盧盛燦,張　軍,龔　翔，臧曉剛，陳懷民

(集美大學(xué) a.機(jī)械與能源工程學(xué)院；b.福建省能源清潔利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361021)

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腐蝕海底管道剩余強(qiáng)度分析

盧盛燦,張軍,龔翔，臧曉剛，陳懷民

(集美大學(xué) a.機(jī)械與能源工程學(xué)院；b.福建省能源清潔利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361021)

采用挪威船級(jí)社規(guī)范和美國(guó)工程師協(xié)會(huì)規(guī)范對(duì)管道各腐蝕點(diǎn)的剩余強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合彈塑性力學(xué)的相關(guān)理論，在考慮管道及土壤耦合的基礎(chǔ)上采用ABAQUS有限元軟件，再次計(jì)算管道腐蝕的剩余強(qiáng)度。對(duì)比分析兩種方法計(jì)算結(jié)果的差異，認(rèn)為規(guī)范計(jì)算比有限元方法更保守。

腐蝕管道；剩余強(qiáng)度；現(xiàn)役管道；有限元

隨著海底管道在役年限的增長(zhǎng)，管道的腐蝕現(xiàn)象日益嚴(yán)重，導(dǎo)致其壁厚減薄，最大安全承壓能力降低，管道失效的可能性逐漸增大。若不及時(shí)檢修維護(hù)或更換，可能造成局部管道穿孔滲漏甚至爆裂事故的發(fā)生。一旦發(fā)生事故，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及相應(yīng)的次生災(zāi)害。因此，為了預(yù)測(cè)整個(gè)管道的腐蝕情況，確定腐蝕對(duì)管道結(jié)構(gòu)完整性的危害程度，確保管道在服役期限內(nèi)的安全使用，有必要檢測(cè)管道當(dāng)前的腐蝕情況，評(píng)估管道的剩余強(qiáng)度，進(jìn)而評(píng)價(jià)海管的安全工作壓力。同時(shí)，還需要根據(jù)海底管道的運(yùn)行情況和服役期，預(yù)測(cè)管道的最終腐蝕情況，確保管道安全，必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施，如維修或更換。

對(duì)于管道腐蝕的定量評(píng)估的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一部分工作[1-4]，有通過對(duì)比一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基于非線性有限元方法模型，確定腐蝕管道的失效壓力[5]。也有通過建立管道有限元模型，評(píng)估管道的失效壓力[6]。在現(xiàn)有的關(guān)于腐蝕管道在役評(píng)估中，多數(shù)的研究?jī)H考慮了內(nèi)壓對(duì)管道的作用，忽視了管道與土壤之間的耦合作用。為此，考慮管道與土壤的耦合，基于規(guī)范的計(jì)算，以彈塑性理論分析方法為基礎(chǔ)，進(jìn)行有限元建模計(jì)算。根據(jù)對(duì)腐蝕管道與土壤接觸的特點(diǎn)，采用ABAQUS軟件，建立管土耦合的模型[7]，計(jì)算出腐蝕管道的剩余強(qiáng)度。

1　剩余強(qiáng)度評(píng)估方法

1.1ASME-B31G-2009標(biāo)準(zhǔn)方法

ASME-B31G標(biāo)準(zhǔn)是評(píng)估腐蝕管道的原始和最常用方法，評(píng)估方法主要基于斷裂力學(xué)的NG-18表面缺陷計(jì)算公式。安全準(zhǔn)則涉及屈服強(qiáng)度和流變應(yīng)力。對(duì)于簡(jiǎn)單的孤立缺陷，管道的內(nèi)部破壞壓力可以通過下式進(jìn)行計(jì)算[2]。

(1)

式中：PF——管道內(nèi)部失效壓力；

Sflow——材料的流變應(yīng)力；

t——管道的名義壁厚；

D——管道的外徑；

A——沿管壁總相平面內(nèi)腐蝕缺陷的投影面積；

A0——腐蝕缺陷的初始面積，A0=Lt；

Folias 因子是關(guān)于z的函數(shù)。

根據(jù)ASME B31G-2009[3]的要求，選取合適的安全系數(shù)SF，利用下式可以計(jì)算出管道的安全工作壓力PS：

PS=PF/SF

(2)

