管線鋼應(yīng)力腐蝕開裂評估方法研究

摘　要：應(yīng)力腐蝕開裂（ＳＣＣ）是許多油氣管道運(yùn)營公司主要關(guān)注的問題。為了制定更好的應(yīng)力腐蝕開裂管理策略，對應(yīng)力腐蝕開裂評估手段和方法進(jìn)行了大量的研究。本文對管線鋼ＳＣＣ的特征要素和總結(jié)評估方法研究狀況進(jìn)行了闡述，提出了ＳＣＣ的預(yù)防措施，建議在具體評定過程中，根據(jù)實(shí)際工程工況選用評價(jià)準(zhǔn)則，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要對目前常用的評價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行修訂，提出具有針對性的評價(jià)準(zhǔn)則。根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范制定相應(yīng)的維修計(jì)劃，從而有可能顯著降低管道維護(hù)和修理的成本。

引言

     對天然氣和石油需求的不斷增長，推動(dòng)了行業(yè)對不斷提高石油和天然氣長輸管道管材強(qiáng)度方面的需求，以便實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸。目前，世界范圍傾向于使用高壓運(yùn)行的大口徑、薄壁厚的管道。此外，運(yùn)輸酸介質(zhì)的管道鋼材必須有好的抗氫致開裂（ＨＣＩ）和抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（ＳＳＣＣ）性能。惡劣環(huán)境中的石油生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，因此有必要針對不同的環(huán)境，研究開發(fā)新的材料或?qū)ΜF(xiàn)有材料做進(jìn)一步評價(jià)。

應(yīng)力腐蝕開裂（ＳＣＣ）普遍認(rèn)為敏感性高的鋼材在溫和的腐蝕環(huán)境里，當(dāng)外加電位和應(yīng)力高于某一門檻值時(shí)發(fā)生的開裂。應(yīng)力的循環(huán)變化會(huì)降低該初始門檻值。ＳＣＣ以表面裂紋出現(xiàn)，常常分叉為密集的裂紋串。因此準(zhǔn)確測量裂紋尺寸、確定代表性的等效尺寸、以及它們之間的交互作用會(huì)有困難。ＳＣＣ失效通常是相鄰的裂紋在軸向接合成更長的裂紋，最終超過裂紋臨界尺寸。已有模擬裂紋生長、合并和失效機(jī)制的工作，但仍為不確定的研究領(lǐng)域，因此，預(yù)測ＳＣＣ的剩余壽命是困難的。

１　SSC斷裂風(fēng)險(xiǎn)的完整性評價(jià)

    管道軸向缺陷失效準(zhǔn)則（ＰＡＦＦＣ）是以韌性裂紋生長模型為基礎(chǔ)的。它能夠模擬管道中尖銳軸向表面的裂紋的行為，以及幫助發(fā)展為控制ＳＣＣ的靜水壓力重復(fù)試驗(yàn)的策略。ＰＡＦＦＣ是ＢＳ７９１０第三級評估方法的擴(kuò)充。它以Ｊ撕裂分析和塑性破壞極限狀態(tài)為基礎(chǔ)。給定了管線鋼的普通測量性能（屈服和抗拉強(qiáng)度、ＣｈａｒｐｙＶ切口試樣沖擊能）和Ｊ積分的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性。

ＳＣＣ斷裂風(fēng)險(xiǎn)的完整性評價(jià)，需要相對應(yīng)的參數(shù)：

①檢測的質(zhì)量，即ＰＯＤ（檢測概率）、ＰＯＩ（識別概率）和實(shí)際的量化公差；

②材料和冶金；

③適合的評價(jià)方法;

④裂紋生長速率。

    以往裂紋檢測獲得的經(jīng)驗(yàn)表明，通常情況下，對于量化深度為４０％以上的裂紋，檢測器具有較高的ＰＯＤ和ＰＯＩ。對于淺裂紋，尺寸量化的不確定性較高，可能不滿足指定的確定性和置信度下的指定公差。ＰＯＤ、ＰＯＩ和量化精度受檢測作業(yè)條件的影響，包括檢測器的運(yùn)行速率、其他類型缺陷和沿管道的缺陷幾何形狀不規(guī)則。因此，檢測器檢測性能將直接影響到管道可靠性的評價(jià)，是管道可靠性評價(jià)的基礎(chǔ)。統(tǒng)計(jì)模型以及材料測試程序等部分支持的適當(dāng)?shù)脑u價(jià)方法組成。根據(jù)應(yīng)用該方法獲得的所有研究結(jié)果，制定完整性管理策略。

