长输管道复合凹陷评价方法及应用探讨

孔朝金，胥琴，窦志信，许小龙，祁庆芳

1.国家管网集团西南管道有限责任公司 南宁输油气分公司（广西 南宁 530219）2.中油国际管道有限公司 中缅油气管道项目（北京 100029）3.国家管网集团北方管道有限责任公司 廊坊输油气分公司（河北 廊坊 065000）4.廊坊中油朗威工程项目管理有限公司（河北 廊坊 065000）5.中国石油青海油田分公司 管道处（青海 格尔木 816000）

凹陷是管道运输、施工、回填过程中由于碰撞、岩石挤压和机械损伤导致的弹塑性变形，已成为管道断裂、泄漏失效事故的重要原因[1]。凹陷严重影响管道安全运行，造成局部应力集中，特别是与焊缝、划伤、裂纹及腐蚀相关的复合凹陷，降低管道结构强度，极易导致管道疲劳或断裂失效。我国长输管道全面实施完整性管理程序，通过内检测技术获取缺陷信息，计算管道剩余强度，确定管道是否需要修复或换管。腐蚀缺陷机理及评价方法较成熟，但凹陷缺陷可接受准则还不统一。为促进管道凹陷安全评价规范化，介绍了基于凹陷深度与应变的评价准则，探讨了国外标准中复合凹陷安全评价的规定，以及复合凹陷可接受准则的研究进展。

1 基于深度的凹陷评价准则

目前关于凹陷评价的法规有美国法规49 CFR 192《输送天然气和其他气体联邦最低安全标准》和49 CFR195《输送危险液体管道》。凹陷评价标准中美国标准ASME B31.4—2012《液体管道系统》、API Std 1160—2013《危险液体管道完整性管理》、API Std 579-1—2016《设备适用性评价》；加拿大标准CSA Z662—2015《油气管线系统》。国外标准中关于凹陷深度的评价准则见表1。

表1 基于深度的凹陷评价准则

综合上述标准观点，与划痕、划伤、凹槽相关的凹陷，极易产生应力集中，应立即修复；将深度大于管径6%作为凹陷深度界定值。以往凹陷评价多基于深度，如文献[2]利用有限元法对X70输气管道凹陷缺陷进行受力状态分析，得出凹陷深度相对长度和宽度因素对管道强度影响最大，认为缺陷深度小于5 mm且长度小于100 mm是安全的。随着制管水平和高钢级管材性能提升，基于深度的评价准则不能反映管材韧性、变形状况和实际应力状态。例如欧洲天然气管道项目“管道缺陷评价手册PDAM”指出非约束凹陷临界深度为7%管径，约束凹陷临界深度为10%管径。德国标准DIN2413：2005《无缝钢管的计算》中的ERPG 经验模型提出的凹陷评价准则是，管道运行压力环向应力小于72%最小屈服极限（SMYS），且凹陷深度小于7%管径，在一定程度上提高了凹陷深度安全临界值。

2 基于应变的凹陷评价准则

美国标准ASME B31.8—2014《输气和配气管道系统》规定凹陷应变分量包括环向弯曲应变ε1、轴向弯曲应变ε2和轴向薄膜应变ε3，分别计算内表面总应变εi和外表面总应变εo，凹陷最大应变值ε=max(εi,εo)。凹陷位于焊缝上且应变大于4%，或者凹陷应变大于6%应立即修复。

式中：t为管道壁厚，mm；R0为管道初始半径，mm；R1为管道横截面凹陷的曲率半径，mm；d为凹陷深度，mm；L为凹陷轴向长度，mm。

美国标准ASME B31.8—2014 规定凹陷应变临界值为6%，该数值是工程经验值，仍需理论或试验验证。随着X80 以上高钢级管材广泛应用，管道均使用相同临界应变值值得商榷。ASME B31.8—2014不足之处在于未给出等效应变确定依据；未考虑环向薄膜应变和切应变，相关学者提出L-C 公式和Gao 公式。相对L-C 公式，ASME B31.8—2014 计算的内、外表面等效应变减少50%和25%；相对Gao公式，ASME B31.8—2014 计算的内、外表面等效应变减少50%和20%[3]。中石油管道研究中心提出一套专业、规范的管道凹陷开挖验证程序，包括应用三维激光扫描法测量凹陷深度、长度和整体轮廓，解决凹陷位置与时钟方位定位、凹陷曲率测量和管道弯头修正量等关键技术[4]。在此基础上，建立了基于内检测数据的凹陷应变评价技术路线和分析方法，根据ASME B31.8—2014 的应变计算方法，提出采用高斯低通滤波方法对内检测数据进行信号降噪处理和数据平滑处理，可得到较一致的应变计算结果。研究成果为提高内检测数据利用率和实现凹陷评价精细化奠定了基础[5]。

