!检测诊断#输油管道腐蚀剩余寿命的预测Ξ罗金恒ΞΞ 赵新伟 白真权 路民旭(中国石油天然气集团公司石油管材研究所)摘要 针对某 273mm×6(7)mm输油管道建成时间不长,管道腐蚀却很严重,腐蚀发展速率非常高的情况,利用此管道历年来的近千个腐蚀大修缺陷尺寸数据,统计出管线的腐蚀速率分布,建立了腐蚀速率概率分布的模型,并对模型进行了验证,发现腐蚀速率服从正态分布N (013968,011412)。
利用腐蚀剩余强度评价确定的极限缺陷尺寸数据,在可靠性理论的基础上对 273mm×6(7)mm输油管道的腐蚀剩余寿命进行了预测,发现在低、中风险地段,管道使用5～6年后,需要检测和维修;在高风险地段,管道使用4～5年就需要检测和维修。
建议应对此输油管道加强防腐,严把防腐质量关。
主题词 输油管道 腐蚀 剩余寿命 预测 可靠性 某 273mm×6(7)mm输油管道于1988年8月开始建设,1989年9月一期工程建成投产,二期工程于1990年11月全部投入使用。
管线采用钢级为X52的直缝钢管,设计最大输油量105×104t/a,最小输油量55×104t/a,设计工作压力6128MPa,输送介质温度低于80℃,设计寿命20a。
管线实际运行温度为56℃,压力为510～518MPa,输油量为125～137m3/h。
此输油管道虽然建成时间不长,但由于管线周围环境恶劣,地形起伏多变,腐蚀现象十分严重。
对管线大修挖开的部分管线进行统计,腐蚀的平均深度和最大深度分别为:1994年平均腐蚀深度为119mm,最深为3mm;1995年平均腐蚀深度为2143mm,最深达510mm;1996年平均腐蚀深度为2164mm,最深达410mm。
1997年漏磁检测结果表明,深度在310mm以上的腐蚀点就有213处,可见管线腐蚀情况非常严重,对此管线进行腐蚀剩余寿命预测已迫在眉睫。
腐蚀剩余寿命预测思路油气输送管道腐蚀剩余寿命预测是管道安全评价的重要组成部分,它直接关系到管道检测、维修和更换周期的确定。
然而,由于腐蚀剩余寿命预测工作中存在着许多不确定因素,包括环境、力学和材质状况等因素,都难以取得准确结果,尤其是实际工况条件下的缺陷发展规律很难确定,造成腐蚀剩余寿命预测工作相对于剩余强度评价难度增大,从目前研究状况来看也相对不成熟。
例如,在现行适用性评价标准CEG B R6[1]、PD6493[2]以及最新发布的API579草案[3]中,对寿命预测方法仅提供了简单的指导性作法,实际使用中可操作性差。
因此,腐蚀剩余寿命预测一直是困扰管道评价人员的一大难题,发展较慢。
笔者利用此管道历年来近千个腐蚀大修缺陷尺寸数据(主要是腐蚀深度数据),统计出管线的腐蚀第28卷 第2期石 油 机 械 2000年ΞΞΞ罗金恒,工程师,生于1972年,1997年毕业于西安交通大学材料科学与工程学院,获硕士学位,现从事石油管道及重大装备劳动卫生安全评价工作。
地址:(710065)陕西省西安市。
电话:(029)8214211-3405。
(收稿日期:1999-06-07;修改稿收到日期:1999-08-20)中国石油天然气集团公司九五项目(油气管道检测与安全评价技术研究)。
速率分布,并基于可靠性理论对 273mm ×6(7)mm 输油管道的腐蚀剩余寿命进行了预测。
预测思路如图1所示。
图1 腐蚀剩余寿命预测思路腐蚀速率概率分布模型的建立1.腐蚀速率分布的统计统计1994～1996年 273mm ×6(7)mm 输油管道大修时的近千个腐蚀缺陷深度数据,并除以相应的管道服役时间,得到腐蚀速率数据,画成图2所示的直方图。
从图2可看出, 273mm ×6(7)mm 输油管道缺陷的腐蚀速率位于013～015mm/a 之间的最多,高于015mm/a和低于013mm/a 的都逐渐减少。
图2 腐蚀速率分布直方图2.腐蚀速率概率分布模型的建立与验证从图2可看出, 273mm ×6(7)mm 输油管道的腐蚀速率分布大致为一种正态分布,因此要对分布类型先提出假设,然后利用概率论知识进行验证。
(1)均值μ和方差σ2的计算 由极大似然估计法,可求出腐蚀速率为正态分布的均值μ和方差σ2,即μ=013968 (mm/a )σ2=010199 (mm/a )2 (2)腐蚀速率为正态分布的验证 腐蚀速率分布的验证利用常用的χ2-检验法(非参数检验法的一种)。
假设总体分布X ～N (013968,010199),将频数太小的区间并入相邻的区间,共分成6个区间计算概率,所得结果见表1。
表1 χ2-检验法结果一览表A i n i p i np i n i -np i (n i -np i )2/np i012<x 660108226 73154 -715401773012≤x <0131500116284145158414201134013≤x <0142450126290235103919701423014≤x <01524201259302311811011901448015≤x <0161380115777141105-310501066016≤x53010749366199-1319921921∑89441765 注:x 为腐蚀速率;A i 为以腐蚀速率划分的区间;n i 为处于A i 中的腐蚀速率频度(图2所示);p i 为根据X ～N(013968,010199)分布确定的处于A i 中的腐蚀速率概率;n =894(腐蚀速率统计的总个数)。