1.2DNV-RP-F101-2010標(biāo)準(zhǔn)方法

DNV-RP-F101-2010標(biāo)準(zhǔn)中采用的失效模型也是斷裂力學(xué)中的NG-18，其安全準(zhǔn)則是根據(jù)極限拉伸強(qiáng)度制定的。此規(guī)范中包含兩種評(píng)估方法：分項(xiàng)安全系數(shù)法和許用應(yīng)力法。分項(xiàng)安全系數(shù)法基于DNV-OS-F101海底管道系統(tǒng)的安全準(zhǔn)則，考慮腐蝕深度和材料性質(zhì)的不確定性因素，能客觀地反應(yīng)各個(gè)因素的影響；許用應(yīng)力法基于許用應(yīng)力設(shè)計(jì)(ASD)法，安全工作壓力為計(jì)算得到的失效壓力乘以安全系數(shù)。對(duì)于包括缺陷尺寸在內(nèi)的不確定性，需要評(píng)估人員自行判斷和確定相應(yīng)的安全系數(shù)。

1.2.1分項(xiàng)安全系數(shù)法

單獨(dú)缺陷作用的腐蝕管道在僅考慮縱向腐蝕和內(nèi)壓作用的情況下的許用壓力為下式[1]。

式中：Q——長(zhǎng)度修正系數(shù)。

(4)

(5)

(6)

(8)

式中：D——管道外徑；

t——管道壁厚；

l——腐蝕長(zhǎng)度；

d——腐蝕深度；

StD[d/t]——d/t的標(biāo)準(zhǔn)偏差，StD[d/t]=acc_rel/NORMSINV(0.5+conf/2)；

acc_rel——相對(duì)深度精確度；

H1——縱向壓應(yīng)力系數(shù)；

Ar——環(huán)向面積折減系數(shù)；

θ——腐蝕區(qū)域環(huán)向長(zhǎng)度與管道外周長(zhǎng)的比，θ=c/(πD)；

FX——軸向力；

MY——彎矩；

γd——裂紋深度的子安全系數(shù)；

γm——縱向腐蝕預(yù)測(cè)的子安全系數(shù)；

fu——設(shè)計(jì)中使用的拉伸強(qiáng)度，若不考慮溫度對(duì)其的影響，即為SMYS。

1.2.2許用應(yīng)力計(jì)算步驟

許用應(yīng)力計(jì)算步驟如下。

步驟1。計(jì)算組合縱向名義應(yīng)力σL，計(jì)算公式同式(7)。

步驟2。判斷外部縱向壓力載荷是否對(duì)孤立缺陷的爆破壓力Ppress造成影響：若滿足式(9)，則可以跳過步驟4。

(9)

(10)

步驟3。計(jì)算只受內(nèi)壓作用的爆破壓力Ppress。

(11)

步驟4。計(jì)算考慮縱向壓應(yīng)力的爆裂壓力Pcomp。

(12)

(13)

步驟5。腐蝕管道的破裂壓力為

(14)

步驟6。腐蝕管道的安全工作壓力為

(15)

式中：F——安全系數(shù),由F=F1F2計(jì)算得出。

其中：F1——模型安全系數(shù)，取0.9；

F2——操作安全系數(shù),通常取管道原設(shè)計(jì)時(shí)的值。

1.3基于彈塑性有限元評(píng)估方法

管道受到較復(fù)雜的載荷作用，主要有管道的重力、土壤應(yīng)力、管道壓力、靜水壓力及集中載荷等。不同的管道跨越形式使得載荷類型有所不同，埋設(shè)的位置和角度都會(huì)對(duì)其計(jì)算結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。有限元計(jì)算主要是基于彈塑性力學(xué)的基本理論，利用ABAQUS有限元軟件,建立管道與土壤耦合有限元分析模型[9-10]，模擬腐蝕后海管工況，進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變等靜力學(xué)分析,通過數(shù)值模擬得到腐蝕海底管道的剩余強(qiáng)度,評(píng)估海底管道的工作狀況和安全可靠性。

彈塑性失效準(zhǔn)則認(rèn)為，在管道受到內(nèi)壓的作用下，管道內(nèi)壁首先出現(xiàn)屈服，管道外壁還處在彈性階段，而管道內(nèi)部材料在外部材料的約束下，不至于使管道發(fā)生破壞，故只要管道的等效應(yīng)力處在某一應(yīng)力值以內(nèi)都認(rèn)為是安全的，這個(gè)應(yīng)力一般為材料屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度和的一半。即管道發(fā)生破壞的條件為

(16)

塑性失效準(zhǔn)則認(rèn)為當(dāng)管道在內(nèi)壓的作用下，只有管道內(nèi)外壁等效應(yīng)力均到達(dá)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，則管道發(fā)生破壞，即管道發(fā)生破壞的條件為

(17)

