管道腐蚀剩余寿命预测方法对比研究

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第40卷第14期广州化工Vol．40No．142012年7月GuangzhouChemicalIndustryJuly．2012管道腐蚀剩余寿命预测方法对比研究1111322杨继承，杨成宾，武效飞，薛大帅，裴莉莉，周艳康，曲研真(1中原油田建设集团公司，河南濮阳457000;2西南石油大学，四川成都610500;3中原石油勘探局工程建设总公司炼化装置工程处，河南濮阳457001)摘要:随着我国油气管道建设的不断推进，钢制管道也更普遍的应用于油、气输送行业。但是钢制管道在潮湿的环境下极易发生腐蚀，因腐蚀造成的穿孔现象给石化行业的安全生产带来了巨大的挑战。本文通过对几种腐蚀剩余寿命预测方法进行优化对比分析，并给出了个各自的适应范围。从理论上为油、气管道维护工作者提供必要的技术参考。从而可以根据理论的剩余寿命，加强对油气管道的维护，防止或减轻腐蚀速率。该方法的使用不仅可以产生显著的经济效益，而且还具有巨大的社会效益。关键词:腐蚀;剩余寿命;管道穿孔;预测方法中图分类号:TE98文献标识码:A文章编号:1001－9677(2012)14－0047－03TheComparativeStudyforPredictionMethodsofPipelineCorrosionResidualLife1111YANGJi－cheng，YANGCheng－bin，WUXiao－fei，XUEDa－shuai，322PEILi－li，ZHOUYan－kang，QUYAN－zhen(1TheConstructionGroupCorporationofZPEB，SINOPEC，HenanPuyang457000;2SouthwestPetroleumUniversity，SichuanChengdu610500;3EngineeringConstructionCorporationRefineryDeviceAgencyofZPEB，SINOPEC，HenanPuyang457001，China)Abstract:WiththedevelopmentofoilandgaspipelineconstructioninChina，thesteelpipewasmorecommonusedinoil＆gastransportationindustry．Butthesteelpipelineeasilyhappenedcorrosionindampenvironmentwhichbroughtagreatchallengeforsafetyproductioninthepetrochemicalindustry．Severalcorrosionresiduallifepredictionmethodswerecomparedandtheappliedrangewereporoposed，respectively，whichprovidedthenecessarytechnicalreferencefortheoil＆gaspipelinemaintenanceworkers．Throughstrengtheningthemaintenanceofoil＆gaspipelines，thecorrosionratecanbepreventedorreducedbytheresiduallifecomputedinthetheory．Thosemethodsnotonlyhadasignificanteconomicbenefit，butalsohadthehugesocialbenefits．Keywords:corrosion;residuallife;perforatedpipe;predictivemethod金属腐蚀遍及石油化工生产的各个领域，危害十分严重。的一个关键因素。内腐蚀是由储存介质(油、气、水)、罐内积水可以造成巨大的经济损失，据工业发达国家的统计，因腐蚀造成及罐内空间部分的凝积水汽的作用造成的。腐蚀事故可以造成的经济损失约占当年国民经济总产值的1．5%～4．2%。如果输产品的损失、污染环境，同时也会给增加维修费用。如果造成污油或输气管道发生腐蚀穿孔等事故则可以造成灾难性后果，例染的还要承担环境污染处罚。因此对油气管道的剩余寿命进行如:1980年，北海油田某采油平台发生腐蚀疲劳破损，致使123预测是十分必要而紧迫的。人丧生。1腐蚀剩余寿命预测方法介绍油气集输系统绝大多数都是由金属管道及设备构成，多少管道是埋地敷设，可长达成百上千公里，要穿越各种不同1．1经验公式剩余寿命预测法类型的地理环境，如:湖泊、沼泽、沙漠以及冻土环境等，伴随国际材料试验协会(InternationalAssociationforTestingMate-着季节变换，土壤冬、夏季的冻结与融化，地下水位变化。