劉承磊1 李曉暉1 尤杰1 傅友1 陳彥云2 劉家辰2
1.中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室； 2.長(zhǎng)慶油田分公司第十一采油廠

摘 要：傳統(tǒng)的管道剩余壽命預(yù)測(cè)方法容易造成預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)于保守。通過(guò)分析內(nèi)檢測(cè)過(guò)程中的誤差來(lái)源和分布特性，基于正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，建立了改進(jìn)腐蝕生長(zhǎng)速率計(jì)算模型，并在工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析中得到改善，有助于制定更加可靠的管道檢測(cè)維修計(jì)劃，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

傳統(tǒng)基于內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的腐蝕生長(zhǎng)速率計(jì)算，一般通過(guò)一次或多次管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，通過(guò)檢測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)的生長(zhǎng)尺寸變化計(jì)算其生長(zhǎng)速率，進(jìn)一步預(yù)測(cè)管道的剩余壽命[1-3]，生長(zhǎng)速率計(jì)算通常基于保守的原則。由于管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)存在一定的局限性，這種生長(zhǎng)速率計(jì)算方式可能會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果過(guò)于保守。

改進(jìn)腐蝕生長(zhǎng)速率計(jì)算模型考慮了管道內(nèi)檢測(cè)的測(cè)量偏差和檢測(cè)數(shù)據(jù)存在的離散誤差。兩次內(nèi)檢測(cè)缺陷深度服從一定均值μ和方差σ 的正態(tài)分布，最終計(jì)算出的缺陷各自的生長(zhǎng)速率也服從正態(tài)分布。通過(guò)建立腐蝕缺陷生長(zhǎng)速率的正態(tài)分布模型，結(jié)合DNVRP-F 101標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，選取腐蝕缺陷95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)速率進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)。

1 腐蝕生長(zhǎng)速率計(jì)算

根據(jù)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，應(yīng)從保守性和合理性的角度出發(fā)，結(jié)合管段自身特點(diǎn)、缺陷生長(zhǎng)特性以及內(nèi)檢測(cè)精度指標(biāo)等因素，合理計(jì)算并選取缺陷生長(zhǎng)速率值。

1.1 傳統(tǒng)工程使用的計(jì)算方法

基于管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的腐蝕缺陷生長(zhǎng)速率計(jì)算普遍采用線性生長(zhǎng)模型，即認(rèn)為兩次內(nèi)檢測(cè)的時(shí)間間隔內(nèi)，腐蝕缺陷呈勻速或線性增長(zhǎng)，并且僅考慮缺陷深度的增長(zhǎng)[4]。生長(zhǎng)速率計(jì)算公式（1）如下。

其中：CR為缺陷的生長(zhǎng)速率；

Depth2為本次檢測(cè)的缺陷深度， mm；

Depth1為上次檢測(cè)的缺陷深度， mm；

T2為本次檢測(cè)的日期；

T1為上次檢測(cè)的日期。

由于管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的各類不確定因素以及內(nèi)檢測(cè)的測(cè)量誤差等原因，通常腐蝕生長(zhǎng)速率計(jì)算基于保守的考慮。充分保證結(jié)果的保守性就容易造成維護(hù)維修成本的增加，給管道運(yùn)營(yíng)，尤其是管道服役中后期的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大的壓力。

1.2 改進(jìn)的腐蝕生長(zhǎng)速率計(jì)算模型

內(nèi)檢測(cè)技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和缺陷量化過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。行業(yè)普遍認(rèn)為，內(nèi)檢測(cè)的誤差來(lái)源分為兩類：測(cè)量偏差和數(shù)據(jù)離散。測(cè)量偏差是指重復(fù)性檢測(cè)過(guò)程中同一缺陷的平均檢測(cè)值與真實(shí)值之間的偏差；數(shù)據(jù)離散則反映了重復(fù)性檢測(cè)過(guò)程中同一缺陷不同次檢測(cè)值之間的分散程度[5]。測(cè)量偏差一般是由于內(nèi)檢測(cè)設(shè)備本身特性和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行等因素造成；而數(shù)據(jù)離散則取決于內(nèi)檢測(cè)精度指標(biāo)。

