于桂杰，段安琪，陳曉強(qiáng)

(中國石油大學(xué)(華東) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)①

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海底管道腐蝕剩余強(qiáng)度評價(jià)方法

于桂杰，段安琪，陳曉強(qiáng)

(中國石油大學(xué)(華東) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)①

海底油氣管道在內(nèi)外環(huán)境下會不可避免地造成腐蝕，嚴(yán)重威脅海上生產(chǎn)的安全性。從海底管道腐蝕成因入手，展開對管道腐蝕剩余強(qiáng)度評價(jià)方法研究。驗(yàn)證了有限單元法判斷管道剩余強(qiáng)度的可靠性，并找出影響管道強(qiáng)度的因素。通過建立海底管道內(nèi)腐蝕有限元模型，分析了在無外部載荷的環(huán)境下均勻腐蝕坑長度、寬度和深度對管道強(qiáng)度影響的大小，以及點(diǎn)蝕的孔徑與孔深對管道強(qiáng)度影響的大小。討論了在內(nèi)外壓聯(lián)合作用下，海洋拖曳力對腐蝕管道受力的影響以及外部集中載荷下腐蝕管道極限應(yīng)力。所得結(jié)果與ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC方法進(jìn)行比較，得出了有限元仿真海底管道腐蝕剩余強(qiáng)度評價(jià)方法是可靠的，腐蝕深度是影響管道強(qiáng)度的主要因素。

海底管道；腐蝕；剩余強(qiáng)度；模擬；評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

海底管道是海上油氣田的生命線，作為海上油氣運(yùn)輸?shù)拇髣用}，海底管道發(fā)揮著重要作用，其運(yùn)行狀況直接關(guān)系到海上油氣田的安全[1]。與陸地管道不同，海底管道的服役條件更加苛刻，監(jiān)測難度更大，其一旦發(fā)生事故將帶來海洋油氣田停產(chǎn)、水下維修、環(huán)境污染等諸多棘手問題。長時(shí)間的監(jiān)測與試驗(yàn)證明，腐蝕失效是海底管道失效的主要形式，所占比例達(dá)35%[2]，嚴(yán)重影響著海底管道的使用壽命。海底管道多使用鋼質(zhì)材料，因其耐腐蝕性較差，隨著海上油氣生產(chǎn)年限的延長，海底管道損壞率逐年上升，泄漏和破裂事故逐漸增多。因此，評估海底管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，對海底管道生命周期安全運(yùn)行具有深遠(yuǎn)的工程意義和社會效益。

1　海底管道腐蝕剩余強(qiáng)度理論基礎(chǔ)

本文研究海底管道腐蝕剩余強(qiáng)度的評價(jià)方法，選用規(guī)格為?711.2 mm(28 英寸)的我國南海某海底管道進(jìn)行計(jì)算分析。

管道內(nèi)壁施加內(nèi)載荷，管道內(nèi)應(yīng)力的計(jì)算式為[3]：

(1)

式中：σ為管道的環(huán)向應(yīng)力，MPa；D為管道內(nèi)徑，mm；p為管道內(nèi)壓，MPa；t為無缺陷時(shí)管道的壁厚，mm。

本文基于彈性失效，即腐蝕區(qū)Von Mises等效應(yīng)力達(dá)到管材的屈服強(qiáng)度時(shí)，管道會發(fā)生失效[3-4]。根據(jù)Von Mises準(zhǔn)則，保證管道安全的基本條件是[5]：

(2)

式中：[σ]為屈服應(yīng)力，MPa；σ1、σ2、σ3分別為x、y、z方向上的主應(yīng)力，MPa。

采用保守的評估方式，即當(dāng)腐蝕區(qū)的VonMises等效應(yīng)力滿足式(3)時(shí)管道處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

(3)

2　海底管道腐蝕剩余強(qiáng)度有限元分析

有限元方法不受模型的限制，可以有效分析含復(fù)雜缺陷管道的安全狀態(tài)，已經(jīng)在工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[6]。本文運(yùn)用有限元模擬軟件ANSYS進(jìn)行分析對比。

2.1無外載荷管道有限元計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)有限元軟件ANSYS計(jì)算結(jié)果，繪制腐蝕缺陷長度、缺陷圓心角、腐蝕深度與應(yīng)力的關(guān)系圖。

2.1.1均勻腐蝕

1)腐蝕缺陷長度對應(yīng)力的影響。

圖1給出了腐蝕缺陷長度對管道產(chǎn)生的影響。由圖1可知，3種不同的腐蝕深度，腐蝕缺陷長度對管道應(yīng)力的影響發(fā)展趨勢相同：等效應(yīng)力的大小均隨著長度的增加而上升，但上升幅度逐步減小，當(dāng)腐蝕長度達(dá)到一定值時(shí)，應(yīng)力幾乎不再變化。另外，不同深度腐蝕缺陷的等效壓力不同：深度越大，等效應(yīng)力越大。