3 复合凹陷评价方法

单纯凹陷不会显著降低管道剩余强度，应关注与焊缝、划伤、裂纹及腐蚀相关的复合凹陷。2018年中石油西部管道实施内检测后发现凹陷3196处，81.5%是管体凹陷，最大凹陷深度为管径12.4%，18.5%是与焊缝、腐蚀、划伤相关的复合凹陷。基于深度的凹陷评价准则多数是不可接受缺陷，复合凹陷开挖验证后建议修复或换管。从凹陷类型、工作量和经济性方面看，这种保守做法缺乏科学性，造成资源浪费，甚至管道二次伤害。复合凹陷完整性评价研究还处于初步阶段，主要开展了含划伤凹陷（沟槽型凹陷）、裂纹凹陷和双凹坑评定方法研究[6]。

3.1 焊缝凹陷评价准则

焊缝凹陷可能存在气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷，相对于普通凹陷更易造成应力集中，严重影响在役管道安全运行。PDAM、美国标准API Std 579-1—2016规定立即更换。ASME B31.8—2014规定脆性焊缝凹陷需立即更换，延性焊缝凹陷深度不大于管径2%，或应变不大于4%。49 CFR 192 规定管径大于304.80 mm，焊缝凹陷不大于管径的2%；管道直径小于304.80 mm，焊缝凹陷深度不大于6.35 mm。加拿大标准CSA Z662—2015 规定管径大于323.9 mm，焊缝凹陷不大于管径2%；管径小于323.9 mm时，焊缝凹陷深度不大于6 mm。

针对焊缝凹陷，国外标准采取谨慎的处理方式，焊缝缺陷立即更换；深度大于管径2%或应变大于4%应修复。因管道结构复杂、焊缝质量和破坏程序难以检测，还没有可靠的方法预测焊缝凹陷的剩余强度和疲劳寿命，只能参考爆破试验测试数据。文献[7]分析含焊缝凹陷压力容器的全尺寸疲劳试验数据，验证含焊缝凹陷管道的疲劳寿命远低于单独凹陷管道，且环焊缝凹陷疲劳寿命低于直焊缝凹陷。文献[8]研究了压力容器焊缝缺陷爆破试验结果，相对独立凹陷，爆破压力值显著降低（最小值仅为SMYS的7%），分析原因是焊缝和凹陷产生较大残余应力导致加速失效。

3.2 划伤凹陷剩余强度计算

划伤凹陷加剧管壁曲率变化和壁厚减少，伴随塑性应变、裂纹扩展等。一般做法是管道存在划伤凹陷，需立即更换。英国Battelle 研究所基于30 项爆破试验数据提出经验Q 因子法，计算含划伤凹陷管道的失效应力。考虑管材力学参数、划伤长度、管径及壁厚、凹陷深度等因素，对划伤凹陷进行综合评价。

式中：σf为凹陷处应力，MPa；σ′为流变应力，MPa；σy为管材屈服应力，MPa；Q为经验系数；Cv为2/3倍夏比冲击功，J；R为管道外径，mm；c为划伤长度，mm；d为划伤深度，mm。

文献[9]以某海底天然气管道为例（管径711 mm、壁厚17.1 mm、管材X65、划伤深度25 mm），采用有限元方法，管道损伤可承受内压为7.95 MPa（低于设计压力15.5 MPa），提出更换损伤管段的建议。

