ASME B31G-2012标准在含体积型缺陷管道剩余强度评价中的应用研究

第３６卷第５期　安全与管理　１１５　

ＡＳＭＥ　Ｂ３　１　Ｇ一２０　１　２标准在含体积型缺陷管道剩余强度　

评价中的应用研究　

青松铸　范小霞　阳梓杰　米小双　孙明楠　高健　周秀兰４　

１．中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院２．中国石油西南油气田公司重庆气矿　３．中国石油西南油气田公司　４．成都城市燃气有限责任公司　

青松铸等．ＡＳＭＥＢ３１Ｇ．２０１２标准在含体积型缺陷管道剩余强度评价中的应用研究，天然气工业，２０１６，３６（５）：１１５－１２１．　摘　要　为了确定石油天然气输送管道能否在规定的管道压力下正常运行，避免油气管道发生安全事故，必须对含体积型缺陷　的管道进行剩余强度评价。以断裂力学和工程实践经验相结合的半经验公式作为含体积型缺陷管道进行剩余强度评价的标准已经被　

国内外所广泛采用。为此分析研究了ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ．２０１２标准的３种流变应力计算方法，得出各管线钢在选用不同方式计算流变应力　

时，管道剩余强度值之间所存在的差异，剩余强度评价结果也会存在着不同的保守性。进而计算了不同条件下安全系数的选取范围，　

讨论了地区等级变化对安全系数的影响程度；并针对ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ．２０１２标准比较了原剩余强度计算公式和改进后的剩余强度计算公　式，认为改进后公式通过改变鼓胀系数和缺陷投影面积降低了剩余强度评价结果的保守性；最后通过实际工程运用明确了流变应力、　

安全系数、剩余强度计算公式的选取原则。结论认为：在实际应用中需要综合考虑管道使用年限、管材性质、缺陷特征、所处地区　

等级、检测技术及业主要求等多方面的因素来确定如何选取评价管道剩余强度的相关参数。　

关键词　体积型缺陷　腐蚀缺陷　流变应力　安全系数ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ一２０１２标准剩余强度　

ＤＯＩ：１０．３７８７￣．ｉｓｓｎ．１０００－０９７６．２０ｌ６．０５．０１７　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ－２０１２　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　

ｗｉｔｈ　ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｆｅｃｔｓ　

Ｑｉｎｇ　Ｓｏｎｇｚｈｕ　，Ｆａｎ　Ｘｉａｏｘｉａ　，Ｙａｎｇ　Ｚｉｊｉｅ　，Ｍｉ　Ｘｉａｏｓｈｕａｎｇ　，Ｓｕｎ　Ｍｉｎｇｎａｎ　，Ｇａｏ　Ｊｉａｎ　，Ｚｈｏｕ　Ｘｉｕｌａｎ４　

ｆＪ．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓａｆｅｔｙ，Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ．ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　０ｉｌ＆Ｇａｓ　Ｆｉｅｌｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ．Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００４１．Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｏｆＰｅｔｒｏＣｈｉｎａ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｏｉｌ＆Ｇａｓ　Ｆｉｅｌｄ　Ｃｏｍｐａ—　ｎｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００２１．Ｃｈｉｎａ；３．Ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｏｉｌ＆Ｇａｓ　Ｆ记ｌｄ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００５６，Ｃｈｉｎａ；４．　Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｃｉｔｙ　Ｇａｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００４１，Ｃｈｉｎａ）　

ＮＡＴＵＲ．ＧＡＳ　ＩＮＤ．ＶＯＬＵＭＥ　３６，ＩＳＳＵＥ　５．ＰＰ．１１５一ｌ２１。５／２５／２０１６．（ＩＳＳＮ　１０００—０９７６；Ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｉｄｅｎｔｓ　ｏｆ　ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｖｏｉｄｅｄ　ｉｆ　ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｎｏｒｍａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓｔｉｐｕｌａｔｅｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｓ　ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ，ｓｏ　ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｗｉｔｈ　ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｆｅｃｔｓ．Ｔｈｅ　ｓｅｍｉ—ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｗｉｔｈ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ａｒｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅ—　ｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｗｉｔｈ　ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｆｅｃｔｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｒｅｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ＡＳＭＥ　Ｂ３　１　Ｇ－２０　１　２　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｔｅｅｌｓ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｉｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｔｈｅｎ，　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｓａｆｅｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｃｌａｓｓ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｓ　ｐｅｒ　ｔｈｅ　ＡＳＭＥ　Ｂ３　１　Ｇ一２０　１　２．ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉｎａｌ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｗａｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｏｎｅ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅ￣ｃｔ　ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ，ｓａｆｅｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｗｅｒｅ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｉｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ａｓ　ｆｏｒ　ａｃｔｕａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｉｓ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｃｏｍｐｒｅ—　ｈｅｎｓｉｖｅｌｙ（ｅ．ｇ．ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌｉｆｅ，ｐｉｐｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｄｅ￣ｃｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｌｏｃａｌ　ｒａｔｉｎｇ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｎｄ　ｃｌｉｅｎｔｓ’ｒｅ·　ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ）ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｓｅｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｆｅｃｔｓ；Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｄｅｆｅｃｔｓ；Ｆｌｏｗ　ｓｔｒｅｓｓ；Ｓａｆｅｔｙ　ｆａｃｔｏｒ；ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ－２０１２：Ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　