加rials)，利用指数函数来近似腐蚀深度变化与管道使用年限的关上某些地区存在杂散电流等这些条件都构成了复杂的外腐系。根据腐蚀深度与使用年限的推荐的经验公式如下:蚀的环境。同时管道内输送天然气后原油介质也存在腐蚀qS=pt(1)性。例如:天然气中常含有H2S和CO2等酸性气体，原油中式中:S———管道壁腐蚀深度，mm常含有S和H2O，成品油中含有O2和H2O，这些都构成管道t———使用的年数内腐蚀的酸性环境。p，q———待定常数石化行业中腐蚀是影响油气管道及设备安全及其使用寿命 48广州化工2012年7月对式(1)两边取对数得到:ΔT———从腐蚀检测数据获取之时到当前的时间，algS=lgp+qlgt(2)1．4电化学腐蚀的剩余寿命预测令:lgS=x;lgp=A;q=B;lgt=x，则方程(2)变为:1．4．1只考虑外腐蚀的剩余寿命计算y=A+Bx(3)在不考虑管道内腐蚀的情况下，主要基于管道外部腐蚀的根据现场实测的管道腐蚀深度数据，采用最小二乘法求得［4－7］剩余寿命预测待定系数A和B，然后通过计算得到常数p和q。因此管道剩余均匀腐蚀计算方程:寿命可写为:1/qdHKΔVhs=(10)maxdTHξρRL=(p)－T0(4)局部腐蚀计算方程:式中:RL———剩余寿命，a4smax———临界腐蚀深度，mmdH=12C1KΔVh(11)dT22T0———已使用年数，aπ(3C1+4C2)(4C2+C1)ξρH1．2管道外壁腐蚀的直接预测法点蚀计算方程:美国腐蚀工程师协会制定的RP0502－2002管道外腐蚀直2ctg2αKΔVdHh接评价方法(pipelineExternalCorrosionDirectassessmentECDA)dT=ξρH(12)的推荐做法中，对缺少分析方法和分析数据的情况下，推荐了以［1］以上表达式分别为均匀腐蚀、局部腐蚀、点蚀的腐蚀速率表下方程进行估计:达式，通过积分即可得到管道剩余寿命计算方程:tRL=C×SM(5)GR①均匀腐蚀:对于管道外壁均匀腐蚀缺陷失效形式一般表式中:RL———管道剩余寿命，a现为破裂，其极限腐蚀深度Hmax可由计算机编程来计算。在开C———校正系数，一般取0．85始腐蚀时:T=0，H=H0，腐蚀终止时:T=T，H=Hmax，根据积分SM———安全余量(失效压力比减去最大操作压力比)上下限由式(10)积分得到:t———管壁厚度，mmT=ρξ(H2－H2)(13)max0GR———腐蚀增长速率，mm/aKΔVh②局部腐蚀:同和均匀腐蚀类似，由式(11)积分得到:1．3外壁点蚀引发首次泄漏模型预测22在埋地管线外防护层失效后，由于受到土壤环境的作用，T=(3C1+4C2)(4C2+C1)ρξ(H2－H2)(14)4max0管外壁会发生局部腐蚀。其防腐层失效处首先发生大面积均24C1KΔVh匀腐蚀，接着会产生点腐蚀而发生管道穿孔引起首次泄漏，因③点蚀:对于点蚀其失效形式为管道穿孔，失效时的腐蚀深此建立由点蚀而引发的首次泄漏寿命的数学预测模型十分必度为原始壁厚t0，由式(12)积分可得:要。tan2αpξ22T=(t0－H0)(15)美国USA－CERL提出用腐蚀状态指数CSI(CorrosionStatus4KΔVh［2－3］Index)来描述埋地管线的腐蚀状态，规定CSI的取值范围式中:T———管道腐蚀剩余寿命为:0～100，当CSI=100时，表示该管道外防护层为新的;当CSIH———极限腐蚀深度max=0时，表示管道防护层完全破坏或腐蚀穿孔，其数学表达式如H———实测腐蚀深度0下:1．4．2考虑内腐蚀的剩余寿命计算CSI=100－100(dav/b0)(6)对于某些管道，其输送介质具有很强的腐蚀行，因此管道内式中:dav———管段的平均点蚀深度，mm壁介质腐蚀是不可忽略的，其腐蚀的速率与介质的化学性质和b0———管段的壁厚，mm管道本身的材质有关，可通过测量确定内腐蚀速率［8－10］，假定其可以从点蚀增长率的统计数据中回归得到半经验，半统计速率为Vi，则有:公式:Hi=ViTi(16)0．58SCI=100－70(Age)(7)式中:Hi———管道内腐蚀深度LifeTi———内腐蚀时间式中:Age———管道从安装完工之日起运行的年数，aVi———内腐蚀速率Life———管道首次泄漏时运行年数，a将内腐蚀初始实测腐蚀深度设为Hio，则可得到仅有内腐蚀美国USA－CERL机构通过长期的观察得到的经验结论:当的腐蚀剩余寿命计表达式:管段的腐蚀状态指数时，该段管子可能发生首次泄漏，此时:davHi－Hi0=ViT(17)=0．7b0。对于外腐蚀:因此可依据式(6)和式(7)得到基于腐蚀状态指数的埋地管22［4－5］T=k(H－H0)(18)道外壁点蚀首次泄漏寿命模型为:10d1/0．