２應(yīng)力腐蝕裂紋特征的要素

    應(yīng)力腐蝕裂紋特征的要素分為三要素；分別為第一要素，管道檢測器探測、區(qū)分和量化應(yīng)力腐蝕裂紋及類裂紋特征的可靠性；第二要素，通過開挖與準(zhǔn)確的現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)室目測結(jié)果相結(jié)合正確評估檢測器性能并向檢測服務(wù)商提供可靠的數(shù)據(jù)反饋，以促進(jìn)檢測器能力的提升；第三要素，通過基于斷裂力學(xué)的方法與材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合確認(rèn)嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕裂紋及類裂紋特征，以便優(yōu)選開挖點(diǎn)和準(zhǔn)確預(yù)測管道壽命及復(fù)檢時(shí)間。評估裂紋的要素為管道完整性可靠評估。

    對每一個(gè)已經(jīng)直接影響管道安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)成本管理的裂紋缺陷進(jìn)行安全壓力評估。安全壓力的評估精度主要取決于以下因素：

①所用的評價(jià)方法；

②所用評價(jià)方法的評價(jià)等級；

③裂紋的尺寸公差；

④相互連接的長度和使用的規(guī)則；

⑤材料抗失效能力（ＳＭＹＳ、ＴＹＳ、ＣＶＮ和斷裂韌性犑ｃ）；

⑥應(yīng)力和殘余應(yīng)力的精度；

⑦錯(cuò)位導(dǎo)致的應(yīng)力集中。

３應(yīng)力腐蝕開裂紋評估方法

（１）應(yīng)力腐蝕評價(jià)方法

    行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ＡＰＩ５７９和ＢＳ７９１０規(guī)定了三個(gè)等級的評價(jià)，以滿足不同目的的評服務(wù)和評價(jià)的精度要求，這些標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍已被廣泛使用。這些標(biāo)準(zhǔn)為各種K值、參考應(yīng)力、殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中、裂紋的幾何特征定、裂紋的交互影響規(guī)則和常用的斷裂韌性轉(zhuǎn)換（ＣＶＮ-K）公式的選擇，提供了詳細(xì)的流程。成功地使用這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不僅能夠確保管道安全水平，也能夠最大限度地降低成本。

當(dāng)前可用的裂紋評價(jià)方法被分為兩組：

（ａ）基于ＦＡＤ（失效評價(jià)圖）方法，如ＰＤ６４９３、ＢＳ７９１０和ＡＰＩ５７９。

（ｂ）非ＦＡＤ方法，如ＮＧ１８ＬｎＳｅｃａｎｔ、ＰＡＦＦＣ、ＥＰＲＧ建議和ＣｏｒＬａｓ。

    ＦＡＤ方法是由英國和美國的斷裂力學(xué)和材料學(xué)專家組開發(fā)的，基于失效可能來自一個(gè)或兩個(gè)原因：斷裂或塑性破壞。ＦＡＤ描繪斷裂和塑性破壞之間的交互作用。ＦＡＤ方法充分利用了以材料性能為基礎(chǔ)的斷裂韌性試驗(yàn)的優(yōu)勢，因此在管道應(yīng)用中改善了缺陷的評價(jià)。

通過對ＳＣＣ引起的管道失效到鐵路疲勞的觀察，為驗(yàn)證ＦＡＤ方法提供了機(jī)會(huì)。此外，需要更好了解水壓試驗(yàn)期間裂紋的穩(wěn)定增長和裂紋群中裂紋的交互影響（就像ＳＣＣ裂紋一樣），促進(jìn)更多分析方法的開發(fā)，如ＢＳ７９１０和ＡＰＩ５７９。

    另外，管道運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，如果使用具體的特定的ＦＡＤ方法，則ＦＡＤ方法能為適用性（ＦＦＰ）。

    評價(jià)能提供保守的和一致的預(yù)測，并使失效分析結(jié)果更精確。因此，本項(xiàng)目選擇

ＡＰＩ５７９的ＦＡＤ圖對裂紋和類似裂紋缺陷進(jìn)行評價(jià)。

    用所選擇的評價(jià)方法和材料測試數(shù)據(jù)，按照ＡＰＩ５７９二級評價(jià)的ＦＡＤ要求對裂紋特征進(jìn)行評價(jià)和繪圖（參考圖１），圖中顯示這些缺陷均在ＦＡＤ圖內(nèi)側(cè)都是可接受的，并且沒有能對管道當(dāng)前完整性構(gòu)成威脅的缺陷。對所有ＭＦＬ和ＵＴＣＤ檢測報(bào)告的其它非裂紋缺陷也進(jìn)行了評價(jià)。制定管道當(dāng)前完整性管理計(jì)劃。

