邓霄，白天阳，崔宇翔，李智，毛一鸣，马伟平

（1.国家管网集团西部管道有限责任公司乌鲁木齐输油气分公司；2.中油国际管道有限公司；3.中国石油长庆油田公司第二采气厂；4.中国石油长庆油田公司陇东天然气项目部；5.国家管网集团北方管道有限责任公司管道科技研究中心）

0 引言

截至2020年底，中国国内油气长输管道总里程累计约为 14.5×104km［1］。因土壤环境和运行年限增加，腐蚀是管道壁厚减薄和强度可靠性降低的主要因素，管道腐蚀泄漏穿孔、失效事故频繁发生［2］。中国长输管道全面实施GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》，要求管道企业开展管道剩余寿命预测，根据管道腐蚀速率，评价管道现在剩余强度，预测管道未来发展趋势。因此含腐蚀缺陷在役管道剩余寿命预测具有实际意义，可为管道检测和维修提供决策依据，有助于降低管道事故概率、延长管道使用寿命［3］。本文阐述了国内外在管道剩余寿命预测方面的数学模型及计算方法，结合实际工程案例应用，评价了各类管道剩余寿命预测模型方法的准确度和优缺点，对于管道企业选择科学、适用的剩余寿命评价方法具有指导意义。

1 管道剩余寿命预测研究现状

针对含腐蚀缺陷管道剩余强度和疲劳失效机理的研究较为深入［4］，国内外制定的管道腐蚀缺陷评价标准主要有美国ASME B31G—2012《确定已腐蚀管线剩余强度的手册》、英国BS 7910—2019《金属结构缺陷评定准则》、挪威船级社 DNV—RP—F101《管道腐蚀缺陷评价》、中国SY/T 6477—2017《缺陷油气输送管道剩余强度评价方法》等。由于土壤环境的复杂性、多相性，以及管道制管水平和防腐层性能差异，管道运行期腐蚀动力学发展规律难以准确获得，管道剩余寿命预测具有随机性和不稳定性，还未形成统一公认的标准规范［5］。中国 GB/T 51172—2016《在役油气管道工程检测技术规范》给出了管道剩余寿命简化计算公式：

式中：TR——管道剩余寿命，a；ta——特定位置测量实际壁厚，mm；tr——设计壁厚（不含腐蚀裕量和制造公差），mm；Vc——管道腐蚀速率，mm/a。

管道剩余寿命预测难点在于管道腐蚀机理涉及管材、环境和力学等方面，诸多影响因素存在随机性、模糊性和关联性［6］。管道剩余寿命预测的研究方向是提高准确度和可靠性，包括：深入研究管道服役期间腐蚀变化规律，研发高精度、多用途管道外检测技术，管道检测数据有限时辅以数学分析方法等。

2 管道剩余寿命预测方法

2.1 基于腐蚀机理的预测方法

2.1.1 基于电化学理论预测法

该方法理论基础是埋地管道电化学腐蚀机理，假定土壤环境和腐蚀速率基本稳定，仅考虑管道发生外腐蚀，针对管道腐蚀缺陷形态和发展趋势近似处理。文献［7］认为埋地输油管道产生均匀腐蚀分为点蚀和片蚀两种类型，根据法拉第电化学定律，推导腐蚀管道剩余寿命计算公式。该方法优点是检测数据易于获得、应用方便，特别适用于经检测发现管道存在均匀腐蚀区域的情形。但实际上长输管道大面积均匀腐蚀较少见，多为局部腐蚀和点蚀，适用范围有限。

2.1.2 基于外腐蚀直接评价预测法

美国NACE SP 0502—2010《管道外腐蚀直接评价方法》指出确定腐蚀增长速率应基于合理的工程实践，针对最大剩余缺陷的剩余寿命也应采用合理的工程实践分析。在缺少检测数据和其他分析方法时，提出根据管道运行压力、壁厚和腐蚀速率预测剩余寿命的经验公式：

式中：C——校正系数 0.85；t——公称管壁厚度，mm；GR——腐蚀增长速率，mm/a；SM——安全余量（失效压力比率-最大允许运行压力比率，其中：失效压力比率=管道失效压力/管材屈服强度；最大允许运行压力比率=最大允许运行压力/管材屈服强度）。