58ìρξavKΔVLife=Age/(7b)(8)ïh0ï22(3C1+4C2)(4C2+C1)ρξ1/0．58其中:k=10dí4T=Life－Age－ΔT=Age/av－Age－ΔT(9)24C1KΔVhR(7b)ï02ïρξtanα式中:TR———管段的剩余寿命，aî4KΔVh 第40卷第14期杨继承等:管道腐蚀剩余寿命预测方法对比研究49式中:H0———实测外腐蚀初始腐蚀深度(4)电化学腐蚀的剩余寿命预测法需要众多计算参数，计算H———外腐蚀腐蚀深度过程繁琐，但是计算精度最高，适合于大多数管道、设备的腐蚀T———外腐蚀时间剩余寿命预测。该法涉及的参数主要有管道几何参数、电化学由以上结果可得外腐蚀与内腐蚀的深度的关系:参数、力学参数等。在进行预测计算之前首先要对相关参数做H+Hi=Hmax(19)准确的录取、计算和分析，这是保证结果可靠性的先决条件，否当管线到达极限腐蚀深度时，内外腐蚀时间相等T=Ti，因则不能保证预测的准确性。此可以得到一元二次方程表达式:3结论22122ViT－[2(Hmax－Hj0)Vi+k]T+[(Hmax－Hi0)－H0]=0(20)(1)本文详细介绍了几种腐蚀剩余寿命预测方法，并对各种通过解方程可以得到:方法进行了详细的分析，得出了各个预测方法适用的范围及特点。2a=Vi(2)本文对常用的腐蚀剩余寿命预测模型进行了分析比较，1b=－2(Hmax－Hi0)Vi－结果表明相同的材料在不同的腐蚀环境下采用的预测模型也不{k相同。为管道维护工作者方便、准确选择模型提供有价值的参2c=(Hmax－Hi0)－H0考依据。求出该一元二次方程的解然后代入原方程进行检验。(3)基于电化学理论的剩余寿命预测模型，可对某一具体缺陷处的剩余寿命做出预测，且所需数据易在油田现场检测中2预测方法对比分析获得，对历史检测数据无依赖性，有一定的现场实用性。(1)用经验公式预测管道剩余寿命，至少需要两次以上的检参考文献测数据，并且预测的精确性和检测数据的量有关，其数据量越［1］赵金州，俞西崇，李长俊．缺陷管道适用性评价技术［M］．北京中国大，预测精度就越高。由于过去国内对管道的腐蚀检测还不够石化出版社，2005:121－128．重视，因此该预测方在国内应用比较局限。［2］K．E．W．Coulson，R．C．Worthingham．Standarddamage－assessment(2)管道外壁腐蚀直接预测法假定腐蚀速率均匀，但是由腐approachisoverlyconservative［J］．Oil＆GasJournal，1990．蚀速率电化学模型和现场测定证明实际管道的腐蚀速率并不均［3］梁成浩，庄琐良．石油化工设备材料腐蚀寿命预测系统［J］．石油匀，而且情况较为复杂。通常情况下管道腐蚀速率会随着时间化工设备，2001，30(1):21－23．有所降低，该方法估计值比较保守。［4］吕战鹏，杨武．局部腐蚀作用下设备的寿命预测［J］．腐蚀与防护，当然外腐蚀速率可以通过直接开挖检测，或者利用在线检2004，21(3):34－36．测技术采集数据，通过比较管道壁厚随时间的变化来确定;电化［5］姜如桦，张鹏，陈莉琼，等．腐蚀管道剩余寿命的性能衰减模型研学方法可以及时准确的提供瞬间腐蚀速率信息，但它们的可靠究［J］．油气储运，2001，20(11):13－16．性需要验证。总得来讲该方法对管道剩余寿命预测需要的工作［6］DavidBatte，BinFu，etal．AdvancedMethodsforIntegrityAssessmentofCorrodedPipelines［J］．Pipes＆PipelinesInternational，1997，2．量较大，耗费时间长，精度较经验公式法有所提高。［7］［7］Fu，Jones．FailureofSpiralCorrosioninPpeline［J］．ASMEOMAE(3)外壁点蚀引发的首次泄漏模型预测主要应用在现场13th．Int．ConfOff．Mech．ArcticEngr．Houston，1994(5):1－8．检测手段健全，管线平均腐蚀深度可以通过检测获得的情况［8］龙媛媛，王遂平，刘瑾，等．油气长输管道腐蚀检测评估技术研究与下，可以直接应用上式进行管线剩余寿命的预测。如果现场无应用［J］．石油工程建设，2011，37(1):27－29．法获得准确的平均腐蚀深度测量值时，需要采用统计的方法获［9］王诗鹏．海底管道腐蚀缺陷修复评估方案的确定［J］．油气储运，得腐蚀深度平均值，然后代入式(15)进行剩余寿命的预测。该2011，30(12):949－950．方法适用于点腐蚀比较严重的管线或设备，不适用它腐蚀情［10］刘小宁，张红卫，刘岑，等．基于许用可靠度的输油管道腐蚀裕量与况。腐蚀剩余寿命［J］．工业安全与环保，2012，38(1):55－57．