3.3 裂纹凹陷断裂失效

文献[10]提出与焊缝、划伤、裂纹相关的复合凹陷，可采用弹塑性断裂理论计算剩余强度。选取螺旋缝埋弧焊钢管6 种规格（管径324 mm、660 mm 和1016 mm、凹陷深度5～30 mm），韧性失效损伤因子为1 时，临界等效应变在0.217～0.248，差别仅为0.03。文献[11]提出韧性断裂损伤指数（DFDI），描述管材拉伸变形时的连续破坏程度，定量表征管道凹陷损伤程度，预测凹陷处产生裂纹可能性。DFDI数值越大表明损伤程度越大，管道失效判定准则为DFDI＞1，表征凹陷缺陷造成管壁韧性裂纹开裂失效。以X60管道、管径660 mm为例进行凹陷应变评估，在内压4 MPa，损伤失效因子接近1时发生失效；在内压8 MPa和12 MPa下，出现损伤失效因子大于1也未发生失效的情形。损伤失效因子为1时，临界失效应变约为0.19。

式中：εo为管材临界应变值；εeq为管材断裂时的等效应变；σm为三向应力平均值，MPa；σeq为等效应力，MPa。

3.4 腐蚀凹陷评价准则

腐蚀体积型缺陷与凹陷共生是严重的管道损伤形式。腐蚀凹陷的叠加作用显著减少管道承载能力和使用寿命。腐蚀凹陷主要依据含腐蚀缺陷管道的剩余强度评价方法。例如美国标准ASME B31G—2012《确定已腐蚀管线剩余强度的手册》、DNV-RPF101 规范和美国Battle 实验室开发PCORRC（Pipeline Corroosion Criterion）计算工具。ASME B31G—2012指出针对含腐蚀凹陷的管道评价时，凹陷处存在外腐蚀且剩余壁厚小于87.5%的设计壁厚时需要修复。该数值为经验值，且未给出详细的评价结果。研究表明，ASME B31G—2012对于中高钢级管道评价较保守。PDAM、EPRG 和49CFR 195等标准要求腐蚀凹陷需要立即更换。文献[12]应用有限元弹塑性法模拟了不同尺寸腐蚀缺陷和内压对凹陷极限承载力的关系（管材X60、管径660 mm、壁厚14.3 mm、内压6.4 MPa），基于PCORRC 法提出了含腐蚀凹陷管道的失效评价公式。结果表明，除缺陷宽度外，缺陷长度、深度、压头直径、下压深度和初始内压对极限内压影响均较大。但计算数据有限，还需大量爆破试验和现场试验案例验证。

3.5 凹陷疲劳寿命预测

含凹陷管道疲劳失效易造成凹陷应力集中。在管道内压作用下，因频繁压力波动循环，凹陷产生裂纹进而导致疲劳失效问题。文献[13]以管径762 mm规格为例，采用有限元法得出无约束凹陷对管道爆破压力无影响，凹陷深度超过20%管径的受约束凹陷对管道爆破压力影响较大。德国标准DIN 2413：2015 提出了埋弧焊直缝管基于S-N 疲劳曲线的EPRG经验模型。

式中：N为管道疲劳寿命，年；SL为疲劳寿命调整因子；Rm为管材抗拉强度，MPa；σa为名义应力，MPa；Kd为管道凹陷应力集中因子；Kg为划伤应力集中因子。

4 结论

1）机械损伤及凹陷是管道系统失效的重要原因之一，凹陷评价是一项系统工程，目前还没有专门的国家标准。国内管道工程大多采用基于深度评价法，复合凹陷保守采用更换措施，管道修复缺乏科学性。

2）为促进凹陷评价的准确性，应多方面开展研究工作，包括改进内检测技术和现场检测技术，确定凹陷准确信息；改进应变测试方法，描述管材塑性流变行为；借助有限元等数学分析方法；加强凹陷腐蚀机理研究等。

3）针对复合凹陷，一般认为焊缝凹陷对管道性能影响较大，爆破压力和疲劳寿命显著低于单独凹陷和焊缝缺陷；相对凹陷深度和运行压力，划伤深度对管道爆破强度影响显著；腐蚀凹陷可参考含腐蚀缺陷管道的剩余强度评价方法，但对于高钢级管道较为保守。

4）管道管理者应掌握管道系统中凹陷分布情况和变化趋势，制定管道修复方案时，除依据相关标准规范，还应按照现有经验模型进行测算，并利用全尺寸爆破试验数据进行验证，避免凹陷修复的、盲目性和资源浪费。