管線鋼應力腐蝕開裂評估方法研究

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

引言

     對天然氣和石油需求的不斷增長，推動了行業對不斷提高石油和天然氣長輸管道管材強度方面的需求，以便實現安全經濟的運輸。目前，世界范圍傾向于使用高壓運行的大口徑、薄壁厚的管道。此外，運輸酸介質的管道鋼材必須有好的抗氫致開裂（ＨＣＩ）和抗硫化物應力腐蝕開裂（ＳＳＣＣ）性能。惡劣環境中的石油生產技術不斷發展，因此有必要針對不同的環境，研究開發新的材料或對現有材料做進一步評價。

應力腐蝕開裂（ＳＣＣ）普遍認為敏感性高的鋼材在溫和的腐蝕環境里，當外加電位和應力高于某一門檻值時發生的開裂。應力的循環變化會降低該初始門檻值。ＳＣＣ以表面裂紋出現，常常分叉為密集的裂紋串。因此準確測量裂紋尺寸、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、合并和失效機制的工作，但仍為不確定的研究領域，因此，預測ＳＣＣ的剩余壽命是困難的。

１　SSC斷裂風險的完整性評價

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

ＳＣＣ斷裂風險的完整性評價，需要相對應的參數：

①檢測的質量，即ＰＯＤ（檢測概率）、ＰＯＩ（識別概率）和實際的量化公差；

②材料和冶金；

③適合的評價方法;

④裂紋生長速率。

    以往裂紋檢測獲得的經驗表明，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條件的影響，包括檢測器的運行速率、其他類型缺陷和沿管道的缺陷幾何形狀不規則。因此，檢測器檢測性能將直接影響到管道可靠性的評價，是管道可靠性評價的基礎。統計模型以及材料測試程序等部分支持的適當的評價方法組成。根據應用該方法獲得的所有研究結果，制定完整性管理策略。

２應力腐蝕裂紋特征的要素

    應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、區分和量化應力腐蝕裂紋及類裂紋特征的可靠性；第二要素，通過開挖與準確的現場及實驗室目測結果相結合正確評估檢測器性能并向檢測服務商提供可靠的數據反饋，以促進檢測器能力的提升；第三要素，通過基于斷裂力學的方法與材料試驗數據相結合確認嚴重的應力腐蝕裂紋及類裂紋特征，以便優選開挖點和準確預測管道壽命及復檢時間。評估裂紋的要素為管道完整性可靠評估。

    對每一個已經直接影響管道安全運行和經濟成本管理的裂紋缺陷進行安全壓力評估。安全壓力的評估精度主要取決于以下因素：

①所用的評價方法；

②所用評價方法的評價等級；

③裂紋的尺寸公差；

④相互連接的長度和使用的規則；

⑤材料抗失效能力（ＳＭＹＳ、ＴＹＳ、ＣＶＮ和斷裂韌性犑ｃ）；

⑥應力和殘余應力的精度；

⑦錯位導致的應力集中。

３應力腐蝕開裂紋評估方法

（１）應力腐蝕評價方法

    行業標準ＡＰＩ５７９和ＢＳ７９１０規定了三個等級的評價，以滿足不同目的的評服務和評價的精度要求，這些標準在全球范圍已被廣泛使用。這些標準為各種K值、參考應力、殘余應力、應力集中、裂紋的幾何特征定、裂紋的交互影響規則和常用的斷裂韌性轉換（ＣＶＮ-K）公式的選擇，提供了詳細的流程。成功地使用這些行業標準，不僅能夠確保管道安全水平，也能夠最大限度地降低成本。

當前可用的裂紋評價方法被分為兩組：

（ａ）基于ＦＡＤ（失效評價圖）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和材料學專家組開發的，基于失效可能來自一個或兩個原因：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的斷裂韌性試驗的優勢，因此在管道應用中改善了缺陷的評價。

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

    另外，管道運營經驗表明，如果使用具體的特定的ＦＡＤ方法，則ＦＡＤ方法能為適用性（ＦＦＰ）。

    評價能提供保守的和一致的預測，并使失效分析結果更精確。因此，本項目選擇

ＡＰＩ５７９的ＦＡＤ圖對裂紋和類似裂紋缺陷進行評價。

    用所選擇的評價方法和材料測試數據，按照ＡＰＩ５７９二級評價的ＦＡＤ要求對裂紋特征進行評價和繪圖（參考圖１），圖中顯示這些缺陷均在ＦＡＤ圖內側都是可接受的，并且沒有能對管道當前完整性構成威脅的缺陷。對所有ＭＦＬ和ＵＴＣＤ檢測報告的其它非裂紋缺陷也進行了評價。制定管道當前完整性管理計劃。

