鄧霄*，白天陽，崔宇翔，李智，毛一鳴，馬偉平

（1.國家管網(wǎng)集團西部管道有限責(zé)任公司烏魯木齊輸油氣分公司；2.中油國際管道有限公司；3.中國石油長慶油田公司第二采氣廠；4.中國石油長慶油田公司隴東天然氣項目部；5.國家管網(wǎng)集團北方管道有限責(zé)任公司管道科技研究中心）

0 引言

截至2020年底，中國國內(nèi)油氣長輸管道總里程累計約為 14.5×104km[1]。因土壤環(huán)境和運行年限增加，腐蝕是管道壁厚減薄和強度可靠性降低的主要因素，管道腐蝕泄漏穿孔、失效事故頻繁發(fā)生[2]。中國長輸管道全面實施GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》，要求管道企業(yè)開展管道剩余壽命預(yù)測，根據(jù)管道腐蝕速率，評價管道現(xiàn)在剩余強度，預(yù)測管道未來發(fā)展趨勢。因此含腐蝕缺陷在役管道剩余壽命預(yù)測具有實際意義，可為管道檢測和維修提供決策依據(jù)，有助于降低管道事故概率、延長管道使用壽命[3]。本文闡述了國內(nèi)外在管道剩余壽命預(yù)測方面的數(shù)學(xué)模型及計算方法，結(jié)合實際工程案例應(yīng)用，評價了各類管道剩余壽命預(yù)測模型方法的準(zhǔn)確度和優(yōu)缺點，對于管道企業(yè)選擇科學(xué)、適用的剩余壽命評價方法具有指導(dǎo)意義。

1 管道剩余壽命預(yù)測研究現(xiàn)狀

針對含腐蝕缺陷管道剩余強度和疲勞失效機理的研究較為深入[4]，國內(nèi)外制定的管道腐蝕缺陷評價標(biāo)準(zhǔn)主要有美國ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》、英國BS 7910—2019《金屬結(jié)構(gòu)缺陷評定準(zhǔn)則》、挪威船級社 DNV—RP—F101《管道腐蝕缺陷評價》、中國SY/T 6477—2017《缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》等。由于土壤環(huán)境的復(fù)雜性、多相性，以及管道制管水平和防腐層性能差異，管道運行期腐蝕動力學(xué)發(fā)展規(guī)律難以準(zhǔn)確獲得，管道剩余壽命預(yù)測具有隨機性和不穩(wěn)定性，還未形成統(tǒng)一公認的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[5]。中國 GB/T 51172—2016《在役油氣管道工程檢測技術(shù)規(guī)范》給出了管道剩余壽命簡化計算公式：

式中：TR——管道剩余壽命，a；ta——特定位置測量實際壁厚，mm；tr——設(shè)計壁厚（不含腐蝕裕量和制造公差），mm；Vc——管道腐蝕速率，mm/a。

管道剩余壽命預(yù)測難點在于管道腐蝕機理涉及管材、環(huán)境和力學(xué)等方面，諸多影響因素存在隨機性、模糊性和關(guān)聯(lián)性[6]。管道剩余壽命預(yù)測的研究方向是提高準(zhǔn)確度和可靠性，包括：深入研究管道服役期間腐蝕變化規(guī)律，研發(fā)高精度、多用途管道外檢測技術(shù)，管道檢測數(shù)據(jù)有限時輔以數(shù)學(xué)分析方法等。

2 管道剩余壽命預(yù)測方法

2.1 基于腐蝕機理的預(yù)測方法

2.1.1 基于電化學(xué)理論預(yù)測法

該方法理論基礎(chǔ)是埋地管道電化學(xué)腐蝕機理，假定土壤環(huán)境和腐蝕速率基本穩(wěn)定，僅考慮管道發(fā)生外腐蝕，針對管道腐蝕缺陷形態(tài)和發(fā)展趨勢近似處理。文獻[7]認為埋地輸油管道產(chǎn)生均勻腐蝕分為點蝕和片蝕兩種類型，根據(jù)法拉第電化學(xué)定律，推導(dǎo)腐蝕管道剩余壽命計算公式。該方法優(yōu)點是檢測數(shù)據(jù)易于獲得、應(yīng)用方便，特別適用于經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)管道存在均勻腐蝕區(qū)域的情形。但實際上長輸管道大面積均勻腐蝕較少見，多為局部腐蝕和點蝕，適用范圍有限。