基于管道外腐蚀直接评价预测法，假定腐蚀持续发生、腐蚀速率均匀以及腐蚀缺陷为典型特定形状和尺寸，因此该方法较保守。文献［8］应用ANSYS有限元方法确定含腐蚀缺陷管道的安全承压能力，以腐蚀最严重的开挖点为例（腐蚀深度0.32 mm），基于外腐蚀直接评价经验公式和有限元法，预测管道剩余寿命分别为20.76 a和25.38 a，得出结论：有限元法较准确，基于外腐蚀直接评价经验公式略保守。

2.1.3 管道点蚀首次泄漏失效寿命模型

管道防腐层破损后发生大面积均匀腐蚀，然后发生点腐蚀造成管道穿孔泄漏。美国CERL（建筑工程研究实验室）提出将管道由于防腐层失效发生腐蚀穿孔泄漏的周期定义为管道点蚀首次泄漏失效寿命。定义CSI（腐蚀状态指数）描述管道腐蚀状态，CSI=100指管道防腐层是新的或者完好的，CSI=0表示管道防腐层完全破坏或腐蚀穿孔。基于腐蚀状态指数的管道点蚀首次泄漏失效寿命模型：

式中：Age——管道自投产之日运行周期，a；dav——管段平均点蚀深度，mm；b0——管道壁厚，mm；ΔT——上次管道检测数据至现在的时间，a。

该方法适用条件为发生严重点蚀的管道，且要求检测周期规律、数据齐全，可获取较准确的平均腐蚀深度，对于新建管道且防腐层状况良好、土壤腐蚀性强的情形较为适用。

2.2 基于腐蚀缺陷评价的预测方法

国外针对管道腐蚀破坏机理和极限承载力开展了深入研究［9］。代表性的是美国ASME B31G—2012《确定已腐蚀管线剩余强度的手册》，适用于评价老龄化管道的轴向孤立型缺陷；英国BS 7910—2019《金属结构缺陷评定准则》是国际公认的海底管道腐蚀缺陷安全评定的依据，适用于孤立型和复杂缺陷；挪威船级社DNV—RP—F101《管道腐蚀缺陷评价》可针对X80钢级管道内外表面缺陷、孤立型、交叉复杂缺陷；美国Battle实验室开发的Pcorrc评价准则适用于X80钢级管道的孤立型缺陷，采用壳体单元有限元法模拟管道腐蚀缺陷受力情况。研究表明，DNV—RP—F101《管道腐蚀缺陷评价》精度最高，Pcorrc评价准则次之，主要问题是二者对于X80高钢级管道的精度要求较高（存在约7%～8%的相对误差）［10-11］。

文献［12］将平均腐蚀速率应用于腐蚀管道失效压力公式，建立了管道失效函数模型，分析了管道剩余寿命影响因素的敏感性，计算目标可靠度确定管道剩余寿命，认为径向腐蚀速率是管道失效的主要因素。文献［13］根据输油管道压力分布规律，采用修正的ASME B31G—2012《确定已腐蚀管线剩余强度的手册》计算管道失效压力对应的极限腐蚀缺陷尺寸，根据电化学理论腐蚀速率模型预测管道剩余寿命。以某输油管道局部腐蚀缺陷为例（深度2.5 mm、直径2.5 mm），剩余寿命为0.98 a，实际管道从检测后至发生泄漏时间0.9 a，误差为8.8%。上述研究及ASME B31G—2012《确定已腐蚀管线剩余强度的手册》未考虑管道腐蚀影响因素的累积效应，文献［14］基于Shell-92失效压力模型，引入CDF（累积密度函数）计算管道失效概率，采用Monte-Carlo（蒙特·卡罗）方法确定管道剩余寿命，以管径400 mm、壁厚7 mm为例，腐蚀深度由2 mm增加至4 mm，管道剩余寿命减少约8 a。为研究不同腐蚀形态和复杂缺陷对管道剩余寿命的影响，文献［15］分析了单点腐蚀和双点腐蚀缺陷的管道失效风险，结论是双点腐蚀缺陷的相互、叠加作用会增加管道的失效概率，但当蚀坑间距大于最小蚀坑长度时，可按单点腐蚀进行可靠性评估。

