海洋石油平台在役压力管道壁厚安全评估

邹继成

（中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200335）

0 引言

目前，中国海域海洋石油平台压力管道统一采用美标标准设计。在平台生产服役期间，由于压力管道内流体的冲刷、内腐蚀及外部环境等因素形成的外部腐蚀，造成了管道壁厚的减薄。为保证压力管道安全使用，有效评估压力管道剩余壁厚的安全性是非常有必要的。

1 海洋石油平台压力管道设计

1.1 压力管道的壁厚计算

海洋石油平台压力管道壁厚设计计算是根据美标标准ANSI B31.3，按照公式计算得出：Tmin=PD/2（SE+PY）+CA，Tmin＜D/6。

其中：Tmin是最小需求壁厚（设计壁厚）；CA 是机械裕量的总和，包括机械、腐蚀和侵蚀裕量等；P 是管道内部介质设计压力，单位kg/sq.cm；D 是管道外径，单位mm；S 是材料基本许用应力；E 是质量因素，其值参考ANSI B31.3；Y 是有效因子，按照ANSI B31.3。

为了和后面的壁厚表示一致，定义不带腐蚀余量壁厚PD/2（SE+PY）为计算壁厚，带腐蚀余量壁PD/2（SE+PY）+CA 为设计壁厚。

1.2 压力管道的最小壁厚要求

计算出的壁厚Tmin和引用ANSI B36.10 的最厚或最薄壁厚值比较。允许计算值的公差为±1/16 英寸。如果计算出的壁厚，小于最小选型厚度，为保持管道的机械强度要求，最小选型厚度其值按照表1 选择（碳钢）。

表1 碳钢管道不同尺寸最小壁厚要求

1.3 美标管道壁厚的选择

海洋石油平台美标钢管壁厚系列是以管子表号表示（管子表号不是壁厚），该表示方式是按照美国国家标准协会ASMEB36.10 标准制定的，分以下级别：SCH10、SCH20、SCH30、SCH40、SCH60、SCH80、SCH100、SCH120、SCH140、SCH160。

对于奥氏体不锈钢ASME B36.19 管子表号为：SCH-5S、SCH-10S、SCH-20S、SCH-30S、SCH-40S、SCH-80S。

表2 0.5～2 英寸美标管道壁厚表示

1.4 压力管道的设计选型

以2 英寸碳钢管道、内部介质为石油、管道内介质设计压力为1480 kPaG 为例。

（1）查询。P=1480 kPa，D=60.3 mm，S=137 900 kPa，E=1，Y=0.4，CA=3 mm，最小壁厚级别STD，最小壁厚值3.91 mm，公差12.5%。

（2）计算。根据公式Tmin=PD/2（SE+PY）+CA，得出Tmin=1 480×60.3/2（137 900×1+1 480×0.4）+3=3.32 mm。

（3）选择。由于2 英寸碳钢管道最小壁厚级别为STD，对应壁厚为3.91 mm，若考虑公差12.5%，则对应壁厚为3.42 mm 仍然大于3.32 mm。故，本管道选择的是SCH40 的碳钢管道，实际选型壁厚为3.91 mm。

（4）从上例可知，该2 英寸管道计算壁厚为0.32 mm，设计壁厚为3.32 mm，选择壁厚为3.91 mm。

2 海洋石油平台在役压力管道安全评估

2.1 评估方法选择

对于含腐蚀缺陷的管道，通常用剩余前度对管道的安全性进行评估，目前国外围绕腐蚀管道的破坏机理和极限承载力进行了大量研究并颁布了一些标准和研究方法，包括API RP 14E、DNV—PR—F101 准 则、API579 准 则、SHELL92 及PCORRC 等方法，国内也针对管道腐蚀安全性评估制定了一些评价规范，如《钢制管道腐蚀损伤评价方法》（SY/T 6151—2009）及《含缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》（SY/T 6477—2000）等，但是这些规范主要还是依据国外标准进行制定。

海洋石油平台压力管道主要承受的是内压；外部轴向力/附加荷载的作用较少，可不做考虑；缺陷为孤立缺陷。通过以上标准的对比分析，采用API RP 14E 标准中许用应力法对对压力管道剩余强度进行计算。

2.2 评估方法介绍

从海洋石油平台压力管道设计可知，压力管道在设计过程中考虑了腐蚀余量、机械公差等因素，在选型时又增加了选择的余量。在评估时要充分考虑这些因素，方能做到既安全又经济。

（1）管道实际壁厚测量。根据现场腐蚀情况，有针对性地对管道进行壁厚测量，取得管道腐蚀最严重的点的壁厚值。

（2）管道壁厚计算。根据《Offshore Production Platform Piping Systems》（API RP 14E—2007）的推荐算法：当计算壁厚小于管子外径D0的1/6 时，ts=PiD0/2（SE+PiY）。其中，ts是计算壁厚，单位mm；D0是管道的外径，单位mm；S 是设计温度下的材料许用应力，单位MPa；E 是焊缝系数；Pi是设计压力，单位MPa；Y 是温度系数。

（3）剩余寿命的估算。y=（t0-ts）/CR。其中，y 是剩余寿命，单位yr；t0是取设计壁厚和实测壁厚较小值，单位mm；CR 是设计腐蚀速率和计算腐蚀速率较大值，单位mm/yr。

（4）以2 英寸碳钢管道举例分析。内部介质为石油、管道内介质设计压力为1480 kPaG 为例，该管道在使用了10年后，测量壁厚为3 mm，来评估该管道的安全可靠性：①实际测量壁厚3 mm，计算壁厚（和压力相关）1 480×60.3/2（137 900×1+1 480×0.4）=0.32 mm，设计壁厚（和余量相关）3.32 mm，选择壁厚（和标准相关）3.91 mm；②腐蚀余量，该管线使用了10年，壁厚从3.91 mm 减薄为3 mm，算出该管道的腐蚀速率为0.091 mm/yr；③评估该管道可以继续使用年限，（3-0.32）/0.091=29.45年。

3 结束语

压力管道在设计选型时，腐蚀等各余量选用的是经验值，且比较保守。经过一定的运行年限，可以推算出实际的腐蚀余量，作为重新计算评估的依据。美国国家标准协会ASMEB36.10 标准中，钢管的等级跨度大，同尺寸只对应4 种壁厚的钢管（SCH40、SCH80、SCH160、XXS），选型时都选择壁厚大的，导致实际管道的壁厚增加。通过以上分析可知，实际的计算壁厚是很小的，考虑到压力管道的使用年限、腐蚀余量、机械加工安装、钢管的标准等要求，最终将管道的实际壁厚放大了很多。

在油田生产运营期间，发现了壁厚减薄情况，只要没有小于计算壁厚（和压力相关）的壁厚，都没有必要立即停产整改。充分准备好物资和方案后，有计划地实施更换，可以在保证安全的情况下，将经济效益最大化。