   通過基于斷裂力學(xué)的方法與材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，確認(rèn)嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕裂紋及類裂紋特征，以便優(yōu)選開挖點(diǎn)和準(zhǔn)確預(yù)測管道壽命及復(fù)檢時(shí)間。對于內(nèi)檢測和現(xiàn)場開挖報(bào)告的裂紋，預(yù)測失效壓力及安全操作壓力，有很多已被接受的工業(yè)專有方法可用，如ＡＰＩ５７９第二級失效評估圖、ＢＳ７９１０第二級失效評估圖、ＣｏｒＬＡＳ（腐蝕壽命評估軟件）以及

ＣＥＰＡＳＣＣＲＰ。

   裂紋評價(jià)方法和評價(jià)結(jié)果選擇，即使ＳＣＣ目前已經(jīng)越來越被關(guān)注，但是油氣輸送管道仍然有良好的安全記錄。這是因?yàn)樵谶^去的４０年中，不斷有人對管道中存在的各種類型的缺陷性質(zhì)和行為進(jìn)行了大量的課題研究。因此，許多以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的方法被用于裂紋評價(jià)中。這些方法的可應(yīng)用性使得人們對如何選擇一個(gè)更適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岢隽烁嗟年P(guān)注，選擇的方法應(yīng)能提供可靠的評估結(jié)果和安全、經(jīng)濟(jì)的再評價(jià)間隔。此外，使用不同的評價(jià)方法對同一管道上相同的缺陷進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)結(jié)果是不一致的，這就更進(jìn)一步提升了人們對評價(jià)方法優(yōu)點(diǎn)和限制條件的關(guān)注。因此，本項(xiàng)目對這些評價(jià)方法進(jìn)行了回顧分析，并且對類似裂紋的缺陷評價(jià)開發(fā)了一套統(tǒng)一的指南。如前文所述，超聲波內(nèi)檢測裂紋信號解釋和分析能力的進(jìn)步，使報(bào)告更加準(zhǔn)確的裂紋剖面和裂紋區(qū)域信息的能力得到提高。同時(shí)使用這些準(zhǔn)確的裂紋尺寸、裂紋相互作用方法及斷裂力學(xué)方法，可以在很大程度上減少過去評估中存在的不必要的保守。這樣做可以更準(zhǔn)確的判斷管道的適用性，有助于管道完整性和維護(hù)計(jì)劃的決策，即有助于確定維修計(jì)劃、設(shè)置復(fù)檢時(shí)間及建立安全操作壓力等級。

（２）應(yīng)力腐蝕直接評估（ＳＣＣＤＡ）

   高壓力、大口徑埋地管道應(yīng)力腐蝕開裂面臨風(fēng)險(xiǎn)，目前國內(nèi)在高鋼級管道上未發(fā)生，但北美油氣管道曾發(fā)生過多次應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕直接評估（ＳＣＣＤＡ）可確定未來可能出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂或已存在的部位和重點(diǎn)管段。

   ＳＣＣＤＡ是一種提高管道安全性的方法，其主要目的是通過對外部管道應(yīng)力腐蝕開裂狀況進(jìn)行監(jiān)測、減緩、記錄和報(bào)告等手段，減小它們的風(fēng)險(xiǎn)。ＳＣＣＤＡ法與其他檢測方法如管內(nèi)檢測、液體靜力學(xué)試壓、內(nèi)部腐蝕直接評價(jià)法等是互補(bǔ)的，不是一種替代的方法在所有情形下都可取代后者。

   研究表明，符合下列全部要素的管道部位被認(rèn)為是易出現(xiàn)高ｐＨ應(yīng)力腐蝕開裂的管段：

（ａ）工作壓力超過規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度（ＳＭＹＳ）６０％；

（ｂ）工作溫度超過３８℃；

（ｃ）管段向下游與壓力站的距離小于３２ｋｍ；

（ｄ）管齡超過１０ａ；

（ｅ）不屬于熔結(jié)型環(huán)氧（ｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｅｄｅｐｏｘｙ）類型管道防腐蝕涂層。

   目前研究方向主要是針對潛在易出現(xiàn)ＳＣＣ的管段，確定風(fēng)險(xiǎn)次序、研究潛在易出現(xiàn)開裂管段內(nèi)的挖掘部位的選擇、管道開挖地點(diǎn)的勘察、開挖地點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集、開挖地點(diǎn)的確認(rèn)以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析等，提出管道應(yīng)力腐蝕開裂完整性管理方案。