一般認(rèn)為，如果兩次內(nèi)檢測(cè)采用相同的內(nèi)檢測(cè)設(shè)備和缺陷量化模型，則測(cè)量偏差可以最大程度的予以降低消除，此時(shí)內(nèi)檢測(cè)誤差來(lái)源于數(shù)據(jù)離散，僅與內(nèi)檢測(cè)精度指標(biāo)有關(guān)。這種情況下，缺陷的檢測(cè)深度服從一定均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ 的正態(tài)分布，其中均值μ等于缺陷的實(shí)際尺寸，標(biāo)準(zhǔn)差σ 可以結(jié)合內(nèi)檢測(cè)精度指標(biāo)和正態(tài)分布特點(diǎn)計(jì)算得到，如圖 1。

根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律，如果兩次檢測(cè)的缺陷深度分別服從正態(tài)分布N1（μ1,σ12）和N2（μ2,σ22），則兩次深度差值服從正態(tài)分布N3（μ2-μ1，σ12+σ22）。

根據(jù)公式（1），缺陷的腐蝕速率也可以用正態(tài) 分布模型加以描述，如圖2所示。

基于內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比和以上計(jì)算過(guò)程，可以確定每一缺陷的生長(zhǎng)速率正態(tài)分布模型。 DNV-RP-F 101- 2015中2.9.2.1章節(jié)對(duì)管道剩余壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了描述， 推薦選取95%分位數(shù)對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)速率值計(jì)算管道剩余 壽命，如圖 3所示。其計(jì)算公式為μ+1.645σ。 該計(jì)算模型既能較為合理的反映各個(gè)缺陷的生長(zhǎng)特性；又充分考慮了內(nèi)檢測(cè)的精度誤差。

2 實(shí)例分析

以國(guó)外某管段A為實(shí)例，通過(guò)兩次內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析缺陷生長(zhǎng)特性，分別基于傳統(tǒng)和改進(jìn)的生長(zhǎng)速率計(jì)算模型，預(yù)測(cè)管道剩余壽命，分析和比較剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。

該管道為32英寸原油管道，于2006年建成投產(chǎn)，分別于2009年和2015年采用同一高清漏磁檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了漏磁檢測(cè)。

2.1 兩次內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析

該管段在2009年首次檢測(cè)中共發(fā)現(xiàn)2 523處外部金屬損失缺陷， 2015年次輪檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)了3 074處外部金屬損失缺陷。通過(guò)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得到兩次檢測(cè)深度對(duì)比和缺陷生長(zhǎng)速率統(tǒng)計(jì)，如圖 4所示。

通過(guò)兩次檢測(cè)深度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)金屬損失在檢測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)了生長(zhǎng)，并存在部分新增的金屬損失。但大部分缺陷的生長(zhǎng)速率較低，腐蝕速率在0～0.2 mm/y之間的缺陷2 370處，約占總數(shù)的78 %。僅部分缺陷速率較高，最高速率值達(dá)0.7 mm/y。

2.2 缺陷生長(zhǎng)速率計(jì)算

兩次內(nèi)檢測(cè)采用相同的檢測(cè)設(shè)備和量化模型，誤差取決于內(nèi)檢測(cè)精度指標(biāo)，符合正態(tài)分布。內(nèi)檢測(cè)精度指標(biāo)和對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差如表 1所示。

分別選取傳統(tǒng)的最大生長(zhǎng)速率（通過(guò)2.1確定為 0.7 mm/y，記為速率1）和改進(jìn)計(jì)算模型確定的生長(zhǎng)速率（記為速率2），預(yù)測(cè)管道缺陷剩余壽命，兩種生長(zhǎng)速率對(duì)比如圖 5。

