2024年4月6日发(作者：)

第

5

期

2021

年

5

月

机械设计与制造

Machinery

Design

&

Manufacture

5

含点蚀油气管道动态安全裕度表征模型

孙

鑫

，

龙伟

，

李炎炎

（

四川大学制造科学与工程学院

，

四川成都

610065

）

摘要

：

油气管道安全评价最广泛采用的美国

API-579

标准给出的点蚀剩余强度表征方法只能静态表征点蚀缺陷的安

全程度

，

并未考虑点蚀深度

、点蚀面积占比等参数的动态变化对点蚀缺陷剩余强度的影响

。

针对上述问题

，

在点蚀衰减路

径仿真基础上

，

提出一种动态安全裕度表征模型

。

首先利用无缝表征点蚀评价函数在失效评定图中仿真获得点蚀缺陷安

全衰减路径

。

通过衰减路径时变性分析

，

采用失效路径速率积分的解析方法,给出了油气管道点蚀缺陷动态安全裕度表

征模型。

该安全裕度模型能够表征点蚀缺陷在任意尺寸的动态安全裕度。

该理论考虑实际工况中各影响因素的动态变化

对点蚀缺陷安全裕度的影响

，

更加符合客观实际

，

能够为管道剩余寿命预测提供基础。

关键词:衰减路径

;

时变性

;

路径速度积

;

动态安全裕度

中图分类号:

TH16

;

TE973

文献标识码:

A

文章编号:

1001-3997(2021)05-0005-03

Dynamic

Safety

Margin

Model

of

Oil

and

Gas

Pipeline

with

Pitting

Defects

SUN

Xin

,

LOGN

Wei

,

LI

Yan-yan

(

School

of

Manufacturing

Sci.

and

Eng.

,

Sichuan

Univ.

,

Sichuan

Chengdu

610065

,

China

)

Abstract

：

The

pitting

residual

strength

characterization

method

given

by

the

US

API-579

standard

,

which

is

the

most

widely

used

in

oil

and

gas

pipeline

safety

evaluation

,

can

only

statically

characterize

the

safety

degree

of

pitting

defects

,

nd

does

not

cons

ider

the

influence

of

dynamic

changes

of

pitting

depth

,

pitting

area

ratio

and

other

parameters

on

the

residual

strength

of

pitting

defects.

A

iming

at

the

above

problems

,

based

on

the

s

imulation

of

pitting

attenuation

path

,

a

dynamic

safety

margin

characterization

model

is

proposed.

Firstly

,

the

safety

attenuation

path

of

pitting

defects

is

obtained

by

using

seamless

evaluation

function

in

failure

evaluation

diagram.

Based

on

the

time

-varying

analysis

of

attenuation

path

and

the

analytical

method

of

failure

path

rate

integral

,

the

dynamic

safety

margin

model

of

pitting

defects

in

oil

and

gas

pipelines

is

presented.

The

calculation

model

can

give

the

dynamic

safety

margin

of

pitting

defects

in

any

size.

The

theory

considers

the

influence

of

dynamic

changes

of

various

factors

on

the

safety

margin

ofpitting

defects

,

which

is

more

in

line

with

the

objective

reality

and

can

provide

the

basis

for

the

prediction

ofthe

remaining

life

ofpipelines.

Key

Words

:

Attenuation

Path

;

Time-Varying

;

Path

Speed

Integral

;

Dynamic

Safety

Margin

;

Life

Prediction

1

引言

油气金属管道是国家工业生产

、

油气输送

、

能源工程

、

国防等

领域的重要基础设施

。

在油气输送工作环境中

,

由于强腐蚀作用

，

容

了数值估算

,

还有很多学者通过深度学习

、

应力强度

、

有限元分析等

手段进行了大量研究

，

均未获得满意效果叫文献曝先针对压力容

器衰减路径与扩展速率的时变性问题进行研究撚而其理论并不能

完全适用于油气管道点蚀缺陷

。

易萌生新的易于引发重大安全事故的缺陷

。

其中

，

点蚀缺陷是存在

周期最长

、

最普遍

、且大概率形成穿孔泄露的缺陷

。

API-579

是由美

过去普遍采用失效评定图法

，

如图

1

所示

。

它对点蚀缺陷评

价是静态的只关注缺陷安全与否

,

即只关注安全评估点落在失效

国石油协会制定的油气管道剩余强度评价标准

，

是目前对油气管道

进行安全评价最为可行的技术准则巳然而

API-579

标准中评价方

评定图

（

FAD

）

中的最终位置

,

关注其落在临界剩余强度因子对应

式只能给岀

“

安全

”