作者简介：青松铸，１９８３年生，工程师，硕士；主要从事管道检测、评价、修复及完整性管理相关的研究与应用工作。地址：（６１００４１）　四川省成都市天府大道北段１２号。ＯＲＣＩＤ：００００－０００２—３３４７－７３７Ｘ。Ｅ—ｍａｉｌ：ｑｉｎｇｓｚ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ．

ｃａ　１１６　天　然气工业　

油气长输管道在生产、施工、服役阶段都会在　

管壁产生体积型缺陷，体积型缺陷指管壁上的金属损　

失，其产生的主要原因是腐蚀。体积缺陷可大面积　

减薄管道的壁厚，降低管道的承压能力，导致管道　

穿孔或爆破，引发漏油、漏气事故，进一步导致火灾、　

爆炸和环境污染等严重事故阻］。为了确定管道能否在　

规定的压力下正常运行，避免事故发生，必须对含　

体积型缺陷的管道进行剩余强度评价。对于体积型缺　

陷，可采用３种方法进行评价：①将体积型缺陷当　

作裂纹型缺陷来处理，采用断裂力学方法进行评价；　

②采用断裂力学和工程实践经验相结合的半经验公　

式进行评价；③采用以弹塑性力学为基础的数值分析　

方法（极限承载能力分析）进行评价『２】。其中，采用　

断裂力学和工程实践经验相结合的半经验公式进行　

评价的方法从２０世纪６０年代开始推广，多个国家　

颁布了相关的评价标准及规范［３］。在这些标准规范中，　

由美国机械工程师协会颁布的ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ．１９８４是　

各国研究腐蚀管道剩余强度评价最常用的标准，它　

同时也是一些评价标准的基础＿４Ｊ。目前，该标准更新　

到ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ．２０１２＿５］，在流变应力、安全系数和腐　

蚀缺陷投影面积的定义上存在着多种形式［６】，导致在　

实际工程运用中无法正确合理地选择上述参数。因此　

笔者在众多学者研究成果【１　“　和实际工程应用的基础　上，对ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ．２０１２开展了以下研究工作：分　

析了３种流变应力对该剩余强度算法保守性的影响，　

结合实际工况明确了其选用范围；提出了安全系数　

的取值范围，分析了地区等级和管道壁厚变化对安　

全系数的影响；分析了该标准中２种剩余强度计算　

公式的保守性，结合实际工况明确了其选用范围。　

１流变应力分析　

流变应力是考虑了实际材料的应变硬化效应而　

定义的一个虚拟屈服应力，材料达到该应力即发生　

失效。有学者指出，引起失效压力预测结果差异的主　

要因素在于流变应力的定义［１２］ｏ针对流变应力选取，　

ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ一２０１２采用了国际上认可的３种流变应力：　

。　＝１．１ＳＭＹＳ　（１）　

Ｓｎ。　＝ＳＭＹＳ＋６９　（２）　

Ｓｉｌｏｗ－—ＳＭＹＳ　＋一ＳＭＴＳ　（３）　

长输管道使用的管材和相应的屈服强度、抗拉　

强度、３种流变应力的计算结果及最大流变应力值与　

最小流变应力值的差如表１所示。管线钢屈服强度　

与３种流变应力值的关系如图１所示。　

表１　长输管道使用的管材和相应的屈服强度、抗拉强度、流变应力表　

矗　。一　

＼　：坦　

２４５　２９０　３２０　３６０　３９０　４１５　４５０　４８５　５５５　管线钢屈服度／ＭＰａ　

图１　３种流变应力值与管线钢屈服强度的关系图　对于低强度管线钢，不同流变应力之间的差距　

较大，随着管线钢钢级的增大，这种差距逐渐减小。　

这也说明，当管线钢钢级较低时，选择不同的流变　

应力对评价结果影响较大，当管线钢强度升高时（低