2.3 剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

基于兩種缺陷生長(zhǎng)速率得到管道缺陷處剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和對(duì)比，基于速率1的缺陷剩余壽命絕大部分集中在9～15年（84.7%）；而基于壽命2的缺陷剩余壽命大部分大于15年（78.1%），保守程度明顯下降。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，以5年作為維護(hù)維修計(jì)劃周期，對(duì)5年需要計(jì)劃維修的金屬損失進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖 6。結(jié)果顯示，基于速率1計(jì)算得到的計(jì)劃維修缺陷點(diǎn)數(shù)量（265處）多于速率2（164處）；兩種速率得到的計(jì)劃維修點(diǎn)大部分集中在檢測(cè)里程的前18 km，有明顯的聚集趨勢(shì)，分別占總數(shù)的70.9 % （188處）和76.8 %（126處）。

從缺陷深度的角度分析，計(jì)劃維修缺陷中深度30% wt以上的缺陷數(shù)量基本相同，但基于速率1得到的深度0～30% wt范圍內(nèi)的計(jì)劃維修缺陷點(diǎn)數(shù)量較多；從計(jì)劃維修年份角度分析， 2015年（立即維修點(diǎn)）和2016年計(jì)劃維修的缺陷點(diǎn)數(shù)量基本持平，但2017至2020年，計(jì)劃維修的缺陷數(shù)量差別逐年增加；基于速率1得到的計(jì)劃維修缺陷點(diǎn)中，深度范圍為0～30% wt的缺陷點(diǎn)數(shù)量較多且剩余壽命集中在3～5年，分析結(jié)論具有一致性。

通過(guò)剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，基于速率2的缺陷剩余壽命兩種方法得到的計(jì)劃維修缺陷點(diǎn)沿檢測(cè)里程分布規(guī)律基本相同；深度30% wt以上和計(jì)劃維修年在1年以內(nèi)的缺陷點(diǎn)數(shù)量幾乎沒有差別；但由于速率1計(jì)算的保守性，有相當(dāng)數(shù)量深度范圍0～30% wt的缺陷點(diǎn)需要在3～5年內(nèi)計(jì)劃維修。因此，基于速率2的剩余壽命預(yù)測(cè)方法，在制定5年甚至更長(zhǎng)的維護(hù)維修計(jì)劃時(shí)，會(huì)得到較為合理的結(jié)果；而基于速率1的剩余壽命預(yù)測(cè)方法則可能會(huì)出現(xiàn)較多不必要的維修點(diǎn)，造成運(yùn)營(yíng)成本的增加。

3 結(jié)論

（1）基于兩輪或多輪內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析流程主要包括環(huán)焊縫對(duì)齊、缺陷對(duì)齊、缺陷匹配和缺陷生長(zhǎng)特性分析，將內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)集對(duì)比和信號(hào)對(duì)比相結(jié)合，保證數(shù)據(jù)對(duì)比的準(zhǔn)確性，為腐蝕缺陷剩余壽命預(yù)測(cè)提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）采用相同的檢測(cè)設(shè)備和缺陷量化模型，則可以認(rèn)為內(nèi)檢測(cè)誤差僅來(lái)自數(shù)據(jù)離散，缺陷檢測(cè)深度服從正態(tài)分布，以此為基礎(chǔ)建立了腐蝕缺陷生長(zhǎng)速率的正態(tài)分布模型。

（3）改進(jìn)的管道腐蝕速率計(jì)算方法更加符合腐蝕缺陷實(shí)際的生長(zhǎng)特性，有助于管道運(yùn)營(yíng)商全面深入的了解和監(jiān)測(cè)管道的腐蝕生長(zhǎng)狀態(tài)，制定更加可靠的檢測(cè)周期和維護(hù)維修策略，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

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作者：劉承磊， 1990年生， 2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油天然氣安全工程專業(yè)， 2015年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）安全技術(shù)及工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事管道完整性評(píng)價(jià)相關(guān)工作。