王戰(zhàn)輝， 張智芳， 李瑞瑞

（1.榆林學院化學與化工學院，陜西榆林 719000； 2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室，陜西榆林 719000）

目前石油和天然氣是社會和經(jīng)濟發(fā)展以及人類生活所不可缺少的重要資源，管道作為石油和天然氣運輸?shù)闹匾?，一般深埋地下，容易受土壤腐蝕，使管道壁厚減薄［1］. 目前，很多石油和天然氣管道都存在不同程度的腐蝕，對于管道的防護層也存在一定程度的腐蝕，其主要原因是管道大多都埋于地底下，時間久了難免發(fā)生腐蝕，由于管道的腐蝕部位、腐蝕區(qū)域等不同，對管道的檢測帶來很大的困擾［2］. 厚度減薄到一定程度后，會發(fā)生泄露等事故，嚴重影響設(shè)備正常運行和維修，并且也會對周邊環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展帶來不必要的損失，甚至會對人類健康造成危害，世界各國都非常重視天然氣和石油運輸這個問題［3-6］. 因此，對管道腐蝕機理的研究具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益.

國內(nèi)外學者對形狀不同的腐蝕缺陷如圓形缺陷、橢圓缺陷、方形缺陷、組合缺陷等進行了很多研究［7-10］.但是針對橢圓缺陷，基本上都是對軸向橢圓形缺陷中橢圓缺陷長軸與管道中心線平行進行研究，而對軸向橢圓形缺陷中橢圓缺陷短軸與管道中心線平行還沒有進行研究，而且針對煤氣管道研究的還很少［11-17］. 因此，筆者以周向、軸向橢圓缺陷和孔形缺陷煤氣管道為研究對象，借助ANSYS有限元分析軟件，首先考察其應力云圖，其次，通過改變?nèi)毕蓍L軸長度、短軸長度和缺陷深度等參數(shù)，考察對高壓煤氣管道剩余強度和剩余壽命的影響規(guī)律. 所得結(jié)論對煤氣管道的正常運行有一定的參考意義.

1 含腐蝕缺陷模型的建立

1.1 模型的建立和幾何尺寸參數(shù)

以X52 鋼為研究對象，幾何參數(shù)：管道外徑D 為80 mm，壁厚t 為10 mm，管道長度為400 mm；物性參數(shù)：彈性模量E 為2.1×105MPa，泊松比μ 為0.3，屈服強度σs為359 MPa，抗拉強度σb為455 MPa，內(nèi)壓p 為120 MPa. 鑒于所建模型的幾何對稱性和載荷對稱性，選取所建模型的一半進行分析［18］.

1.2 載荷施加

由于模型的幾何和載荷對稱性，對沿軸向剖開高壓管道剖面施加位移約束為0，對高壓管道兩端施加位移約束為0［19］. 對于高壓管道而言，管道內(nèi)壓是主要載荷，其余載荷與內(nèi)壓相比都很小，可以忽略不計，因此，僅在管道內(nèi)壁面施加內(nèi)壓載荷p.

2 有限元計算結(jié)果分析

2.1 應力云圖

三種腐蝕缺陷煤氣管道等效應力云圖如圖1所示，可以看出，不論是哪種缺陷，煤氣管道等效應力云圖可以分為兩個區(qū)域：遠離缺陷區(qū)域和缺陷附近區(qū)域. 遠離缺陷區(qū)域，應力基本呈均勻分布，此時應力為薄膜應力，由內(nèi)壓載荷引起；缺陷附近區(qū)域，應力分布情況復雜多變，出現(xiàn)最大等效應力，此時應力為不連續(xù)效應引起的不連續(xù)應力，即內(nèi)壓載荷引起的薄膜應力和彎曲應力. 而根據(jù)不連續(xù)應力分布的局部性和自限性的特點，在缺陷附近區(qū)域應力出現(xiàn)突變，遠離缺陷區(qū)域，應力呈均勻分布［20-25］.

