CN106568665A - 一种高强度管道土壤应力腐蚀开裂评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度管道土壤应力腐蚀开裂评价方法，针对管道土壤应力腐蚀的特征，考虑缺陷的交互作用，给出了管道在土壤应力腐蚀下的剩余强度计算方法。缺陷的交互作用是管道完整性评估中一个重要部分，本发明为土壤应力腐蚀的管道完整性和剩余服役寿命评估提供了技术支持，为评估管道安全与否、预防管道失效、保证管道安全运行具有重要意义。

Description

一种高强度管道土壤应力腐蚀开裂评价方法

【技术领域】

本发明涉及埋地钢制管道安全评价技术领域，特别涉及一种高强度管道土壤应力腐蚀开裂评价方法。

【背景技术】

一起天然气管道的外部应力腐蚀事故发生在20世纪60年代中期。从那时起，在管道服役和试压过程中发生了数百起应力腐蚀(SCC)失效事故。这类SCC的主要特征是管体上出现了数百个短的轴向表面裂纹的簇群。众多的短裂纹连接起来形成一个或多个长的表面裂纹。这些连起来的裂纹长度(L)与深度(d)的比值可达50或者更大。如果这些裂纹扩展至临界深度，就会造成损失巨大的管道失效。因此，SCC是一个主要的管道完整性问题。

20世纪80年代，加拿大的TransCanada管道公司(TCPL)在发现SCC之前，业界认为对于天然气管道发生SCC的环境的认识是较为成熟。大量的现场调研表明，SCC的发生与近中性pH值(pH<8)的含CO2的稀电解液有关，而且这种开裂在高pH值电解液中没有出现过。这种形式的SCC现在被称为近中性或低pH值SCC，用以区分经典的或高pH值SCC，它通常发生在浓度更高的碳酸盐溶液中。TCPL发现近中性pH值的SCC后，其他公司也在他们的管道上发现了近中性pH值SCC。近中性pH值与经典SCC之间的形态差异包括：(1)近中性pH值SCC的断裂模式主要是穿晶型，而经典SCC的断裂模式主要是晶间型；(2)近中性pH值SCC的裂纹面和管体表面上存在大量的腐蚀产物，而经典SCC几乎没有腐蚀迹象。近中性pH值与经典SCC之间的形态相似点包括：(1)在管道外表面上出现较大的轴向裂纹簇群；(2)裂纹L/d比值较大；(3)裂纹表面上出现Fe3O4锈层和铁碳酸盐薄膜。

随着能源需求的迅猛发展，选用高钢级别管线钢已成为高压天然气输送的新趋势。工业发达国家普遍将X80和X100钢列为21世纪油气输送管线的主要用钢，已进行了大量研究和工程实践，但是钢的级别越高，对氢脆的敏感性越大，管线发生SCC的风险越大，高强度管线钢一旦发生SCC造成的损失更大。以西二线为例，土壤pH值在5.5～7.5之间(近中性环境)的管线共1842.929公里，占主干线全长37.13％，主要集中在：湖北安陆至江西九江段，占主干线全长18.30％。说明我国天然气管线具备发生应力腐蚀开裂的环境条件。从我国实际情况来看，在未来的几十年中，X70以上级别的管线钢(包括X90、X100)以及0.8设计系数用钢管在我国工程中的应用具有广阔的前景。因此，高强度管线钢的土壤环境应力腐蚀完整性评价问题显得意义重大。如果发生SCC，则SCC会在管道上形成较长的裂纹，当裂纹足够大时会引起管道在正常运行时发生破裂。因此，需要建立一个工程模型来评估这些表面缺陷对管道完整性和剩余服役寿命的影响。

【发明内容】

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强度管道土壤应力腐蚀开裂评价方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高强度管道土壤应力腐蚀开裂评价方法，包括以下步骤：

1)测量出所有表面缺陷的裂纹长度和壁厚方向深度，其中，组合缺陷依据标准API579-2007中裂纹型缺陷的表征方法进行确定；

2)计算所有单个缺陷和组合缺陷的RSF值，其中RSF为剩余强度因子；

采用下式计算所有单个缺陷和组合缺陷的RSF值：

RSF＝[(1-A/A_o)/(1-A/(MA_o))]

其中，A为有效缺陷面积；A₀为缺陷长度乘以壁厚；M为鼓胀因子；

3)对比RSF找出RSF最小的缺陷或缺陷组合，即找出min_RSF；

4)采用有效面积方法，计算RSF最小缺陷组合的名义应力S_f；

采用下式计算RSF最小缺陷组合的名义应力S_f：

S_f＝S_flRSF＝S_fl[(1-A/A_o)/(1-A/(MA_o))]