2.1.2 基于外腐蝕直接評價預(yù)測法

美國NACE SP 0502—2010《管道外腐蝕直接評價方法》指出確定腐蝕增長速率應(yīng)基于合理的工程實踐，針對最大剩余缺陷的剩余壽命也應(yīng)采用合理的工程實踐分析。在缺少檢測數(shù)據(jù)和其他分析方法時，提出根據(jù)管道運行壓力、壁厚和腐蝕速率預(yù)測剩余壽命的經(jīng)驗公式：

式中：C——校正系數(shù) 0.85；t——公稱管壁厚度，mm；GR——腐蝕增長速率，mm/a；SM——安全余量（失效壓力比率-最大允許運行壓力比率，其中：失效壓力比率=管道失效壓力/管材屈服強度；最大允許運行壓力比率=最大允許運行壓力/管材屈服強度）。

基于管道外腐蝕直接評價預(yù)測法，假定腐蝕持續(xù)發(fā)生、腐蝕速率均勻以及腐蝕缺陷為典型特定形狀和尺寸，因此該方法較保守。文獻[8]應(yīng)用ANSYS有限元方法確定含腐蝕缺陷管道的安全承壓能力，以腐蝕最嚴重的開挖點為例（腐蝕深度0.32 mm），基于外腐蝕直接評價經(jīng)驗公式和有限元法，預(yù)測管道剩余壽命分別為20.76 a和25.38 a，得出結(jié)論：有限元法較準(zhǔn)確，基于外腐蝕直接評價經(jīng)驗公式略保守。

2.1.3 管道點蝕首次泄漏失效壽命模型

管道防腐層破損后發(fā)生大面積均勻腐蝕，然后發(fā)生點腐蝕造成管道穿孔泄漏。美國CERL（建筑工程研究實驗室）提出將管道由于防腐層失效發(fā)生腐蝕穿孔泄漏的周期定義為管道點蝕首次泄漏失效壽命。定義CSI（腐蝕狀態(tài)指數(shù)）描述管道腐蝕狀態(tài)，CSI=100指管道防腐層是新的或者完好的，CSI=0表示管道防腐層完全破壞或腐蝕穿孔。基于腐蝕狀態(tài)指數(shù)的管道點蝕首次泄漏失效壽命模型：

式中：Age——管道自投產(chǎn)之日運行周期，a；dav——管段平均點蝕深度，mm；b0——管道壁厚，mm；ΔT——上次管道檢測數(shù)據(jù)至現(xiàn)在的時間，a。

該方法適用條件為發(fā)生嚴重點蝕的管道，且要求檢測周期規(guī)律、數(shù)據(jù)齊全，可獲取較準(zhǔn)確的平均腐蝕深度，對于新建管道且防腐層狀況良好、土壤腐蝕性強的情形較為適用。

2.2 基于腐蝕缺陷評價的預(yù)測方法

國外針對管道腐蝕破壞機理和極限承載力開展了深入研究[9]。代表性的是美國ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》，適用于評價老齡化管道的軸向孤立型缺陷；英國BS 7910—2019《金屬結(jié)構(gòu)缺陷評定準(zhǔn)則》是國際公認的海底管道腐蝕缺陷安全評定的依據(jù)，適用于孤立型和復(fù)雜缺陷；挪威船級社DNV—RP—F101《管道腐蝕缺陷評價》可針對X80鋼級管道內(nèi)外表面缺陷、孤立型、交叉復(fù)雜缺陷；美國Battle實驗室開發(fā)的Pcorrc評價準(zhǔn)則適用于X80鋼級管道的孤立型缺陷，采用殼體單元有限元法模擬管道腐蝕缺陷受力情況。研究表明，DNV—RP—F101《管道腐蝕缺陷評價》精度最高，Pcorrc評價準(zhǔn)則次之，主要問題是二者對于X80高鋼級管道的精度要求較高（存在約7%～8%的相對誤差）[10-11]。