圖1 等效應力云圖Fig.1 Equivalent stress cloud map

2.2 軸向橢圓形腐蝕缺陷

保持軸向橢圓形腐蝕缺陷短軸長度為10 mm，內(nèi)壓120 MPa不變，腐蝕深度分別為1、2、3、4、5 mm，改變長軸長度，分別取20、22、24、26、28、30 mm，考查軸向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度與最大等效應力的關(guān)系曲線，如圖2所示. 可以看出，在軸向橢圓形腐蝕缺陷短軸長度和腐蝕深度不變的情況下，隨著長軸長度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)增加的趨勢. 在長軸長度小于26 mm 時，兩者成正比例關(guān)系，當長軸長度大于26 mm時，最大等效應力基本趨于穩(wěn)定，因此，長軸長度對管道外壁腐蝕區(qū)域失效影響的臨界值為26 mm.

圖2 等效應力與長軸長度關(guān)系曲線圖Fig.2 Relationship of equivalent stress and length of long axis

保持軸向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度為30 mm，內(nèi)壓120 MPa不變，腐蝕深度分別為1、2、3、4、5 mm，改變短軸長度，分別取10、12、14、16、18、20 mm，考查軸向橢圓形腐蝕缺陷短軸長度與最大等效應力的關(guān)系曲線，如圖3所示. 可以看出，在軸向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度和腐蝕深度不變的情況下，隨著短軸長度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)減小的趨勢. 在短軸長度小于14 mm 時，兩者成正比例關(guān)系，當短軸長度大于14 mm時，最大等效應力基本趨于穩(wěn)定. 因此，短軸長度對管道外壁腐蝕區(qū)域失效影響的臨界值為14 mm.

圖3 等效應力與短軸長度關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship of equivalent stress and minor axis length

保持軸向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度為20 mm，內(nèi)壓120 MPa 不變，短軸長度分別為10、13、16 mm，改變腐蝕深度，分別取1、1.5、2、2.5、3、4、5 mm，考查軸向橢圓形腐蝕缺陷深度與最大等效應力的關(guān)系曲線，如圖4 所示.可以看出，在軸向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度和短軸長度不變的情況下，隨著缺陷深度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)增加的趨勢，缺陷深度和等效應力基本成一次線性關(guān)系，因此腐蝕深度同樣是影響失效的一個非常重要的因素，并且深度對腐蝕缺陷的影響比長軸和短軸對腐蝕缺陷影響更加明顯.

圖4 等效應力與腐蝕深度關(guān)系曲線圖Fig.4 Relationship of equivalent stress and corrosion depth

2.3 周向橢圓形腐蝕缺陷

保持周向橢圓形腐蝕缺陷短軸長度為5 mm，內(nèi)壓120 MPa不變，腐蝕深度分別為1、2、3、4、5 mm，改變長軸長度，分別取8、9、10、11、12、13 mm，考查周向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度與最大等效應力的關(guān)系曲線，如圖5 所示. 可以看出，在周向橢圓形腐蝕缺陷短軸長度和腐蝕深度不變的情況下，隨著長軸長度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)減小的趨勢. 在長軸長度小于10 mm 時，兩者成反比例關(guān)系，當長軸長度大于10 mm時，最大等效應力基本趨于穩(wěn)定，因此，長軸長度對管道外壁腐蝕區(qū)域失效影響的臨界值為10 mm.

圖5 等效應力與長軸長度關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationship of equivalent stress and length of long axis

保持周向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度為15 mm，內(nèi)壓120 MPa 不變，腐蝕深度分別為1、2、2.8、3.6、4.4 mm，改變短軸長度，分別取5、6、7、8、9、10 mm，考查周向橢圓形腐蝕缺陷短軸長度與最大等效應力的關(guān)系曲線，如圖6 所示.可以看出，在周向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度和腐蝕深度不變的情況下，隨著短軸長度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)增加的趨勢，基本成正比例關(guān)系.

圖6 等效應力與短軸長度關(guān)系曲線圖Fig.6 Relationship of equivalent stress and minor axis length

保持周向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度為15 mm不變，內(nèi)壓120 MPa，短軸長度分別為7、9、11 mm，改變腐蝕深度，分別取1、1.6、2.4、3.2、4、5、6 mm，考查周向橢圓形腐蝕缺陷深度與最大等效應力的關(guān)系曲線，如圖7 所示. 可以看出，在周向橢圓形腐蝕缺陷長軸長度和短軸長度不變的情況下，隨著缺陷深度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)增加的趨勢，缺陷深度和等效應力基本成一次線性關(guān)系，與軸向橢圓形腐蝕缺陷一樣，缺陷深度對腐蝕缺陷的影響比長軸和短軸對腐蝕缺陷影響更加明顯.