取显著性水平α=0105,查χ2-分布表,由费歇定理,知其自由度为6-2-1=3,χ2(3)=71815,拒绝域应为[71815,∞),由于χ2的计算值为41765,没有落入拒绝域,因此在水平α=0105下,腐蚀速率服从正态分布N (013968,011412)。
极限缺陷尺寸的确定273mm ×6(7)mm 输油管道极限缺陷尺寸的计算利用API RP579[3],取管道外径D =273mm ,管道壁厚t 取较小值6mm ,屈服强度(σs )取三个试样的最小值394MPa ,压力取实际运行压力的较高值518MPa ,焊缝系数E 取110[4]。
为了简化分析,计算时将对管道剩余强度不敏感的缺陷轴向和周向尺寸固定,对应于现场缺陷开挖的实际情况,将缺陷轴向和周向尺寸取为两种情况,分别为400mm ×300mm 、1500mm ×环向一周。
由于不知道缺陷具体的厚度分布,为保守起见,假设为矩形分布。
不考虑地区类别,按照100%屈服强度计算,所得极限缺陷尺寸(极限深度尺寸)的结果见表2。
表2 输油管道缺陷极限深度尺寸的计算结果腐蚀区域400mm ×300mm1500mm ×环向一周极限深度尺寸(mm )4122741218腐蚀剩余寿命的预测1.可靠性寿命预测思路随着管线服役年限的增加,腐蚀缺陷逐渐长大。
根据可靠性理论[5],通过对腐蚀缺陷尺寸和腐蚀发展规律的统计,可以给出管道腐蚀失效的概率13第28卷 第2期罗金恒等:输油管道腐蚀剩余寿命的预测 统计分布规律,其思路如图3所示。
其中图3a 对应的是时间1的失效概率P f ,其值很小,随着时间的推移,发展到时间2,失效概率P f 为图3b 中的相交区域,可以看出,随着时间越往后发展,失效概率P f 越大。
若通过确定合适的可接受失效概率,就可对管道的剩余寿命预测,据此确定正确的管道检测和维修周期。
图3 管道腐蚀失效概率统计图2.管道随服役年限变化的失效概率分布根据 273mm ×6(7)mm 输油管道腐蚀速率的概率分布和腐蚀缺陷的极限尺寸,按照图3的思路,就可将管道的失效概率随服役时间变化的规律绘制成如图4所示的曲线。
比较图4a 与图4b ,可发现两图具有某些共同点,即随着管道服役年限的增加,管道的失效概率逐渐增加,而且都有一个从小到大快速增长的转折点。
因此,通过确定可接受的失效概率,根据图4就可以估计管道的剩余寿命,从而确定合适的检测周期和维修周期。
另外,还可以看出即使缺陷的腐蚀区域变化较大,但是对使用年限相同的管道,失效概率却几乎没有改变。
a.腐蚀区域为400mm ×300mmb.腐蚀区域为1500mm ×环向一周图4 管道腐蚀失效概率随时间变化的规律曲线3.腐蚀剩余寿命的预测参照API RP579的思路,将管道经过的不同地段划分为低风险地段、中风险地段和高风险地段三种类型。
这样,不同地段管道可接受的失效概率可取为不同的数值,见表3。
表3 不同风险地段管道可接受的失效概率数值地段类别低风险地段中风险地段高风险地段可接受的失效概率213×10-210-310-5 根据表3和图4,就可预测 273mm ×6(7)mm输油管道的腐蚀剩余寿命,从而确定出管道维修和检测周期,结果见表4。
表4 输油管道的腐蚀剩余寿命预测结果地段类别低风险地段213×10-2中风险地段10-3高风险地段10-5腐蚀剩余寿命(a )400mm ×300mm 5～65～64～51500mm ×一周5～65～64～5结论及建议(1)利用 273mm ×6(7)mm 输油管道历年来的腐蚀大修缺陷尺寸数据,统计出了管道的腐蚀速率分布,发现腐蚀速率分布服从正态分布N (013968,011412)。
(2)通过确定不同风险地段管道可接受的失效概率,对 273mm ×6(7)mm 输油管道进行了可靠性腐蚀剩余寿命预测。
发现在低、中风险地段,管道使用5～6年的时间,需要进行检测和维修;在高风险地段,管道经过4～5年的时间,就需要进行检测和维修。
(3)基于 273mm ×6(7)mm 输油管道高的腐蚀速率,应对此输油管道加强防腐,严格把好防腐质量关。
参 考 文 献1 Milne ,Ainsw orth R A ,D owling A R ,et al.Assessment of theintegrity of structures containing defects.Int.J.Pressure Vessels and Piping ,1998,32:2～1042 BSI PD6493G uidelines on Method for Assessment of theAcceptability of Flaws in Fusion Welding S tructures ,19913 Draft API RP 579API Recommended Practice for Fitness -for-service4 AS ME B3118G as T ransmission and Distribton Pipling Systems ,1989:395 金国梁,陈 琳,张爱林等.可靠性与优化及其在石油工业中的应用.北京:中国科学技术出版社,1992:91～99(本文编辑 郑 重)23 石 油 机 械2000年。