2　算例分析

采用規(guī)范對(duì)腐蝕海底管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度分析，其中DNV-RP-F101-2010規(guī)范中，分為兩部分計(jì)算：安全系數(shù)法(SCF法)；許用應(yīng)力法(ASA)。有限元方法計(jì)算也分兩個(gè)工況計(jì)算：正常作業(yè)工況，極限作業(yè)工況。管道所受的載荷包括重力、內(nèi)壓、外壓、鋪設(shè)殘余彎矩及溫度，管道兩端采用的約束類型為全固定約束，采用靜態(tài)加載方式。在不斷加大管道內(nèi)壓，計(jì)算當(dāng)管道最大應(yīng)力為材料最小拉伸應(yīng)力時(shí)，管道對(duì)應(yīng)的內(nèi)壓，即腐蝕管道的極限壓力。并綜合比較其計(jì)算結(jié)果。管道及腐蝕點(diǎn)的基本參數(shù)見表1、2。

表1　管道主要參數(shù)

表2　腐蝕點(diǎn)的基本參數(shù)

建立實(shí)體管土耦合模型。見圖1、2。

圖1　管道有限元模型

圖2　管道與土壤裝配有限元模型

腐蝕管道直接計(jì)算結(jié)果和管土耦合結(jié)果見圖3、4。

圖3　腐蝕管道與土壤耦合結(jié)果

圖4　腐蝕管道直接載荷結(jié)果

正常工況和極限工況應(yīng)力云圖見圖5、6。

圖5　管段正常工況應(yīng)力云圖

圖6　管段極限工況應(yīng)力云圖

采用ASME-B31G-2009、DNV-RP-F101-2010和有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比見圖7、8。

圖7　4種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的結(jié)果與腐蝕深度關(guān)系

圖8　4種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的結(jié)果與腐蝕長(zhǎng)度關(guān)系

3　評(píng)估方法結(jié)果分析

1)根據(jù)圖7、8可知，ASM-B31G-2009標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的結(jié)果與DNV-RP-F101-2010標(biāo)準(zhǔn)和有限元方法計(jì)算的結(jié)果有較大的偏差，ASM-B31G-2009標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生偏差的主要原因是視腐蝕長(zhǎng)度與工作壓力無(wú)關(guān)，對(duì)環(huán)向缺陷不進(jìn)行評(píng)估，只對(duì)單個(gè)腐蝕評(píng)價(jià)，這顯然是不合理的。

2)由DNV-RP-F101-2010標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果可知，安全系數(shù)(CSF)方法計(jì)算的海底管道腐蝕后的許用壓力大于海底管道正常工作壓力17.5 MPa，且均有一定的安全裕度。許用應(yīng)力(ASA)方法計(jì)算出的海底管道腐蝕后的許用壓力同樣大于海底管道正常工作壓力。相同情況下，僅考慮腐蝕和內(nèi)壓作用時(shí)，ASA法計(jì)算的結(jié)果比CSF法結(jié)果偏小，且ASA法的結(jié)果受腐蝕點(diǎn)幾何尺寸影響較小。對(duì)于兩種方法計(jì)算結(jié)果的分析可知，CSF方法考慮了檢測(cè)的精度與置信度，當(dāng)認(rèn)為檢測(cè)精度很高，即標(biāo)準(zhǔn)偏差為0時(shí)，CSF與ASA兩種方法計(jì)算的管道失效壓力值是一樣的。

3)根據(jù)管道應(yīng)力結(jié)果云圖(見圖3～6)可知，管道的最大應(yīng)力基本都集中在該管段腐蝕缺陷最嚴(yán)重的地方。進(jìn)一步分析各腐蝕坑處的應(yīng)力云圖可知，腐蝕坑深度對(duì)該處管道應(yīng)力影響較大。腐蝕坑越深，該處應(yīng)力越大。而腐蝕坑長(zhǎng)度和寬度對(duì)管道應(yīng)力集中影響不大。且當(dāng)腐蝕坑面積較大而深度較小時(shí)，因腐蝕坑周圍管道厚度變化較為均勻，反而該處不易發(fā)生應(yīng)力集中。

4　結(jié)論及建議

4.1評(píng)估結(jié)論

對(duì)比分析以上各表結(jié)果，得到以下結(jié)論:采用ASME B31G—2009準(zhǔn)則計(jì)算管道剩余強(qiáng)度時(shí)，其剩余強(qiáng)度約為23.971 MPa，采用DNV-RP-F101-201中的安全系數(shù)計(jì)算的平均剩余強(qiáng)度為24.217 MPa，許用應(yīng)力計(jì)算的平均剩余強(qiáng)度為24.108 MPa，管土耦合法中管道最大應(yīng)力位置位于腐蝕缺陷處，應(yīng)力值為24.530 MPa。結(jié)果表明采用ASME B31G—2009準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果保守性較高，采用DNV-RP-F101-201準(zhǔn)則及有限元法計(jì)算結(jié)果保守性較低，其中許用應(yīng)力計(jì)算方法的結(jié)果與安全系數(shù)計(jì)算方法的結(jié)果較為接近。

