WHPB至SPM海管腐蚀现状研究

陈海林 魏晨亮 朱洪东

（中海石油技术检测有限公司，天津 300452）

0 引言

BZ25-1WHPB至SPM混输管线全长2.5km，投产时间2004年8月，设计寿命20年，至今已投产14年[1]。根据检测结果得知，部分管段腐蚀减薄严重，管道内外壁共有732处减薄，其中有1处减薄40%～50%，有8处减薄30%～40%。评价该管线当前是否处于安全运行状态，是亟待解决的问题。通过本文研究，可以分析该管线腐蚀最严重的区域的应力情况，并预测管线剩余寿命，同时研究结果可以为其他海底管线的腐蚀评估提供参考。

1 WHPB至SPM海管腐蚀概况

根据《BZ25-1BD海管内检测完工汇报》可以得到：BZ25-1 WHPB至SPM混输管线全长2.5km，投产时间2004年8月，设计寿命20年，至今已投产14年，采用部分埋设，埋深1.5m，设计压力2MPa。

管道为双层保温管，内管直径508mm，壁厚15.9mm，材质为X65，SMYS为448MPa，腐蚀裕量3mm；外管直径609.6mm，壁厚15.9mm，材质为X56，SMYS为386MPa；保温层为30mm聚氨酯泡沫，密度40～60kg/m3，总传热系数1.61W/（m2*℃）；输送介质为油气水，海管工况如下：入口压力0.6～0.7 MPa，出口压力0.4～0.5MPa；入口温度24℃，出口温度23℃，海管日输液量9000m3/d。

根据检测结果得知，管道内外壁共有732处减薄，其中有1处减薄40%～50%，有8处减薄30%～40%[2]。壁厚减薄大于30%的腐蚀缺陷如表1所示。

将表中各处缺陷绘制在图1中。

由表1和图1可知，内管外部腐蚀分布于管道800～1500m处，壁厚减薄大于30%的腐蚀缺陷分布于腐蚀最深处（42%）两边，即腐蚀缺陷由腐蚀最深点向两边扩散，故推测腐蚀最深点（图1中红色区域）为海水泄漏点，即该处外管发生破损。

2 WHPB至SPM 海管腐蚀速率

由资料得知海管埋设形式为部分埋设，埋深1.5m，外管破损后内管壁外侧发生腐蚀。

图1 壁厚减薄大于30%的腐蚀缺陷分布图

表1 内管外部壁厚减薄大于30%的腐蚀缺陷

（1）若认为管道施工时外管及保温层即发生破损，由表1知最大腐蚀减薄量为6.7mm，管道运行至今10年，管道腐蚀速率为6.7/10=0.67mm/a；

（2）若管道在运行过程中发生破损，即腐蚀时间＞10年，则腐蚀速率＜0.67mm/a。

由于无管道后期此处发生破损和遭受第三方破坏数据记录，故认为管道此处在施工时即发生破坏，所以此次评估腐蚀速率取0.67mm/a。要想获得更准确的评估结果，需对此海水环境下该条管道的腐蚀速率进行相关方面的实验研究，并进行再次内检测。

3 WHPB至SPM海管管道应力情况分析

对腐蚀最深点的研究是管线应力分析与安全评估的重要内容，即在1358.415m处，腐蚀减薄42%（6.7mm）的腐蚀缺陷，分别采用API579中推荐的方法、ASME B31G中推荐的方法和ANSYS有限元模拟分析方法进行应力分析。

3.1 API 579的方法

均匀腐蚀缺陷的一级评价方法来自美国标准API 579，评价步骤如下：

（1）计算最小要求壁厚：

式中：p为管道设计压力，MPa；

D为管道直径，mm；

β为2倍泊松比，取0.6。

将管道资料数据代入式至式中，得到最小要求壁厚tmin=1.575mm；

（2）最小测量壁厚tmm=15.9×(1-0.42)=9.2mm；

（3）剩余厚度比

式中：FCA为未来腐蚀裕量，mm。

计算得到Rt=0.754。

最大轴向允许腐蚀缺陷长度由式[3]计算求得：

式中：RSFa为许用剩余强度因子，一般取0.9[4]。

（4）由检测得到，壁厚轴向损失长度为57mm，＞L，这说明当前的壁厚损失在可接受的范围内，即该管线均匀腐蚀缺陷通过一级评价。根据一级评价理论可计算求得管道允许最大安全运行压力MAWPr：