圖1　腐蝕缺陷長度對內(nèi)應(yīng)力的影響

2)腐蝕缺陷圓心角對應(yīng)力的影響。

圖2給出了腐蝕缺陷圓心角對管道應(yīng)力的影響。

圖2　腐蝕缺陷圓心角對內(nèi)應(yīng)力的影響

由圖2可知，3種不同的腐蝕深度下，腐蝕缺陷寬度的圓心角對管道應(yīng)力的影響發(fā)展趨勢相同：等效應(yīng)力的大小均隨著圓心角的增大而降低，當(dāng)圓心角<20°時(shí)，等效應(yīng)力減小的很快，當(dāng)圓心角>20°時(shí)，等效應(yīng)力基本不變。同樣，不同深度腐蝕缺陷的等效壓力不同：深度越大，等效應(yīng)力越大。

3)腐蝕缺陷深度對應(yīng)力的影響。

圖3給出了腐蝕缺陷深度對管道應(yīng)力的影響。

圖3　腐蝕缺陷深度對內(nèi)應(yīng)力的影響

由圖3可知，3種不同的腐蝕長度下，腐蝕缺陷的深度對等效應(yīng)力的影響均很大，等效應(yīng)力與腐蝕缺陷深度之間存在一定的非線性增加關(guān)系，隨著深度的增加，等效應(yīng)力快速增加，而且當(dāng)深度較大時(shí)，等效應(yīng)力增加明顯。

綜上，對于均勻腐蝕，深度、圓心角、長度是影響等效應(yīng)力的主要幾何參數(shù)，而且影響權(quán)數(shù)依次遞減。因此，可以通過分析均勻腐蝕的深度、圓心角、長度參數(shù)初步判定管道腐蝕是否失效。

2.1.2點(diǎn)蝕

1)孔徑對應(yīng)力的影響。

圖4給出點(diǎn)蝕孔徑對管道應(yīng)力的影響。

圖4　點(diǎn)蝕孔徑對應(yīng)力的影響

由圖4可知，隨著孔徑的不斷增加，缺陷處所受的等效應(yīng)力也不斷增加，但增加的幅度無明顯特點(diǎn)。當(dāng)孔徑<8 mm時(shí)，孔深的增加對等效應(yīng)力的影響不大，當(dāng)孔徑>8 mm時(shí)，孔徑的增加對等效應(yīng)力的影響效果較為明顯。

2)孔深對應(yīng)力的影響

圖5給出點(diǎn)蝕孔深對管道應(yīng)力的影響。

圖5　點(diǎn)蝕孔深對應(yīng)力的影響

由圖5可知，等效應(yīng)力隨點(diǎn)蝕孔深的加深而增大。當(dāng)點(diǎn)蝕孔深<6 mm，孔深對點(diǎn)蝕管道的影響很小。當(dāng)點(diǎn)蝕孔深>6 mm時(shí)，對點(diǎn)蝕管道的影響較為明顯。內(nèi)腐蝕管道所受的等效應(yīng)力與點(diǎn)蝕孔深呈近似線性關(guān)系。當(dāng)點(diǎn)蝕孔徑為20 mm、孔深10 mm時(shí)，管道可初步認(rèn)定為失效。

2.2內(nèi)外壓聯(lián)合作用下管道有限元計(jì)算結(jié)果分析

外載荷對管道各處的影響不盡相同，因此腐蝕位置的改變也作為考慮的影響因素之一，建立完整的管道模型進(jìn)行分析。

2.2.1海洋拖曳力

海底管道在潮流、波浪等水動力的作用下，懸跨段因渦激振動等作用會造成管道損壞。海水由于黏性在繞流時(shí)會使海底管道受力，當(dāng)海水運(yùn)動的雷諾數(shù)很大時(shí)，邊界層會沿管壁產(chǎn)生分離，分離的水流形成紊動在管道后方產(chǎn)生漩渦，形成負(fù)壓區(qū)，如圖6。

圖6　管道繞流分離示意

1950年Morison等人提出了波浪力方程[7-8](即Morison公式)，其適用條件為D/L≤0.15。顯然，海底管道的直徑遠(yuǎn)小于波長，滿足該條件。在管道截面直徑D處，Morison公式為：

f=fD+fI

(4)

(5)

(6)

式中：fD為作用在單位高度管道上的拖曳力；fI為慣性力；f為波浪力；ρ為海水的密度；CD和CM分別為阻力系數(shù)和慣性力系數(shù)；u和α分別為管道截面處水質(zhì)點(diǎn)水平方向的速度和加速度。

