析并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證[5,7]。DNV-RP-F101的評估模型基于以上兩個(gè)項(xiàng)目的研究成果。

對于只考慮內(nèi)壓的徑向單一、矩形邊界缺陷，管道破裂壓力公式如下：

Pcap=YlabYFEAPfit，

(1)

(2)

式中：Pcap為管道破裂壓力；Ylab為有限元分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的bias值；Pfit為按有限元分析結(jié)果確定的擬合函數(shù)；YFEA為Pfit與數(shù)值有限元分析的bias值；YB為有限元中邊界條件系數(shù)；σu為缺陷處拉伸強(qiáng)度；d為缺陷深度；z=L/(Dt)0.5，L為缺陷長度；d/t為缺陷深度壁厚比；f1和f2為曲線擬合函數(shù)。

式(1)和式(2)可非常準(zhǔn)確地評估缺陷管道的破裂壓力[8]。DNV完成的有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對比的概率分析結(jié)果顯示，Ylab和YFEA的均值均為1，協(xié)方差分別為8%和2%[7]。按式(1)和式(2)評估需要進(jìn)行有限元分析并與試驗(yàn)比較，然后通過數(shù)據(jù)回歸分析獲得準(zhǔn)確的破裂壓力，流程復(fù)雜。

2.2 簡化模型

為簡化評估流程，DNV-RP-F101還給出簡化模型如下：

(3)

式中：Xm為模型的準(zhǔn)確度系數(shù)；Q=(1+0.31z2)0.5。簡化模型將Ylab、YFEA和YB替換為單一系數(shù)Xm，擬合函數(shù)f1替換為Q，取消擬合函數(shù)f2。Xm按正態(tài)分布，均值為1.05，協(xié)方差為9.5%[5]。

為保證式(3)與DNV-OS-F101的分項(xiàng)安全系數(shù)設(shè)計(jì)方法一致，通過可靠度分析確定分項(xiàng)安全系數(shù)法的破裂壓力公式如下：

(4)

式中：γm為分項(xiàng)安全系數(shù)；fu為拉伸強(qiáng)度(考慮溫度折減效應(yīng))；γd為缺陷深度安全系數(shù)；(d/t)*=(d/t)meas+εd·Std(d/t)，(d/t)meas為缺陷深度比測量值，εd為缺陷深度的分位值系數(shù)，Std(d/t)為缺陷深度比標(biāo)準(zhǔn)差。如果γd。(d/t)*≥1，則Pcorr=0。因此，測量缺陷深度比應(yīng)滿足(d/t)meas≤1/γd-εd·Std(d/t)，測量缺陷深度比不超過85%。

(5)

3 敏感性分析

從評估模型可以看出，決定管道破裂強(qiáng)度的主要因素為模型準(zhǔn)確度、缺陷數(shù)據(jù)、檢測誤差和管道屬性。以表1所示管道參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

表1 管道參數(shù)

3.1 模型準(zhǔn)確度

分項(xiàng)安全系數(shù)評估標(biāo)準(zhǔn)將模型準(zhǔn)確度表達(dá)為管道的安全等級。DNV-RP-F101中安全等級與DNV-OS-F101的定義是一致的，按失效后果分類，劃分為： 非常高、高、中等和低。對應(yīng)的年失效概率分別為<10-6， <10-5， <10-4和<10-3。評估模型中使用γm作為模型準(zhǔn)確度的分項(xiàng)安全系數(shù)。對應(yīng)不同的安全等級，γm取不同的系數(shù)。同時(shí)γm與檢測誤差相關(guān)。對于漏磁檢測法(MFL)，對應(yīng)不同安全等級的γm分別為0.76、 0.8、 0.85和0.9。安全等級越高，模型準(zhǔn)確度系數(shù)越小，破裂壓力的評估結(jié)果失效概率越低。按表1數(shù)據(jù)計(jì)算，對于120mm長度缺陷的破裂壓力如表2所示；各失效概率的破裂壓力曲線如圖2所示。

表2 各失效概率的破裂壓力

圖3 各失效概率的破裂壓力曲線Fig.3 Burst pressure for various safety classes

3.2 檢測誤差

如果檢測的腐蝕缺陷數(shù)據(jù)是完全真實(shí)的，則破裂壓力的評估結(jié)果只決定于模型的準(zhǔn)確性。但任何現(xiàn)有的管道檢測方法，都不能獲得完全真實(shí)的缺陷數(shù)據(jù)。缺陷檢測常用方法包括MFL和超聲檢測(UT)。MFL法的檢測誤差以壁厚的百分比表示，UT法的檢測誤差以絕對值表示。例如，管壁上缺陷深度的檢測值為40%，則真實(shí)缺陷深度可能是50%或20%。DNV-RP-F101將缺陷檢測誤差按正態(tài)分布考慮(見圖4)。

圖4 缺陷深度的檢測誤差Fig.4 Inspection error of defect depth

以表1管道數(shù)據(jù)為例，不同缺陷深度檢測誤差的破裂壓力如表3所示，破裂壓力曲線如圖5所示。從計(jì)算結(jié)果看出，檢測誤差對破裂壓力值有顯著影響： 20%誤差相對于0誤差，破裂壓力值變化67%。

表3 不同壁厚檢測誤差的破裂壓力

圖5 不同檢測誤差的破裂壓力(MFL)Fig.5 Burst pressure for various inspection errors of wall thickness (MFL)

