趙洪洋，楊志國，梁 旭，朱賢輝

（浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山 316021）

0 引言

油氣資源及其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用［1］。在油氣資源的開采、集輸?shù)拳h(huán)節(jié)使用大量鋼制管道，而利用管道運(yùn)輸油氣的經(jīng)濟(jì)性和安全性得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。由于油氣資源的特殊性，在管道運(yùn)輸中一旦發(fā)生穿孔泄漏、爆破等事故，會造成一定的經(jīng)濟(jì)損失和安全問題［2-3］。大量研究表明，管道周圍環(huán)境使其易發(fā)生腐蝕，腐蝕是導(dǎo)致管道失效破壞的主要原因［4-5］。因此，有必要對腐蝕管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行研究，以判斷管道是繼續(xù)服役、修復(fù)還是更換，既能避免管道提前退役造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)和安全事故，又能科學(xué)地指導(dǎo)管道的維修計劃和安全生產(chǎn)管理［6-7］。

對于腐蝕管道剩余強(qiáng)度的研究，國外擁有一系列的評價準(zhǔn)則，比較有代表性的有API579、DNV-RPF101、ASME B31G，然而這些腐蝕管道剩余強(qiáng)度評價方法在描述不同鋼級腐蝕管道失效壓力時具有一定局限性，在指導(dǎo)實(shí)際工程的管道運(yùn)行維護(hù)上過于保守［8-12］，以至于管道提前檢修或更換。隨著計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，研究者利用有限元分析軟件對腐蝕管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行研究，取得了不錯的效果［13-16］。但由于在虛擬仿真中對管道腐蝕區(qū)域邊界條件的處理以及對實(shí)際腐蝕情況的假設(shè)，使得仿真結(jié)果在描述實(shí)際腐蝕管道剩余強(qiáng)度存在一定誤差。

為精確評估腐蝕管道的剩余強(qiáng)度，本文基于有限元數(shù)值模擬方法，利用SolidWorks和ABAQUS 軟件建立含有腐蝕缺陷的油氣管道三維模型，根據(jù)腐蝕類型，設(shè)置腐蝕區(qū)域邊界條件以及合理假設(shè)，通過施加不同的壓強(qiáng)載荷，分析研究了模型長度及腐蝕區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)對管道應(yīng)力的影響規(guī)律；同時，搭建了含腐蝕缺陷的X120鋼級管道耐水壓試驗(yàn)平臺，開展了腐蝕管道耐水壓試驗(yàn)，實(shí)測腐蝕管道的剩余強(qiáng)度，對比驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。

1 失效準(zhǔn)則及模型簡化

1.1 失效準(zhǔn)則

管道失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)是評估腐蝕管道剩余強(qiáng)度的重要基礎(chǔ)。一般情況下，油氣管道失效主要由腐蝕區(qū)域發(fā)生塑性失效導(dǎo)致，即在腐蝕區(qū)域的等效應(yīng)力（Von Mises準(zhǔn)則）達(dá)到管道材料的屈服強(qiáng)度，腐蝕區(qū)域發(fā)生塑性形變，管道面臨穿孔泄漏風(fēng)險。根據(jù)Von Mises準(zhǔn)則，管道失效準(zhǔn)則：

1.2 模型簡化

根據(jù)油氣管道長距離輸運(yùn)的特點(diǎn)以及管道工作環(huán)境的復(fù)雜性，管道不僅要承受內(nèi)部油氣的壓力，還可能受到橫向集中載荷、軸向拉壓載荷、彎曲載荷以及各種載荷的耦合作用，其作用結(jié)果復(fù)雜難以預(yù)測。通常情況下，油氣管道設(shè)計施工環(huán)節(jié)應(yīng)避免管道受內(nèi)部油氣壓力以外的載荷，因此在仿真模擬時，僅考慮管道受內(nèi)部油氣的壓力。由于大多油氣管道都深埋地下，在考慮管道和土壤及周圍環(huán)境之間相互作用時，只考慮管道受腐蝕作用，故只研究含腐蝕缺陷的管段。

腐蝕區(qū)域是管道最薄弱的位置，對腐蝕缺陷的模擬關(guān)系到管道應(yīng)力水平模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于管道長細(xì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其腐蝕區(qū)域多呈現(xiàn)軸向尺寸（腐蝕長度）大于環(huán)向尺寸（腐蝕寬度），徑向尺寸（腐蝕深度）最小的形狀。研究表明，局部及均勻腐蝕是管道失效的主要形式，仿真建模時可將腐蝕區(qū)域簡化為軸向同底方形凹槽，同底方形結(jié)構(gòu)為圓環(huán)柱一部分與管道相交所得［13］。管道腐蝕是受周圍環(huán)境長時間作用效果，而非管道在短期內(nèi)局部致?lián)p，腐蝕區(qū)域表面不會呈臺階變化，所以對管道模型凹槽結(jié)構(gòu)面的相交處以圓角過渡，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

2 建模及仿真

2.1 建 模

在模型簡化的基礎(chǔ)上，利用SolidWorks軟件按1∶1的比尺完成含局部及均勻腐蝕缺陷的X120 鋼級管道三維實(shí)體建模，管道外徑325 mm，壁厚12 mm。為研究邊界條件對管道腐蝕區(qū)域應(yīng)力的影響，建立4 個管道模型，模型1～4 的長度分別設(shè)為腐蝕長度的2、3、4、5 倍，各模型的腐蝕區(qū)域均設(shè)在模型中間位置。