或

“

不安全

”

的评定

，

它不能反映管道点蚀缺陷

安全评定线的上方或下方

，

安全与否

，

而忽略其动态变化过程

。

为

的动态安全裕度或剩余寿命问题

。

对于油气管道的安全裕度及剩余

寿命研究

，

文献

3

建立了无缝表征模型的点蚀统一评价函数

。

文献网

此

,

针对油气管道动态安全裕度表征问题,建立安全衰减路径仿

真

，

提岀一种动态安全裕度表征模型

，

同时能够为缺陷寿命预测

通过

Paris

定律采用扩展有限元分析方法对缺陷的剩余寿命进行

来稿日期

：

2020-07-10

提供基础

。

基金项目

：

国家自然科学基金资助项目

（

51875371

）

；

四川省高新技术及产业化面上项目

（

2017GZ0423

）

作者简介:

孙

鑫

,

（

1996-

）

,

男

，

硕士研究生

，

主

要研究方向:机械装备可靠性安全评估；

龙

伟

,

（

1956-

）

,

男

，

博士生导师

，

教授

，

主要研究方向:工业自动化

6

孙

鑫等:含点蚀油气管道动态安全裕度表征模型

第

5

期

RSF

•

安全评定点

1

安全区

RSF

安全评定线

a

•

安全评定点

2

不安全区

T

图

1

点蚀缺陷

FAD

图

Fig.1

FAD

Diagram

of

Pitting

Defects

2

点蚀缺陷安全衰减路径形态

2.1

无缝表征点蚀模型

本课题组文献|3

］

在先期油气管道安全评价研究中

，

解决了

API-579

标准只能离散评估标准模态剩余强度的问题

。

最先给岀

了点蚀面积占有比的定义

，

并将它与剩余强度因子和剩余壁厚比

之间统筹考虑

,

建立油气管道剩余强度的无缝表征模型

。

具体参

考文献

|3

］

。

含点蚀缺陷剩余强度

“

无缝表征模型

”

如下

：

RSF

=

k-Rwt

+(1-

k

)

(

1

)

其中,

k

的由如下关系式求岀

：

(

1

)

当

1%

时,

k=0.135

(

2

)

k=

m

m-m

-m

-

(

k

1

-k

)

+k

”

+1

”

"

+1

”

当

2.6%

时

，

,=2

;

当

4.74%

8.75%

时

，

,=3

;

当

&

75%

16.94%

时

，

,=4

;

当

16.94%

24.39%

时

，

,=5

;

当

24.39%

时

，

,=6

;

当

31.4%

时

，

,=7

;

式中:

RSF

—

剩余强度因子

;Rwt

—

剩余壁厚比;