文獻[12]將平均腐蝕速率應(yīng)用于腐蝕管道失效壓力公式，建立了管道失效函數(shù)模型，分析了管道剩余壽命影響因素的敏感性，計算目標(biāo)可靠度確定管道剩余壽命，認為徑向腐蝕速率是管道失效的主要因素。文獻[13]根據(jù)輸油管道壓力分布規(guī)律，采用修正的ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》計算管道失效壓力對應(yīng)的極限腐蝕缺陷尺寸，根據(jù)電化學(xué)理論腐蝕速率模型預(yù)測管道剩余壽命。以某輸油管道局部腐蝕缺陷為例（深度2.5 mm、直徑2.5 mm），剩余壽命為0.98 a，實際管道從檢測后至發(fā)生泄漏時間0.9 a，誤差為8.8%。上述研究及ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》未考慮管道腐蝕影響因素的累積效應(yīng)，文獻[14]基于Shell-92失效壓力模型，引入CDF（累積密度函數(shù)）計算管道失效概率，采用Monte-Carlo（蒙特·卡羅）方法確定管道剩余壽命，以管徑400 mm、壁厚7 mm為例，腐蝕深度由2 mm增加至4 mm，管道剩余壽命減少約8 a。為研究不同腐蝕形態(tài)和復(fù)雜缺陷對管道剩余壽命的影響，文獻[15]分析了單點腐蝕和雙點腐蝕缺陷的管道失效風(fēng)險，結(jié)論是雙點腐蝕缺陷的相互、疊加作用會增加管道的失效概率，但當(dāng)蝕坑間距大于最小蝕坑長度時，可按單點腐蝕進行可靠性評估。

2.3 基于可靠性理論的預(yù)測方法

由于管材材料、缺陷幾何尺寸、腐蝕速率存在不確定因素，以及在役管道運行參數(shù)的波動性，含腐蝕缺陷管道系統(tǒng)存在一定的可靠度和失效概率?；诳煽啃岳碚摰念A(yù)測方法，需要足夠多的腐蝕缺陷檢測數(shù)據(jù)及響應(yīng)檢測時間樣本集合，以保證預(yù)測精度。文獻[16]基于可靠性理論建立腐蝕管道失效狀態(tài)函數(shù)，統(tǒng)計腐蝕缺陷檢測數(shù)據(jù)建立腐蝕速率概率分布模型，按照管道所處地區(qū)等級和風(fēng)險等級設(shè)定目標(biāo)可靠度和可接受概率，提出管道腐蝕可靠性壽命預(yù)測方法。以新疆油田采油一廠集輸管道為例，得到位于一級、二級（三級）和四級地區(qū)管道腐蝕剩余壽命為8.8 a、7.4 a和6.1 a，為確定管道檢測周期提供了依據(jù)。該模型意義在于借鑒DNV目標(biāo)可靠度指標(biāo)，在國內(nèi)首次計算了集輸管道目標(biāo)可靠度和可接受失效概率指標(biāo)，對長輸管道具有參考價值。

文獻[17]根據(jù)ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》建立管道失效狀態(tài)方程，以美國API 579—2000《適用性評價推薦做法》推薦的目標(biāo)可靠度為依據(jù)，得到管道運行不同年限的可靠度，選擇按照中風(fēng)險可靠度（二級地區(qū)）0.999，判斷管道失效時間，但局限性在于未給出不選擇低風(fēng)險（一級地區(qū)）和高風(fēng)險（三、四級地區(qū)）可靠度的原因。

2.4 基于概率統(tǒng)計理論的預(yù)測方法

基于極值統(tǒng)計理論的觀點認為管道剩余壽命由最大腐蝕深度決定，最大腐蝕深度分布符合Gumbel（古比）極值分布規(guī)律。該理論具有一定合理性，但需要大量管道歷史腐蝕檢測數(shù)據(jù)和維修記錄，且只能對管道系統(tǒng)進行整體評價，不能針對特定腐蝕點預(yù)測剩余壽命。文獻[18]將影響管道剩余壽命的腐蝕速率、缺陷深度、管道壁厚和工作壓力等因素視為分布各異的隨機變量，建立了預(yù)測管道失效的概率數(shù)學(xué)模型。研究表明，缺陷深度在腐蝕缺陷形成初期，對管道可靠性影響較大；隨著時間推移，腐蝕速率成為管道可靠性較大影響因素。針對輸油管道提出按照每千米長度管道進行失效概率統(tǒng)計分析方法，可對管道系統(tǒng)安全狀況做出合理預(yù)測。文獻[19]建立了基于GEV（廣義極值）自適應(yīng)優(yōu)選分布的腐蝕管道剩余壽命預(yù)測模型，其中改進 GEV分布預(yù)測管道剩余壽命31.04 a，與基于可靠度的管道設(shè)計壽命33 a較為接近。