４　SSC控制措施

４．１控制措施

（１）在某些情況下，管道的ＳＣＣ可以用定期的水壓測試進(jìn)行有效的控制。現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)和研究工作表明，為有效起見，重復(fù)的水壓測試應(yīng)在環(huán)向應(yīng)力大約為１００％～１１０％的ＳＭＹＳ上維持一小段時(shí)間（大約１ｈ），接著在降低的壓力上（低１０％～１５％，但要

大于設(shè)計(jì)壓力的１．１倍）維持一段較長時(shí)間。通過水壓測試的缺陷在較低壓力下運(yùn)行，會(huì)含有安全余量。因此水力測試被用于證明管道目前的目標(biāo)適應(yīng)性，也為剩余安全壽命提供了某種指示。

（２）控制ＳＣＣ的水力測試時(shí)間間隔一般比較短。初始間隔僅是兩年，在通過一系列的測試以及對控制程度提高日益有信心后可以擴(kuò)展到５～１０ａ。ＳＣＣ增長率可能很高，但認(rèn)為遵循一種開一關(guān)模式，一段快速增長時(shí)期接著一段休眠期。開始兩年的間隔是相對較短的，這反映出與ＳＣＣ增長率伴隨的不確定性。

（３）依據(jù)水壓測試預(yù)測ＳＣＣ缺陷的剩余壽命，一定要小心。因?yàn)槟芡ㄟ^測試的缺陷的最大尺寸可能大于缺陷評佑模型的預(yù)測值，如果該模型對失效載荷評估是保守的。如果該（實(shí)際）較大的裂紋長大至失效的時(shí)間短于（預(yù)測的）較小的裂紋的失效時(shí)間，則失效就會(huì)比預(yù)測的提早發(fā)生。

（４）水壓測試的高應(yīng)力可能抑制較長，較淺的ＳＣＣ裂紋的生長。但是有跡象顯示，較深較短的裂紋生長可能變得更活躍，因?yàn)楦邞?yīng)力擾動(dòng)了腐蝕產(chǎn)物以及使開裂面暴露在腐蝕環(huán)境里。還沒有經(jīng)驗(yàn)表明后一過程有太大的問題以及認(rèn)為水壓測試是總體上有利的，盡管需要強(qiáng)調(diào)的是，水壓測試對ＳＣＣ的效應(yīng)還不明了。還未證明周期的水壓測試對其它形式的環(huán)境開裂是合適的控制方法。

４．２監(jiān)測環(huán)境開裂的在線檢測

在線檢測（智能檢測）可能探探測某些類型的環(huán)境開裂。但是，管道檢測自身不能控制環(huán)而是可以監(jiān)測環(huán)境開裂以致必要時(shí)可采取行動(dòng)進(jìn)行控制。

超聲（ＵＴ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ）剪切波裂紋探測器和漏磁［橫向場檢測（ＴＦＩ，ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）］探測器都能檢測、分辮和按大小分類軸向類策紋缺陷特征。重要的是要考慮除了分辨開裂之外，該工具是否能測號局部壁厚和金屬損耗量，因多ＳＣＣ可能與局部腐蝕有關(guān)，而這可能影響目標(biāo)適應(yīng)性評估。

    為了避免在線檢測后過多的修整，應(yīng)謹(jǐn)慎地取得缺陷的臨界尺寸和其生長率的估計(jì)值．這和提供了壓力的明顯安全余量的周期性水壓測試正相反。在設(shè)置檢測程序時(shí)，要尋求檢測公司和成功執(zhí)行過環(huán)境開裂監(jiān)測程序的操作者者幫助。

５結(jié)論

   總之，本文所描述的技術(shù)進(jìn)步可以給管道業(yè)主帶來很大益處，使管道業(yè)主能夠使用更準(zhǔn)確的裂紋尺寸及裂紋生長速率進(jìn)行工程臨界評估，從而在裂紋控制、維修以及設(shè)置復(fù)檢時(shí)間方面做出更加經(jīng)濟(jì)有效的決策。隨著我國地下輸氣管道鋪設(shè)的增加以及高強(qiáng)管線鋼的研制開發(fā)，深入探討國產(chǎn)管線鋼和涂層系統(tǒng)在我國特定土壤環(huán)境中的ＳＣＣ研究迫在眉睫，以助

ＳＣＣ壽命預(yù)測和防護(hù)措施的選用和開發(fā)。