m

—

点蚀面积占比

。

虽然该模型依然只能静态表征

API-579

标准中油气管道的

剩余强度以及评价其安全性

，

但其表征了剩余强度因子

RSF

、

剩

余壁厚比

Rwt

及面积占比

m

三者的关联函数

，

为油气管道安全

衰减路径形态研究及动态安全裕度表征提供了一定基础

。

2.2

点蚀缺陷衰减路径形态

API-579

标准评价给岀一个了安全评定点

，

设定点蚀剩余壁

厚比增量

驻

Rwt,

通过剩余壁厚比

Rwt

和点蚀面积占有比

m

变化

关联函数

，

重新代入无缝表征模型

,

会得到一个新的安全评定点

。

依次迭代

，

在以

RSF

和

Rwt

表征的

FAD

图中

，

对点蚀缺陷在失

效评定图的时变评定点进行动态仿真

，

可得到一条从安全区安全

评定点连续衰减至非安全区安全评估点的曲线,

将该曲线定义为

点蚀缺陷安全衰减路径

。

利用点蚀缺陷衰减路径仿真系统输入三

种常见关联函数获取的点蚀缺陷不同衰减路径形态

，

如图

2

所

示。

关于点蚀缺陷衰减路径形态研究中

，

显然关联函数是获取

准确安全衰减路径的基础

。工程应用中

,油气管道实际工作环境

相当复杂

，

不确定因素较多

,Rwt

与

m

关联函数远不止图示三种

。

基于场指纹无损检测技术的点蚀缺陷实时状态监测方法

|9-10

］

,能

够准确获得点蚀

Rwt

与

m

关联函数变化关联函数

，

对点蚀缺陷

在失效评定图的时变评定点进行动态调整

，

从而获得不同形态的

安全衰减路径

,

并据此分析点蚀缺陷安全裕度。

2.3

点蚀缺陷安全衰减时变性分析

衰减路径上相近评定点缺陷剩余强度衰减步距和衰减速率

表现岀逐渐增大的变化趋势

，

如图

2

所示

。

这种趋向表明了油气

管道点蚀缺陷剩余强度的动态变化趋向

，

也符合工业应用中油气

管道点蚀缺陷安全性衰减的实际趋向。

1.0

「

安全区

评定线

0.8

-

0.6

s

-

0.4

-

失效区

0.2

-

0

0.2

0.4

0.60.8

1.0

Rwt

(

a

)

Rwt

=1

-m

1.0

「

安全区

-工

评定线

0.8

-

0.6

s

-

0.4

-

失效区

0.2

-

0

0.2

0.4

0.60.8

1.0

Rwt

(

b

)

Rwt

2

+

m

2

=l

1.0

-

安全区

..

--■■-

••

评

■

定线

0.8

-

r

0.6

-

禺

0.4

-

失效区

0.2

-

0

0.20.4

0.6

0.8

1.0

Rwt

(

c

)

Rwt

=1-

m

2

图

2

不同关联函数衰减路径仿真图

Fig.2

Simulation

of

Attenuation

Path

of

Different

Correlation

Functions

根据仿真图所反映岀来的关联变化可知

，

点蚀动态安全裕

度不仅与衰减路径的形态方向有关

，

还与缺陷的衰减速率紧密联

系

。

3

安全裕度表征模型

3.1

安全衰减速率

点蚀缺陷动态安全裕度与衰减速率呈非线性的关系

，

为了

将这种非线性关系定量的表征岀来

,

引入了失效路径速率积分的

概念

,即根据衰减路径上的启始评定点所处在路径的位置

,

采用

该评定点与失效速率拐点之间的

L,-V,

曲线即路径速率积分来

表征该评定点的真实安全距离。

点蚀缺陷的失效速率是缺陷实际扩展速率在安全评定图衰

减路径上时变性的反映

。

据此

，

可以设点蚀缺陷的失效速率为

：

No.5

May.2021

V

s

=d

L

s

/d

t

评定点间时间

。

机械设计与制造

(

2

)

7

某油气管道设备在

2014

年至

2017

年

10

次检测及安全评估

式中:

V

s

—

衰减速率

;

dL

s

—衰减路径上相邻评定点距离

;

dt

—

相邻

后对应的点蚀缺陷剩余壁厚比

、

剩余强度因子

、

及由照片提取的

点蚀面积占比

，

如表

1

所示

。

由此给岀油气管道动态安全裕度表

征模型具体实施案例

。

由实际检测

RSF

与

RWT

数据得到增量关

系及关联函数

,

输入衰减路径仿真系统得到安全衰减路径

,

如图

3.2

动态安全裕度表征

通过腐蚀缺陷安全衰减路径仿真系统

，

运用积分原理可以

计算岀每一个时刻的剩余路径长度

L

s

及失效速率

V

s

,

建立点

4

所示

。

以相邻评定点之间

dL

s

及时间

dt

得到临界失效速率之内

失效路径速率仿真图

，

如图

5

所示

。

1.0

0.9

0.8

0.7

失效区

安全区

(

VsZ)

为失效速率点

，

如图

3

所示

。

绘制失效速率图

。

•

••评定线

0.6

0.0

0.2

0.4

0.6

Vs

0.8

1.0

1.2

'