将数据代入式至式中，得到MAWPr=16.88MPa。该管线的最大运行压力为0.7MPa，＞MAWPr。因此，管道处于安全状态。

3.2 ASME B31G方法

X65管线钢的屈服极限sσ =448MPa；

根据缺陷的几何尺寸，得到：

管道失效压力公式：

该管线的最大运行压力为0.7MPa，＞pf。因此，管道处于安全状态。

3.3 ANSYS有限元模拟分析

根据DNV OS F101相关规定，将管道已知资料，可通过计算得到管道的设计抗力为

利用ANSYS有限元分析软件建立均匀腐蚀缺陷的模型，确定管线应力状态。采用solid185单元模拟管道。网格划分时，对高应力区域及腐蚀区域进行网格加密处理。采用规则的细网格，其他区域采用粗网格。管壁截面设置为对称边界条件。

计算条件如下：管道内径508mm，壁厚15.9mm，泊松比0.3，弹性模量2.07×1011，均匀腐蚀缺陷长57mm，宽368mm，腐蚀深度6.7mm。通过ANSYS模拟计算的结果如图2所示。

图2 壁厚减薄42%时管道应力分析

由图2可以得到，0.7MPa时管道壁厚减薄42%时，腐蚀缺陷受力最大为Ld=20MPa，计算得到的设计抗力Rd=341.72MPa，Ld＜Rd。根据DNV OS F101，当管道的设计荷载效应（Ld）≥设计抗力（Rd）时，则安全标准认为被满足，说明管道符合安全标准。

4 WHPB至SPM海管剩余寿命计算

4.1 以失效概率计算管道剩余寿命

利用DNV模型分析管道的可靠度。腐蚀失效概率由下式计算得到：

Δt为壁厚损失，其值为CR（T-T0），CR为腐蚀速率，mm；

t0为管道原始壁厚，mm；

d为管道直径，mm；

P为操作压力，MPa；

β为可靠性指数；

为失效概率。

根据DNV OS F101[5]，管道可接受的概率与安全等级划分结果如表2所示，安全等级的定义如表3所示。

将管道资料代入式至式中，计算得到：在0.7MPa的工作压力下，壁厚减薄42%时的管道失效

当管道安全等级降为“一般”或“低”时，可靠性指数小于3.7190，此时将可靠性指数值代入式至式中，反算出此时的壁厚减薄量为9.67mm，当管道以0.67mm/a的速率发生腐蚀时，管道剩余寿命为T=4.43年≈4年。

4.2 以壁厚损失极限计算管道剩余寿命

根据SY/T 0087.1-2006，当管道腐蚀达到80%时，管道失效。通过该标准可计算该管道得剩余寿命：

5 结论

（1）由检测得到的该管线壁厚轴向损失长度为57mm，小于最大轴向允许腐蚀缺陷长度（L=155.87mm），即该管线均匀腐蚀缺陷通过一级评价；

（2）利用 ASME B31G方法求得该段管道失效压力pf=30.56MPa。该管线的最大运行压力为0.7MPa，小于pf，管道处于安全状态；

表2 管道可接受的概率与安全等级

表3 安全等级的定义

（3）通过 ANSYS 分析得出管道壁厚减薄42%时，海底管道的设计荷载效应（Ld=20MPa）小于设计抗力（Rd=341.72MPa），该海底管道符合安全标准；

（4）在0.7MPa的工作压力下，壁厚减薄42%时，利用 DNV 模型计算得到其失效概率

（5）将“失效概率”和“壁厚损失极限”两种方法计算出的管道剩余寿命取较小值，即4年，建议3年后进行第二次内检测确定管道的实际腐蚀速率与缺陷尺寸，并进行评价；

（6）两种计算方法中均未考虑加速腐蚀的情况，且认为管道在施工时即发生破损，即最深腐蚀处的腐蚀时间为10年。若管道是在运行时才发生破损，此时管道的腐蚀时间小于10年，腐蚀速率将＜0.67mm/a，剩余寿命将更低；此外，若管道发生加速腐蚀，管道剩余寿命也会相应降低。