   通過基于斷裂力學的方法與材料試驗數據相結合，確認嚴重的應力腐蝕裂紋及類裂紋特征，以便優選開挖點和準確預測管道壽命及復檢時間。對于內檢測和現場開挖報告的裂紋，預測失效壓力及安全操作壓力，有很多已被接受的工業專有方法可用，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。

   裂紋評價方法和評價結果選擇，即使ＳＣＣ目前已經越來越被關注，但是油氣輸送管道仍然有良好的安全記錄。這是因為在過去的４０年中，不斷有人對管道中存在的各種類型的缺陷性質和行為進行了大量的課題研究。因此，許多以斷裂力學為基礎的方法被用于裂紋評價中。這些方法的可應用性使得人們對如何選擇一個更適當的方法提出了更多的關注，選擇的方法應能提供可靠的評估結果和安全、經濟的再評價間隔。此外，使用不同的評價方法對同一管道上相同的缺陷進行評價，評價結果是不一致的，這就更進一步提升了人們對評價方法優點和限制條件的關注。因此，本項目對這些評價方法進行了回顧分析，并且對類似裂紋的缺陷評價開發了一套統一的指南。如前文所述，超聲波內檢測裂紋信號解釋和分析能力的進步，使報告更加準確的裂紋剖面和裂紋區域信息的能力得到提高。同時使用這些準確的裂紋尺寸、裂紋相互作用方法及斷裂力學方法，可以在很大程度上減少過去評估中存在的不必要的保守。這樣做可以更準確的判斷管道的適用性，有助于管道完整性和維護計劃的決策，即有助于確定維修計劃、設置復檢時間及建立安全操作壓力等級。

（２）應力腐蝕直接評估（ＳＣＣＤＡ）

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

   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力腐蝕開裂狀況進行監測、減緩、記錄和報告等手段，減小它們的風險。ＳＣＣＤＡ法與其他檢測方法如管內檢測、液體靜力學試壓、內部腐蝕直接評價法等是互補的，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為是易出現高ｐＨ應力腐蝕開裂的管段：

（ａ）工作壓力超過規定的最小屈服強度（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）不屬于熔結型環氧（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ＳＣＣ的管段，確定風險次序、研究潛在易出現開裂管段內的挖掘部位的選擇、管道開挖地點的勘察、開挖地點的數據收集、開挖地點的確認以及后續數據分析等，提出管道應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行有效的控制。現場的經驗和研究工作表明，為有效起見，重復的水壓測試應在環向應力大約為１００％～１１０％的ＳＭＹＳ上維持一小段時間（大約１ｈ），接著在降低的壓力上（低１０％～１５％，但要

大于設計壓力的１．１倍）維持一段較長時間。通過水壓測試的缺陷在較低壓力下運行，會含有安全余量。因此水力測試被用于證明管道目前的目標適應性，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展到５～１０ａ。ＳＣＣ增長率可能很高，但認為遵循一種開一關模式，一段快速增長時期接著一段休眠期。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）依據水壓測試預測ＳＣＣ缺陷的剩余壽命，一定要小心。因為能通過測試的缺陷的最大尺寸可能大于缺陷評佑模型的預測值，如果該模型對失效載荷評估是保守的。如果該（實際）較大的裂紋長大至失效的時間短于（預測的）較小的裂紋的失效時間，則失效就會比預測的提早發生。

（４）水壓測試的高應力可能抑制較長，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，因為高應力擾動了腐蝕產物以及使開裂面暴露在腐蝕環境里。還沒有經驗表明后一過程有太大的問題以及認為水壓測試是總體上有利的，盡管需要強調的是，水壓測試對ＳＣＣ的效應還不明了。還未證明周期的水壓測試對其它形式的環境開裂是合適的控制方法。

４．２監測環境開裂的在線檢測

在線檢測（智能檢測）可能探探測某些類型的環境開裂。但是，管道檢測自身不能控制環而是可以監測環境開裂以致必要時可采取行動進行控制。

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，而這可能影響目標適應性評估。

    為了避免在線檢測后過多的修整，應謹慎地取得缺陷的臨界尺寸和其生長率的估計值．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。在設置檢測程序時，要尋求檢測公司和成功執行過環境開裂監測程序的操作者者幫助。

５結論

   總之，本文所描述的技術進步可以給管道業主帶來很大益處，使管道業主能夠使用更準確的裂紋尺寸及裂紋生長速率進行工程臨界評估，從而在裂紋控制、維修以及設置復檢時間方面做出更加經濟有效的決策。隨著我國地下輸氣管道鋪設的增加以及高強管線鋼的研制開發，深入探討國產管線鋼和涂層系統在我國特定土壤環境中的ＳＣＣ研究迫在眉睫，以助

ＳＣＣ壽命預測和防護措施的選用和開發。