2.3 基于可靠性理论的预测方法

由于管材材料、缺陷几何尺寸、腐蚀速率存在不确定因素，以及在役管道运行参数的波动性，含腐蚀缺陷管道系统存在一定的可靠度和失效概率。基于可靠性理论的预测方法，需要足够多的腐蚀缺陷检测数据及响应检测时间样本集合，以保证预测精度。文献［16］基于可靠性理论建立腐蚀管道失效状态函数，统计腐蚀缺陷检测数据建立腐蚀速率概率分布模型，按照管道所处地区等级和风险等级设定目标可靠度和可接受概率，提出管道腐蚀可靠性寿命预测方法。以新疆油田采油一厂集输管道为例，得到位于一级、二级（三级）和四级地区管道腐蚀剩余寿命为8.8 a、7.4 a和6.1 a，为确定管道检测周期提供了依据。该模型意义在于借鉴DNV目标可靠度指标，在国内首次计算了集输管道目标可靠度和可接受失效概率指标，对长输管道具有参考价值。

文献［17］根据ASME B31G—2012《确定已腐蚀管线剩余强度的手册》建立管道失效状态方程，以美国API 579—2000《适用性评价推荐做法》推荐的目标可靠度为依据，得到管道运行不同年限的可靠度，选择按照中风险可靠度（二级地区）0.999，判断管道失效时间，但局限性在于未给出不选择低风险（一级地区）和高风险（三、四级地区）可靠度的原因。

2.4 基于概率统计理论的预测方法

基于极值统计理论的观点认为管道剩余寿命由最大腐蚀深度决定，最大腐蚀深度分布符合Gumbel（古比）极值分布规律。该理论具有一定合理性，但需要大量管道历史腐蚀检测数据和维修记录，且只能对管道系统进行整体评价，不能针对特定腐蚀点预测剩余寿命。文献［18］将影响管道剩余寿命的腐蚀速率、缺陷深度、管道壁厚和工作压力等因素视为分布各异的随机变量，建立了预测管道失效的概率数学模型。研究表明，缺陷深度在腐蚀缺陷形成初期，对管道可靠性影响较大；随着时间推移，腐蚀速率成为管道可靠性较大影响因素。针对输油管道提出按照每千米长度管道进行失效概率统计分析方法，可对管道系统安全状况做出合理预测。文献［19］建立了基于GEV（广义极值）自适应优选分布的腐蚀管道剩余寿命预测模型，其中改进 GEV分布预测管道剩余寿命31.04 a，与基于可靠度的管道设计寿命33 a较为接近。

2.5 基于腐蚀速率预测的数学算法

2.5.1 灰色分析法

海底管道由于环境特殊性，往往不具备足够的腐蚀检测数据，属于典型的影响因素不明确、数据有限无规律的灰色系统，采用概率统计方法预测寿命精度效果不佳。灰色理论是研究少数据、贫信息不确定性问题的首选方法。文献［20］根据 ASME B31G—2012《确定已腐蚀管线剩余强度的手册》推导了海底管道同时发生均匀腐蚀和局部腐蚀的极限内压公式，采用2004—2008年检测数据，利用灰色GM（1，1）模型验证了腐蚀量的预测值与实测值的可靠性；预测2008—2014年极限内压力，并与极限内压值对比，判定管道安全运行时间以及是否采取维修措施。该模型初步研究了局部腐蚀对管道强度的作用机理，未涉及腐蚀坑宽度、环向分布以及多个腐蚀坑相互影响等复杂情形。文献［21］利用灰色GM（1，1）模型和ASME B31G标准，考虑缺陷深度、缺陷长度、管道壁厚、管道直径、屈服强度、操作压力等因素，建立了镀锌钢低温运行腐蚀管道可靠性模型（-20 ℃），定量计算了缺陷深度、运行压力和管道壁厚与可靠度的关系。文献［22］建立了以灰色理论和马尔可夫链为基础的管道腐蚀剩余寿命预测方法，针对灰色模型原始数据进行二次平滑处理和白化系数寻优，相对传统的马尔科夫模型平均准确度提高40.33%。灰色分析法应解决的主要问题是中长期预测和动态预测的精度偏差问题，满足长期运行管道对预测精度的需求。

2.5.2 人工神经网络法

BP（反向传播）神经网络对动态规律性强的数据自适应性强，具备较好容错性和外推内插功能，适用于由于腐蚀影响因素多、相关性差、随机性大和样本数据有限情形，如，相对长输管道输送介质单一，集输管道腐蚀影响因素众多（H2S、CO2浓度、管道积水、流速、管道走向、结蜡结垢等），该方法适用非线性数据样本集处理，因此在长输管道领域应用有限，预测准确性还需进一步提高。文献［23］针对气田集输管道腐蚀诸多因素的复杂性和不确定性，提出了适用于集输管道人工神经网络预测方法，管道内壁腐蚀速率预测值与实际值平均相对误差为7.322%。