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Rwt

图

3

失效路径速率仿真图

Fig.3

Failure

Path

Rate

Simulation

Diagram

图

4

实施例点蚀安全衰减路径图

Fig.4

Pitting

Safety

Attenuation

Path

Diagram

of

the

Embodiment

1.8x10

-1

采用高次幂函数多项式来拟合曲线

：

L

s

=a

0

+Q

]

V

s

+a

2

V

s

+色

V

s

式中:

，

1

,

2

,

3

—

多项式系数

。

1

2

3

/

、

(

3

)

1.6x10T

1.4x10

-1

1.2x10

-1

可建立点蚀安全衰减路径及动态安全裕度一般表达式:

£1.0x10T

8.0x10

-2

叭

=

t

I

=

]工

dV

1

n

0

s

⑷

6.0x10

-2

4.0x10

-2

2.0x10

-2

厶=

]

L

s

d

V

s

式中:

M

s

—

缺陷动态安全裕度

；

一缺陷安全评估中间点

n

衰减到

安全临界点轨迹的路径速率积分也称剩余路径速率积

0.0

2.0x10

-

3

4.0x10

-3

6.0x10-3

8.0x10

-3

1.0x10

-2

1.2x10

-2

Vs(

单位:

/month

)

图

5

实施例失效路径速率图

Fig.5

Failure

Path

Rate

Simulation

Diagram

of

the

Embodiment

检测周期单位为月

，

取安全评定临界剩余强度因子

0.9

。

分;

；

一缺陷安全评估起始点

n

衰减到安全临界点

n

轨迹

的路径速率积分

。

采用三次函数多项式来拟合路径速率曲线得到

：

Ls

=0.19

V

s

+0.135

V

2

-0.003

V

；

以

2015

年

8

月

8

日检测结果为例

,

衰减路径上对应点

由此安全裕度模型可以看岀

，

当衰减速率逼近临界衰减速

率时，

剩余路径速率积分趋向于

o

,

动态安全裕度趋向于

o

,

因此

，

基于失效路径速率积分所提表征模型能够定量的表征点蚀缺陷

(

0.98

,

0.92

1),

失效速率图中对应安全评定点

(

0.004

,

0.054

),

将其带

入式⑷得到油气管道对应动态安全裕度为

0.937

。

由图

5

可知

，

安

动态安全裕度与衰减速率非线性关系

，

同时可以直观的反应点蚀

缺陷的时变安全裕度

。

全评定点靠近衰减起点

，

安全裕度大

，

安全程度高

,

结果可靠。

:

结论

给岀了关于含点蚀缺陷油气管道的动态安全裕度计算方

4

具体实施案例

表

1

实施例油气管道在线监测数据

法

,

能够有效的表示油气管道的安全程度,为预测油气管道剩余

寿命提供支持

。

⑴研究点蚀无缝表征模型

,

通过点蚀面积占比和

Tab.1

Oil

and

Gas

Pipeline

Online

Monitoring

Data

检测时间

2014/11/17

rsf

0.997

0.985

点蚀占比

0.039

0.162

RWT

剩余壁厚比关联函数仿真获得点蚀不同形态的安全衰减路径

。

(

2)

在分析点蚀缺陷失效速率与衰减路径时变关系的基础上

，

通

过失效路径速率积分解析方法

,

给岀一种油气管道点蚀缺陷动态

0.986

0.955

2015/1/21

2015/3/3

2015/8/8

0.982

0.181

0.083

0.961

0.921

0.965

0.98

0.978

安全裕度表征方法

。

(

3

)

基于安全衰减路径轨迹及安全裕度表征

2015/12/18

2016/1/12

2016/5/13

0.332

模型

，

研究剩余壁厚比

Rwt

和检测周期

T

的关联性

，建立起含点

蚀缺陷油气管道剩余寿命模型可以作为进一步研究方向

。

0.95

0.935

0.517

0.391

0.478

0.926

0.896

0.845

2016/10/28

2017/2/27

2017/8/8

0.9

0.885

0.873

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13

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Bai

Jing

,

Ren

Jia-jun

,

Li

e

life

analysis

of

bucket

and

bu

­

cket

rod

assembly

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safety

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method

for

pressure

pipeline

contain

­

材料

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)

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(

Chen

tion

method

of

residual

strength

of

corroded

pi

­

peline

and

prediction

of

residual

lifeJ

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Engineering

Mate

­

ing

Defects^J

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