管道參數(shù)與前例相同，所處海洋環(huán)境參數(shù)如表1。

表1　海洋環(huán)境參數(shù)

本文依據(jù)《海港水文規(guī)范》[9]來確定CD、CM的值，如表2。

文中只考慮海水拖曳力，并且為了使得CD值對應(yīng)相應(yīng)的波浪理論，綜合考慮這里取CD=1.2作為拖曳力系數(shù)。

表2　CD和CM推薦值

根據(jù)海水流動的不同速度，運(yùn)用Morison公式求得海水拖曳力和各節(jié)點(diǎn)所受拖曳力大小如表3。

表3　不同流速的海水拖曳力

1)海水流速對管道等效應(yīng)力的影響。

當(dāng)腐蝕長度為1 000 mm，圓心角為20°時(shí)，令腐蝕位置面對海水流向，分別討論3種不同腐蝕深度的情況下，海水流速的改變對管道產(chǎn)生的影響。結(jié)果如表4所示。

通過表4可知，在3種不同的腐蝕深度下，海水流速的增加會一定程度上減小管道最大等效應(yīng)力，但與無海水流速影響時(shí)所計(jì)算得到的等效應(yīng)力值相比其影響很小，可忽略不計(jì)。通過變形放大100倍的Von Mises圖可以看出，雖然海洋拖曳力對管道腐蝕的影響很小，但會造成管道的整體形變，產(chǎn)生疲勞損傷，如圖7。

表4　流速對管道等效應(yīng)力的影響

圖7　拖曳力對管道形變的影響

2)內(nèi)腐蝕相對位置對管道等效應(yīng)力的影響。

管道所處環(huán)境包含正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，因此內(nèi)腐蝕所在位置的不同對整體管道的受力也會產(chǎn)生影響。為了方便描述，這里規(guī)定海水拖曳力沿x軸的正方向?yàn)?°，沿y軸的正方向?yàn)?0°，θ角即表示腐蝕所在的位置與x軸所呈的角度，如圖8。

圖8　拖曳力矢量角示意

當(dāng)腐蝕長度為1 000 mm，圓心角為20°時(shí)，取海水流速為2.26 m/s，分別討論5種腐蝕深度的情況下，腐蝕位置的改變對管道產(chǎn)生的影響。結(jié)果如表5所示。

表5　腐蝕位置對等效應(yīng)力的影響

注：θ為腐蝕所在的位置與x軸所呈角。

通過對比無外載荷的情況可知，當(dāng)腐蝕位置與流速呈180°時(shí)，拖曳力對管道等效應(yīng)力的影響最大；當(dāng)腐蝕位置與流速呈0°時(shí)，拖曳力對管道等效應(yīng)力的影響最??；當(dāng)腐蝕位置與流速呈90°和270°時(shí)，拖曳力對管道等效應(yīng)力的影響是等效的。腐蝕位置與流速呈0°和180°時(shí)，拖曳力對管道等效應(yīng)力有降低的效果；腐蝕位置與流速呈90°和270°時(shí)，拖曳力對管道等效應(yīng)力有增加的效果。

2.2.2外部集中力

對管道模型中某一節(jié)點(diǎn)施加集中力，探討集中力位置改變對管道失效的影響，以及腐蝕深度對集中力極限值的影響。設(shè)加載在腐蝕面上的集中力角度α=0°，逆時(shí)針方向增大角度。

1)缺陷深度對集中力極限值的影響。

取缺陷長度為1 000 mm，圓心角為20°的情況進(jìn)行分析，如圖9。

圖9　缺陷深度對集中力極限值的影響

由圖9知，缺陷深度對引起失效的集中力極限值影響明顯，缺陷越深，失效集中力越小。當(dāng)腐蝕達(dá)到9 mm時(shí)，僅需12 kN就可造成管道失效。當(dāng)α=90°，α=180°時(shí)，引起管道失效的極限集中力明顯增大，且3個(gè)位置上的極限值基本相等，均不隨缺陷深度的改變而變化。

2)缺陷長度對集中力極限值的影響

取缺陷深度為7 mm，圓心角為20°的情況進(jìn)行分析，如圖10。

圖10　缺陷長度對集中力極限值的影響

由圖10知，當(dāng)α=0°時(shí)，缺陷長度對引起失效的集中力極限值影響有限，在長度為500～2 000 mm時(shí)，極限值隨長度的增加而增加，當(dāng)長度>2 000 mm后，極限值基本保持不變，缺陷長度的改變不會對極限值造成影響。當(dāng)α=90°，α=180°，α=270°時(shí)，引起管道失效的極限集中力明顯增大，均隨缺陷長度的增加而增加，且3個(gè)位置上的極限值基本相等。