3.3 管道屬性

有限元分析表明，屈強(qiáng)比(σy/σu)對管道的破裂壓力有影響。復(fù)雜模型基于有限元分析結(jié)果確定，可以包括屈強(qiáng)比的影響。簡化模型未包括屈強(qiáng)比的影響。按表1數(shù)據(jù)計(jì)算，破裂壓力曲線如圖6所示。破裂壓力隨缺陷長度變化： 缺陷長度越長，破裂壓力越小。當(dāng)L/(Dt)0.5<7或L<400mm時(shí)，屈強(qiáng)比對破裂壓力有較顯著影響。從圖6可以得出，相鄰曲線的ΔPcap_max≈1.56MPa。以σy/σu=0.77的破裂壓力進(jìn)行規(guī)格化處理，σy/σu=0.6， 0.7， 0.8和0.9時(shí)的壓力比曲線如圖7所示。當(dāng)L/(Dt)0.5>7或L>400mm時(shí)，屈強(qiáng)比對破裂壓力的影響可忽略。

仍以上述數(shù)據(jù)為例，對比復(fù)雜模型與簡化模型如圖8所示。當(dāng)σy/σu<0.7且L/(Dt)0.5<4時(shí)，復(fù)雜模型確定的破裂壓力比簡化模型小。當(dāng)σy/σu>0.7時(shí)，復(fù)雜模型確定的破裂壓力均大于簡化模型。隨著L/(Dt)0.5增大，比值趨近于1.08。

圖6 不同屈強(qiáng)比的破裂壓力Fig.6 Burst pressure for various yield ratios

圖7 規(guī)格化處理后的破裂壓力曲線Fig.7 Burst pressure curves after normalization

圖8 復(fù)雜模型與簡化模型破裂壓力比Fig.8 Comparison of burst pressure between complex model and simplified model

4 DNV-RP-F101與DNV-OS-F101的關(guān)系

DNV-RP-F101是對存在缺陷的管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度分析。失效形式考慮為材料在抗拉強(qiáng)度極限時(shí)的承壓破裂。因此評估結(jié)果只能用來判斷管道是否滿足最低的承壓要求。當(dāng)按DNV-RP-F101評估管道的結(jié)果為運(yùn)行壓力小于破裂壓力Pcorr時(shí)，可以得出結(jié)論： 管道在當(dāng)前壓力下運(yùn)行不會(huì)發(fā)生破裂。但不能得出管道可以升壓、延壽或整個(gè)系統(tǒng)是安全的等其他結(jié)論。

DNV-OS-F101作為管道設(shè)計(jì)的主規(guī)范，對管道的設(shè)計(jì)和安全要求是全壽命期的。規(guī)范規(guī)定對在運(yùn)行的管道評估應(yīng)按完整性管理流程進(jìn)行。完整性管理基于風(fēng)險(xiǎn)評估和檢測計(jì)劃[8]。評估和檢測的內(nèi)容是系統(tǒng)性的要求，不僅限于管道的金屬缺陷。例如： 檢測應(yīng)包括內(nèi)外腐蝕缺陷、懸跨、管道沉降、總體屈曲、海床沖刷、管道保護(hù)(砂袋、拋石等)狀態(tài)、海床(沙坡、侵蝕)狀態(tài)、管道位移、法蘭等附件連接狀態(tài)及其保護(hù)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)等。應(yīng)根據(jù)不同檢測內(nèi)容和結(jié)果，按相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行評估。

5 結(jié) 語

通過對DNV-RP-F101中對腐蝕缺陷管道的評估方法的研究，可以得到以下結(jié)論。

DNV-RP-F101的腐蝕管道強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)的失效形式為管道內(nèi)壓破裂。若考慮管道延壽、升壓等其他方面的評估，應(yīng)按DNV-OS-F101的規(guī)定進(jìn)行基于風(fēng)險(xiǎn)評估和檢測。

影響評估結(jié)果的主要因素為模型準(zhǔn)確度、缺陷數(shù)據(jù)、檢測誤差和管道屬性。

(1) 復(fù)雜模型與簡化模型的差別在于準(zhǔn)確度和復(fù)雜程度。通過對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)σy/σu<0.7且L/(Dt)0.5<4時(shí)，復(fù)雜模型確定的破裂壓力比簡化模型小。當(dāng)σy/σu>0.7時(shí)，復(fù)雜模型確定的破裂壓力均大于簡化模型。隨著L/(Dt)0.5增大，比值趨近于1.08。

(2) 目標(biāo)失效概率越低，破裂壓力越小。不同失效概率的破裂壓力只取決于系數(shù)γm，而DNV-RP-F101中該系數(shù)是給定的，所以各失效概率的破裂壓力的百分比差是確定的。

(3) 檢測誤差對破裂壓力值有顯著影響。為準(zhǔn)確評估管道強(qiáng)度，應(yīng)選擇低誤差值的檢測方法。

(4) 管道的屈強(qiáng)比對評估結(jié)果有一定影響，但當(dāng)L/(Dt)0.5>7或L>400mm時(shí)，屈強(qiáng)比對破裂壓力的影響可忽略。

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StrengthAssessmentonCorrodedSubseaPipelineBasedontheCodeofDNV-RP-F101

WANG Meng, ZHAO Dong-yan

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

The failure of submarine pipelines due to corrosion defects has an increasing tendency in recent years. In order to assess the failure risk when corrosion occurs, we present a review of the strength assessment procedure of DNV-RP-F101. The parameters which will impact on burst pressure are studied. And the relation between DNV-RP-F101 and DNV-OS-F101 is discussed. Based on the calculation results, the following conclusion can be made. Among the key parameters, the inspection accuracy has the greatest influence on the strength assessment results. When certain condition is satisfied, the ratio of yield to tensile is negligible。

subsea pipeline; corrosion defect; strength assessment

2017-05-29

王猛(1980—)，男，碩士，高級工程師，主要從事海洋石油和天然氣管道設(shè)計(jì)與研究。

TE973

A

2095-7297(2017)05-0276-05