其中，S_fl为管材的流变强度；

5)采用巴洛公式计算承压能力，具体方法为：

其中，P为最大操作压力，即剩余强度；t为钢管壁厚；D为钢管外径。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在同样的区域存在两个或者更多大的表面缺陷时，必须确定是否它们之间存在交互作用，作为一个缺陷失效或者只有其中一个缺陷失效。如果发生了交互作用，失效压力将会降低。出于这个原因，缺陷的交互作用是管道完整性评估中一个重要部分。本发明考虑土壤应力腐蚀开裂的失效特点，即众多的短裂纹连接起来形成一个或多个长的表面裂纹。针对这一特点，采用有效面积方法，考虑缺陷交互作用，计算管道剩余强度。

【附图说明】

图1为一种管道土壤应力腐蚀开裂评价方法的流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明高强度管道土壤应力腐蚀开裂评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量出所有表面缺陷的裂纹长度和壁厚方向深度，其中，组合缺陷依据标准API579-2007中裂纹型缺陷的表征方法进行确定；

2)计算所有单个缺陷和组合缺陷的RSF值，其中RSF为剩余强度因子；

采用下式计算所有单个缺陷和组合缺陷的RSF值：

RSF＝[(1-A/A_o)/(1-A/(MA_o))] (1)

其中，A为有效缺陷面积；A₀为缺陷长度乘以壁厚；M为鼓胀因子。

3)对比RSF找出RSF最小的缺陷或缺陷组合，即找出min_RSF；

4)采用有效面积方法，计算RSF最小缺陷组合的名义应力S_f；

采用下式计算RSF最小缺陷组合的名义应力S_f：

S_f＝S_flRSF＝S_fl[(1-A/A_o)/(1-A/(MA_o))] (2)

其中，S_fl为管材的流变强度。

5)采用巴洛公式计算承压能力

其中，P为最大操作压力，即剩余强度；t为钢管壁厚；D为钢管外径。

对于所有可能的缺陷组合，重复使用公式(2)可以对多重缺陷进行评估。对于公式(2)中RSF值最低的缺陷或缺陷组合，将引起流变强度失效。如果评估显示，单个缺陷的RSF值最低，则不需要考虑交互作用。如果评估结果显示，缺陷的某些组合的RSF值最低，则需要进行交互作用评估。

当单个缺陷的RSF值RSF_i超过了组合缺陷的RSF值RSF_c，就需要预测交互作用。也就是说，当所有的RSF_i≥RSF_c(最小值)发生缺陷交互作用。此时，要对所有可能的缺陷组合采用公式(6)进行评估。如果有多个缺陷满足公式(6)，那么采用RSF_c值最小的缺陷组合进行流变强度失效的预测。

RSF_i＝[(1-A_i/A_oi)/(1-A_i/(M_iA_oi))] (4)

RSF_c＝[(1-A_c/A_oc)/(1-A_c/(M_cA_oc))] (5)

RSF_i≥RSF_c (6)

在同样的区域存在两个或者更多大的表面缺陷时，必须确定是否它们之间存在交互作用，作为一个缺陷失效或者只有其中一个缺陷失效。如果发生了交互作用，失效压力将会降低。出于这个原因，缺陷的交互作用是管道完整性评估中一个重要部分。一种用于管道土壤应力腐蚀开裂的评价方法，其特征在于考虑土壤应力腐蚀开裂的失效特点，即众多的短裂纹连接起来形成一个或多个长的表面裂纹。针对这一特点，采用有效面积方法，考虑缺陷交互作用，计算管道剩余强度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高强度管道土壤应力腐蚀开裂评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量出所有表面缺陷的裂纹长度和壁厚方向深度，其中，组合缺陷依据标准API579-2007中裂纹型缺陷的表征方法进行确定；

2)计算所有单个缺陷和组合缺陷的RSF值，其中RSF为剩余强度因子；

采用下式计算所有单个缺陷和组合缺陷的RSF值：

RSF＝[(1-A/A_o)/(1-A/(MA_o))]

其中，A为有效缺陷面积；A₀为缺陷长度乘以壁厚；M为鼓胀因子；

3)对比RSF找出RSF最小的缺陷或缺陷组合，即找出min_RSF；

4)采用有效面积方法，计算RSF最小缺陷组合的名义应力S_f；

采用下式计算RSF最小缺陷组合的名义应力S_f：

S_f＝S_flRSF＝S_fl[(1-A/A_o)/(1-A/(MA_o))]

其中，S_fl为管材的流变强度；

5)采用巴洛公式计算承压能力，具体方法为：

$P=\frac{2S_{f}t}{D}$

其中，P为最大操作压力，即剩余强度；t为钢管壁厚；D为钢管外径。