2.5 基于腐蝕速率預(yù)測的數(shù)學(xué)算法

2.5.1 灰色分析法

海底管道由于環(huán)境特殊性，往往不具備足夠的腐蝕檢測數(shù)據(jù)，屬于典型的影響因素不明確、數(shù)據(jù)有限無規(guī)律的灰色系統(tǒng)，采用概率統(tǒng)計方法預(yù)測壽命精度效果不佳?；疑碚撌茄芯可贁?shù)據(jù)、貧信息不確定性問題的首選方法。文獻[20]根據(jù) ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》推導(dǎo)了海底管道同時發(fā)生均勻腐蝕和局部腐蝕的極限內(nèi)壓公式，采用2004—2008年檢測數(shù)據(jù)，利用灰色GM（1，1）模型驗證了腐蝕量的預(yù)測值與實測值的可靠性；預(yù)測2008—2014年極限內(nèi)壓力，并與極限內(nèi)壓值對比，判定管道安全運行時間以及是否采取維修措施。該模型初步研究了局部腐蝕對管道強度的作用機理，未涉及腐蝕坑寬度、環(huán)向分布以及多個腐蝕坑相互影響等復(fù)雜情形。文獻[21]利用灰色GM（1，1）模型和ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)，考慮缺陷深度、缺陷長度、管道壁厚、管道直徑、屈服強度、操作壓力等因素，建立了鍍鋅鋼低溫運行腐蝕管道可靠性模型（-20 ℃），定量計算了缺陷深度、運行壓力和管道壁厚與可靠度的關(guān)系。文獻[22]建立了以灰色理論和馬爾可夫鏈為基礎(chǔ)的管道腐蝕剩余壽命預(yù)測方法，針對灰色模型原始數(shù)據(jù)進行二次平滑處理和白化系數(shù)尋優(yōu)，相對傳統(tǒng)的馬爾科夫模型平均準(zhǔn)確度提高40.33%?；疑治龇☉?yīng)解決的主要問題是中長期預(yù)測和動態(tài)預(yù)測的精度偏差問題，滿足長期運行管道對預(yù)測精度的需求。

2.5.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

BP（反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對動態(tài)規(guī)律性強的數(shù)據(jù)自適應(yīng)性強，具備較好容錯性和外推內(nèi)插功能，適用于由于腐蝕影響因素多、相關(guān)性差、隨機性大和樣本數(shù)據(jù)有限情形，如，相對長輸管道輸送介質(zhì)單一，集輸管道腐蝕影響因素眾多（H2S、CO2濃度、管道積水、流速、管道走向、結(jié)蠟結(jié)垢等），該方法適用非線性數(shù)據(jù)樣本集處理，因此在長輸管道領(lǐng)域應(yīng)用有限，預(yù)測準(zhǔn)確性還需進一步提高。文獻[23]針對氣田集輸管道腐蝕諸多因素的復(fù)雜性和不確定性，提出了適用于集輸管道人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法，管道內(nèi)壁腐蝕速率預(yù)測值與實際值平均相對誤差為7.322%。

2.6 有限元數(shù)值模擬方法

有學(xué)者認為基于腐蝕機理的管道安全評估方法偏于保守，較為公認的觀點是應(yīng)關(guān)注雙腐蝕缺陷和多腐蝕缺陷的相互作用，ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》等評價準(zhǔn)則只能分析同一形狀腐蝕缺陷，實際對于不同形狀腐蝕缺陷聚集，應(yīng)借助可靠性、準(zhǔn)確度高的數(shù)值分析方法應(yīng)用于管道評估，如，有限元方法可將腐蝕缺陷簡化成多個橢圓或矩形缺陷。文獻[24]采用ANSYS-Workbench（通用有限元分析）軟件模擬管道雙腐蝕缺陷，研究管道在不同面腐蝕缺陷參數(shù)下的等效應(yīng)力判定管道是否失效，結(jié)果表明：等效應(yīng)力隨腐蝕區(qū)域長度增加呈上升趨勢，隨缺陷寬度增大趨于下降；腐蝕區(qū)域固定時，等效應(yīng)力隨腐蝕深度增加而增加。以X52鋼級輸油管道實際腐蝕速率為例，指出有限元法精度高于基于外腐蝕直接評價預(yù)測法。文獻[25]采用有限元法中塑性失效準(zhǔn)則，建立體腐蝕損傷有限元三維結(jié)構(gòu)模型，以阿爾善—賽汗塔拉輸油管道為例，得到不同腐蝕深度下（腐蝕深度1.75～4.90 mm，腐蝕長度200～500 mm）的管道剩余強度和使用壽命，進一步提高了管道壽命預(yù)測的仿真精度。