3)缺陷圓心角對集中力極限值的影響。

取缺陷深度為7 mm，缺陷長度為1 000 mm的情況進(jìn)行分析，如圖11。

圖11　缺陷圓心角對集中力極限值的影響

由圖11可知，當(dāng)α=0°時(shí)，圓心角的大小對引起失效的集中力極限值影響明顯，集中力極限值隨圓心角的增加而增加，基本呈線性關(guān)系。當(dāng)α=90°，α=180°，α=270°時(shí)，3個(gè)位置上的極限值基本相等。當(dāng)圓心角<15°時(shí)，極限值隨圓心角的增加而增加。當(dāng)圓心角>15°時(shí)，極限值隨圓心角的增加略有下降。

3　海底管道剩余強(qiáng)度其他評價(jià)方法比較

針對腐蝕管道的剩余強(qiáng)度，多個(gè)國家均已出臺了相關(guān)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其中應(yīng)用較多的為：ASME-B31G[10]、DNV-RP-F101[11]、PCORRC[3]、有限元分析方法。對前3種剩余強(qiáng)度評價(jià)方法的比較如表6。

表6　剩余強(qiáng)度評價(jià)方法比較

為了更直觀地反應(yīng)各種剩余強(qiáng)度評價(jià)的特點(diǎn)，針對海底管道參數(shù)，取腐蝕長度為200 mm，圓心角為20°，通過改變腐蝕深度將此3種工程標(biāo)準(zhǔn)與有限元分析的方法進(jìn)行計(jì)算比較，結(jié)果如表7。

表7　幾種方法的計(jì)算比較

通過以上的數(shù)據(jù)顯示，ASME B31G相較于DNV RP-F101標(biāo)準(zhǔn)與PCORRC方法來說具有較大的保守性，說明了B3lG標(biāo)準(zhǔn)的安全可靠性。與PCORRC方法相比，DNV RP-F101計(jì)算后得到的結(jié)果差別不大，且DNV保守性小，但是也可能使預(yù)測偏于危險(xiǎn)。通過有限元分析得出失效壓力值均ASME B31G與DNV RP-F101、PCORRC計(jì)算值之間，處于合理的區(qū)間內(nèi)，由此可知，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行管道剩余強(qiáng)度分析是可行的。

4　結(jié)論

1)均勻腐蝕坑的深度和孔徑是影響管道安全性的重要因素。深度越深，管道的等效應(yīng)力越大；孔徑越大，管道的等效應(yīng)力也越大。腐蝕長度和圓心角對等效應(yīng)力增加幾乎無影響，因此腐蝕面積對管道安全性影響很小。

2)海水拖曳力對腐蝕管道安全性影響很小。但是，當(dāng)腐蝕深度增加時(shí)，海水拖曳力是引起安全失效的主要因素。

3)集中力位置的改變對管道的安全性有很大影響。當(dāng)集中力作用于腐蝕面時(shí)失效的概率增大，作用于其他位置時(shí)管道失效概率變化不大。腐蝕的深度、長度、圓心角均對集中力情況下失效有較大影響。

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Evaluation Method of Residual Strength of Corrosion Submarine pipelines

YU Guijie，DUAN Anqi，CHEN Xiaoqiang

(CollegeofPipelineandCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

The effects of internal and external environment cause corrosion inevitably，which threaten the operation safety of submarine oil.From the causes of submarine pipeline corrosion，the evaluation method of pipeline corrosion residual strength is studied.The purpose of this study is to verify the reliability of the finite element method in residual strength evaluation and to find influence factors of pipeline strength.With submarine pipeline internal corrosion finite element model，it was concluded that the length，width and depth of uniform corrosion pit size how to affect pipeline strength in the absence of any external load.In internal and external pressure situation，drag force and external concentrated load were discussed about how to affect corrosion pipelines.The data for finite element method was compared with three evaluation standard of residual strength (ASME B31G，DNV RP-F101，PCORRC).The results show that the finite element method is verified in residual strength assessment and the depth of pipeline is the greatest influence factor in pipeline strength.

submarine pipeline；corrosion；residual strength；simulation；evaluation standard

1001-3482(2016)09-0012-06

2016-03-22

于桂杰(1962-)，男，山東招遠(yuǎn)人，教授，博士，目前主要從事工程力學(xué)方面的教學(xué)與科研工作，長期從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及可靠性、機(jī)械工程、油氣管柱等安全評價(jià)與研究，E-mail：yuguijie@upc.edu.cn。

TE952

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.003