4.2評(píng)估方法使用范圍及建議

4.2.1DNV規(guī)范的適用范圍

1)基礎(chǔ)管材的內(nèi)腐蝕、外腐蝕；縱焊縫及環(huán)焊縫的腐蝕缺陷。

2)中高強(qiáng)度鋼(建議X64～X80鋼)。

3)孤立缺陷、交互缺陷或復(fù)雜缺陷。

4)任意形狀。

5)需要考慮內(nèi)壓和軸向壓力。

6)應(yīng)考慮缺陷模型不確定性(許用應(yīng)力法)。

4.2.2ASME規(guī)范適用范圍

1)中低強(qiáng)度鋼。

2)孤立缺陷或相鄰缺陷視為一個(gè)缺陷。

3)任意腐蝕形狀。

4)僅考慮內(nèi)壓。

5)不考慮缺陷模型不確定性。

4.2.3有限元方法適用范圍

有限元方法適用于任何類型管道和多種缺陷形式的分析計(jì)算。關(guān)鍵是管道材料的選取，若材料非線性，則需提供材料應(yīng)力應(yīng)變曲線；不同缺陷幾何形狀要合理模擬，不要在缺陷處出現(xiàn)網(wǎng)格劃分不合理和計(jì)算不收斂。對(duì)不同管道加載狀況，要合理進(jìn)行加載和邊界條件選取。

4.2.4建議

本文計(jì)算評(píng)估僅考慮了腐蝕、彎曲應(yīng)力及軸向壓力等，但是沒有考慮懸空后管道的渦激振動(dòng)影響。研究表明，渦激振動(dòng)對(duì)于管道的剩余強(qiáng)度影響很大[11]，所以在評(píng)估管道剩余強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)綜合考慮腐蝕、彎曲應(yīng)力、軸向壓力及渦激振動(dòng)等因素。

[1] DNV Recommended Practice, RP-F101.Corroded pipelines. Det Norske Veritas,2010.

[2] ASME B31G-2009. Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines[R].

[3] API 579: Fitness-for-service[S].2007.

[4] DNV Of shore Standard OS-F101 Submarine pipelines systems[S]. DNV，2005．

[5] NETTO T A, FERRAZ U S, ESTEFEN S F. The effect of corrosion defects on the burst pressure of pipelines [J]. Constructional Steel Research，2005,61:1185-1204.

[6] XU L Y, Cheng Y F. Reliability and failure pressure prediction of various grades of pipeline steel in the presence of corrosion defects and pre-strain[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping，2012，89:75-84.

[7] 任艷榮,劉玉標(biāo).用ABAQUS軟件處理管土互相作用中的接觸問題[J].力學(xué)與踐,2004(6):43-45.

[8] 催進(jìn)起,余曉勇,郭澤榮.基于ANSYS有限元法的長(zhǎng)輸油氣管道剩余強(qiáng)度與剩余壽命研究 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010(10):56-59.

[9] 費(fèi)康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2010.

[10] 劉鵬.管土耦合作用下溫度高壓海底管道屈曲數(shù)值分析[D].四川:西南石油大學(xué),2010.

[11] 艾尚茂.管土耦合邊界下海底懸跨管道渦激振動(dòng)研究[D].黑龍江:哈爾濱工程大學(xué),2010.

Analysis of Residual Strength of Corroded Submarine Pipeline

LU Sheng-can, ZHANG Jun, GONG Xiang, ZANG Xiao-gang, CHEN Huai-min

(a.School of Machinery and Power Engineering; b.Fujian Key Laboratory of Utilization and Development for Clean Energy,Jimei University, Xiamen Fujian 361021, China)

The rules of DNV-RP-F101 and ASME-B31G-2009 are adopted respectively to calculate the residual strength of corroded pipeline at several corrosion locations. According to the elastoplastic mechanics theory, the residual strength of pipeline corrosion is calculated again by FEM in ABAQUS, taking into account the effect of pipe and soil coupling. Comparative analysis of the difference of two results shows that results of the specification are more conservative then FEM results.

corrosion pipeline; residual strength; pipeline in service; finite element

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.029

2015-10-13

2015-10-26

福建省高校專項(xiàng)(JK2012027)；

盧盛燦(1989-)，研究生

U664.84;TE973.6

A

1671-7953(2016)01-0142-05

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014H6019)

研究方向:海底管道腐蝕泄漏

E-mail:schylar@126.com