2.7 基于管道內(nèi)檢測技術(shù)的預(yù)測方法

應(yīng)用概率統(tǒng)計和極值分析方法預(yù)測管道剩余壽命需要大量管道歷史檢測數(shù)據(jù)，即使應(yīng)用管道剩余壽命預(yù)測理論方法，也至少需要兩次檢測數(shù)據(jù)，且預(yù)測精度與檢測數(shù)據(jù)數(shù)量相關(guān)。通過實施外腐蝕檢測、內(nèi)檢測或者直接開挖檢測，掌握管道腐蝕狀況，測定管道壁厚隨時間的變化規(guī)律，驗證并確定準(zhǔn)確的腐蝕速率。近年來，國內(nèi)新建管道工程普遍進行系統(tǒng)性腐蝕檢測，也是未來的主流做法和發(fā)展趨勢。文獻[26]針對泰安—青島—威海天然氣管道進行三軸高清漏磁內(nèi)檢測，共獲取內(nèi)部和外部金屬損失110 222處，采用修正的ASME B31G—2012《確定已腐蝕管線剩余強度的手冊》和Kastner（卡斯特納）評價方法計算了管道剩余強度和剩余壽命，定義ERF（預(yù)估維修比），在評價壓力3.9 MPa下，有18處金屬損失需要在5年內(nèi)計劃維修。

3 結(jié)論

當(dāng)前，分析管道腐蝕趨勢，研究管道剩余壽命，制定科學(xué)、合理的管道檢測及維修計劃，已成為管道管理者的重要職責(zé)和基本要求。管道管理者應(yīng)以管道安全、可靠、高效為目標(biāo)，延長管道使用壽命應(yīng)掌握和遵循以下原則：

（1）在管道設(shè)計階段，應(yīng)考慮影響管道剩余壽命因素，包括腐蝕速率、缺陷深度、管道壁厚和運行壓力等。在管道運行階段，應(yīng)考慮缺陷深度在腐蝕缺陷形成初期，對管道可靠性影響較大；隨著運行年限增加，腐蝕速率成為主導(dǎo)因素。

（2）在預(yù)測管道剩余壽命方法選擇方面，如考慮精度要求，則基于腐蝕機理的預(yù)測法較為保守，ANSYS有限元法可模擬較復(fù)雜腐蝕缺陷情形，精度相對較高；如新建管道或檢測數(shù)據(jù)齊全，可采用基于可靠性和概率統(tǒng)計的預(yù)測方法；如數(shù)據(jù)有限或者為海底、集輸管道，可采用灰色分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)分析方法。同時，應(yīng)系統(tǒng)總結(jié)管道剩余壽命預(yù)測方法的使用條件，制定含腐蝕缺陷管道剩余壽命預(yù)測方法選擇標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在管道運行管理過程中，為提高預(yù)測精度，應(yīng)盡可能全面收集管道現(xiàn)場檢測和試驗數(shù)據(jù)，建立完善的管道檢測數(shù)據(jù)庫，為管道完整性管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

（4）管道剩余壽命預(yù)測未來的研究重點應(yīng)是深入研究管道腐蝕機理，準(zhǔn)確計算管道腐蝕速率；目前研究主要針對腐蝕缺陷的管道剩余壽命開展，隨著管道運行環(huán)境復(fù)雜多變，應(yīng)研究防腐層老化（多腐蝕坑）、氫致開裂、應(yīng)力集中、裂紋凹陷損失等因素與腐蝕缺陷的相互作用及影響。

（5）管道壽命預(yù)測設(shè)計的計算公式和數(shù)學(xué)分析較復(fù)雜，建議研制管道剩余壽命預(yù)測應(yīng)用軟件，方便現(xiàn)場技術(shù)人員使用。