圖7 等效應力與腐蝕深度關(guān)系曲線圖Fig.7 Relationship of equivalent stress and corrosion depth

2.4 孔形缺陷

為了能夠準確地模擬和分析，在研究時只針對單孔缺陷的情況，并且將模型簡化為管道上圓柱孔型缺陷. 分別通過改變高壓管道外壁圓柱孔形腐蝕缺陷的腐蝕半徑和腐蝕深度考察其對剩余強度的影響.

保持圓柱孔形腐蝕缺陷深度分別為3、4、5 mm，內(nèi)壓120 MPa 不變，改變?nèi)毕莅霃?，分別取2.5、3.5、4.5、5.5 mm，考查缺陷半徑與最大等效應力的關(guān)系曲線，如圖8 所示.可以看出，在缺陷深度不變的情況下，隨著缺陷半徑的增加，最大等效應力呈現(xiàn)增加的趨勢，成一次線性關(guān)系.

圖8 等效應力與缺陷半徑關(guān)系曲線圖Fig.8 Relationship of equivalent stress and defect radius

保持圓柱孔形腐蝕缺陷半徑為5 mm，內(nèi)壓120 MPa不變，改變?nèi)毕萆疃?，分別取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0、4.4、4.8 mm，考查缺陷深度與最大等效應力的關(guān)系曲線，如圖9 所示. 可以看出，在缺陷半徑不變的情況下，隨著缺陷深度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)增加的趨勢，基本成正比例關(guān)系.

圖9 等效應力與缺陷深度關(guān)系曲線圖Fig.9 Relationship of equivalent stress and corrosion depth

2.5 腐蝕管道剩余壽命的預測

以圓柱孔形缺陷腐蝕管道為例進行剩余壽命的預測，假設(shè)腐蝕管道4 個部位發(fā)生圓柱孔形腐蝕，其腐蝕速率分別為：0.056、0.060、0.083、0.096 mm/a. 已知各項參數(shù)，通過下面兩個公式，便可計算出腐蝕管道的剩余壽命：

其中：Tr為腐蝕管道使用壽命，a；GR為腐蝕速率，mm/a；t 為腐蝕厚度，mm；k 為修正系數(shù)；SM 為安全余量；Td為管道設(shè)計壽命，a；Ts為管道剩余壽命，a.

通過上述計算公式可以得出腐蝕壁厚和使用壽命的關(guān)系曲線圖如圖10所示. 可以看出，腐蝕厚度與使用壽命呈線性關(guān)系，對曲線進行擬合就可以得出腐蝕厚度與使用壽命的一次函數(shù)關(guān)系. 已知管道的腐蝕厚度，便可推算出使用壽命，根據(jù)管道使用壽命，進而得出管道剩余壽命，因此，管道剩余壽命與腐蝕厚度也呈線性關(guān)系.

圖10 腐蝕厚度與使用壽命關(guān)系曲線圖Fig.10 Relationship between corrosion thickness and service life

3 結(jié)論

1）煤氣管道等效應力云圖可以分為兩個區(qū)域：遠離缺陷區(qū)域和缺陷附近區(qū)域. 遠離缺陷區(qū)域為薄膜應力，呈均勻分布；缺陷附近區(qū)域為不連續(xù)應力，呈局部性和自限性.

2）對于軸向橢圓形腐蝕缺陷，隨著長軸長度、缺陷深度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)增加的趨勢，長軸長度出現(xiàn)臨界值；隨著短軸長度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)減小的趨勢，并出現(xiàn)臨界值. 對于周向橢圓形腐蝕缺陷，隨著長軸長度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)減小的趨勢，并出現(xiàn)臨界值；隨著短軸長度、缺陷深度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)增加的趨勢，成正比例關(guān)系.

3）對于圓柱孔形腐蝕缺陷，隨著缺陷半徑、缺陷深度的增加，最大等效應力呈現(xiàn)增加的趨勢，呈線性關(guān)系.

4）管道剩余壽命與腐蝕厚度呈線性關(guān)系，已知腐蝕厚度，便可推算出剩余壽命.