2.6 有限元数值模拟方法

有学者认为基于腐蚀机理的管道安全评估方法偏于保守，较为公认的观点是应关注双腐蚀缺陷和多腐蚀缺陷的相互作用，ASME B31G—2012《确定已腐蚀管线剩余强度的手册》等评价准则只能分析同一形状腐蚀缺陷，实际对于不同形状腐蚀缺陷聚集，应借助可靠性、准确度高的数值分析方法应用于管道评估，如，有限元方法可将腐蚀缺陷简化成多个椭圆或矩形缺陷。文献［24］采用ANSYS-Workbench（通用有限元分析）软件模拟管道双腐蚀缺陷，研究管道在不同面腐蚀缺陷参数下的等效应力判定管道是否失效，结果表明：等效应力随腐蚀区域长度增加呈上升趋势，随缺陷宽度增大趋于下降；腐蚀区域固定时，等效应力随腐蚀深度增加而增加。以X52钢级输油管道实际腐蚀速率为例，指出有限元法精度高于基于外腐蚀直接评价预测法。文献［25］采用有限元法中塑性失效准则，建立体腐蚀损伤有限元三维结构模型，以阿尔善—赛汗塔拉输油管道为例，得到不同腐蚀深度下（腐蚀深度1.75～4.90 mm，腐蚀长度200～500 mm）的管道剩余强度和使用寿命，进一步提高了管道寿命预测的仿真精度。

2.7 基于管道内检测技术的预测方法

应用概率统计和极值分析方法预测管道剩余寿命需要大量管道历史检测数据，即使应用管道剩余寿命预测理论方法，也至少需要两次检测数据，且预测精度与检测数据数量相关。通过实施外腐蚀检测、内检测或者直接开挖检测，掌握管道腐蚀状况，测定管道壁厚随时间的变化规律，验证并确定准确的腐蚀速率。近年来，国内新建管道工程普遍进行系统性腐蚀检测，也是未来的主流做法和发展趋势。文献［26］针对泰安—青岛—威海天然气管道进行三轴高清漏磁内检测，共获取内部和外部金属损失110 222处，采用修正的ASME B31G—2012《确定已腐蚀管线剩余强度的手册》和Kastner（卡斯特纳）评价方法计算了管道剩余强度和剩余寿命，定义ERF（预估维修比），在评价压力3.9 MPa下，有18处金属损失需要在5年内计划维修。

3 结论

当前，分析管道腐蚀趋势，研究管道剩余寿命，制定科学、合理的管道检测及维修计划，已成为管道管理者的重要职责和基本要求。管道管理者应以管道安全、可靠、高效为目标，延长管道使用寿命应掌握和遵循以下原则：

（1）在管道设计阶段，应考虑影响管道剩余寿命因素，包括腐蚀速率、缺陷深度、管道壁厚和运行压力等。在管道运行阶段，应考虑缺陷深度在腐蚀缺陷形成初期，对管道可靠性影响较大；随着运行年限增加，腐蚀速率成为主导因素。

（2）在预测管道剩余寿命方法选择方面，如考虑精度要求，则基于腐蚀机理的预测法较为保守，ANSYS有限元法可模拟较复杂腐蚀缺陷情形，精度相对较高；如新建管道或检测数据齐全，可采用基于可靠性和概率统计的预测方法；如数据有限或者为海底、集输管道，可采用灰色分析、人工神经网络等数学分析方法。同时，应系统总结管道剩余寿命预测方法的使用条件，制定含腐蚀缺陷管道剩余寿命预测方法选择标准。

（3）在管道运行管理过程中，为提高预测精度，应尽可能全面收集管道现场检测和试验数据，建立完善的管道检测数据库，为管道完整性管理提供基础数据支持。

（4）管道剩余寿命预测未来的研究重点应是深入研究管道腐蚀机理，准确计算管道腐蚀速率；目前研究主要针对腐蚀缺陷的管道剩余寿命开展，随着管道运行环境复杂多变，应研究防腐层老化（多腐蚀坑）、氢致开裂、应力集中、裂纹凹陷损失等因素与腐蚀缺陷的相互作用及影响。

（5）管道寿命预测设计的计算公式和数学分析较复杂，建议研制管道剩余寿命预测应用软件，方便现场技术人员使用。