將SolidWorks軟件中建立的管道模型保存step文件類型，導(dǎo)入ABAQUS 軟件，模型實(shí)體采用四面體單元類型，并將X120 管線鋼材料屬性賦予仿真模型，其材料屬性如下：密度ρ ＝7 850 kg／m3，彈性模量E＝210 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為996 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 115 MPa，屈強(qiáng)比＝0.89（Y／T）。然后進(jìn)行實(shí)體裝配，建立分析步，設(shè)置模型初始約束條件和壓強(qiáng)載荷。

對管道非腐蝕區(qū)域采用自由網(wǎng)格劃分方式，設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸為6 mm，對腐蝕區(qū)域網(wǎng)格劃分需進(jìn)行加密細(xì)化處理，其網(wǎng)格單元尺寸設(shè)為4 mm，以提高腐蝕區(qū)域應(yīng)力水平仿真精度，劃分后模型如圖1 所示；由于仿真模擬只研究了含腐蝕缺陷的管段，所以對管道模型一端軸向位移進(jìn)行約束，其他5 個自由度不約束，以避免管道模型約束端應(yīng)力集中。

圖1 管道模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 仿真結(jié)果分析

（1）模型長度對應(yīng)力影響。各模型腐蝕區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)均設(shè)為：腐蝕長度300 mm，腐蝕寬度32 mm，腐蝕深度9 mm，對模型1 施加5 MPa 的內(nèi)部壓強(qiáng)載荷，其等效應(yīng)力仿真結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，模型1腐蝕區(qū)域中間位置的等效應(yīng)力最大，為491.6 MPa，位置為模型的1 019 節(jié)點(diǎn)，最小等效應(yīng)力為6.655 MPa，位置為模型的122 669 節(jié)點(diǎn)。

圖2 載荷5 MPa時模型1應(yīng)力分布圖

采用同樣的仿真方法對其余模型施加5 MPa內(nèi)部壓強(qiáng)載荷，應(yīng)力仿真結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，不同長度的管道模型等效應(yīng)力絕對偏差不大，最大等效應(yīng)力的最大偏差僅為1.7%；最小等效應(yīng)力的最大偏差為27%。這是由于最小等效應(yīng)力值過小導(dǎo)致，并且位置遠(yuǎn)離腐蝕區(qū)域，對管道剩余強(qiáng)度影響不大。因此，當(dāng)被研究管段長度與腐蝕長度比＞2 時，可忽略管段長度對腐蝕區(qū)域應(yīng)力的影響，在仿真模擬和試驗(yàn)時，盡量縮短研究管段的長度，降低仿真模擬計算難度和試驗(yàn)研究成本。

表1 最大／最小等效應(yīng)力仿真值

（2）應(yīng)力-腐蝕長度間關(guān)系。在軟件中設(shè)置模型長度1 m，腐蝕寬度32 mm，腐蝕深度9 mm，在腐蝕長度50～500 mm 范圍間隔50 mm 建立10 個腐蝕管道三維實(shí)體模型。對管道模型加載1～10 MPa內(nèi)部壓強(qiáng)載荷，研究不同載荷下腐蝕長度對管道應(yīng)力的影響，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 最大等效應(yīng)力與腐蝕長度的關(guān)系

由圖3 可知，管道腐蝕區(qū)域最大等效應(yīng)力與內(nèi)部壓力p呈線性正相關(guān)；在不同載荷下，腐蝕長度l對管道應(yīng)力的影響規(guī)律一致，隨著腐蝕長度的增加，應(yīng)力先是顯著增加，而當(dāng)腐蝕長度與模型長度比達(dá)到0.3 后，隨著腐蝕長度繼續(xù)增加，應(yīng)力增幅很小。這是由于腐蝕長度增加到一定值時，腐蝕區(qū)域的應(yīng)力分布更加均勻所致。因此，當(dāng)腐蝕寬度和深度不變時，腐蝕長度增加導(dǎo)致管道剩余強(qiáng)度降低。等效應(yīng)力隨腐蝕長度的變化關(guān)系可通過多項(xiàng)式擬合得出：

（3）應(yīng)力-腐蝕寬度間關(guān)系。在軟件中設(shè)置模型長度1 m，腐蝕長度300 mm，腐蝕深度9 mm，在腐蝕寬度12～122 mm 范圍間隔10 mm 建立12 個腐蝕管道三維實(shí)體模型，對管道模型加載1～8 MPa內(nèi)部壓強(qiáng)載荷，研究不同載荷下腐蝕寬度對應(yīng)力的影響，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 最大等效應(yīng)力與腐蝕寬度的關(guān)系

由圖4 可知，在不同載荷下，腐蝕寬度b對管道應(yīng)力的影響規(guī)律一致，隨著腐蝕寬度增加，應(yīng)力先是顯著減小，而當(dāng)腐蝕寬度與管道外徑比達(dá)到0.19 后，隨著腐蝕寬度繼續(xù)增加，應(yīng)力降幅很小。這是由于腐蝕寬度越小，腐蝕區(qū)域應(yīng)力愈加集中，反之，腐蝕區(qū)域的應(yīng)力分布更加均勻。因此，當(dāng)腐蝕長度和深度不變時，腐蝕寬度增加使管道剩余強(qiáng)度增大。等效應(yīng)力隨腐蝕寬度的變化關(guān)系可通過多項(xiàng)式擬合得出：

（4）應(yīng)力-腐蝕深度間關(guān)系。在軟件中設(shè)置模型長度1 m，腐蝕長度300 mm，腐蝕寬度62 mm，在腐蝕深度d＝1～10 mm 范圍間隔1 mm 建立10 個腐蝕管道三維實(shí)體模型，對管道模型加載1～10 MPa 內(nèi)部壓強(qiáng)載荷，研究不同載荷下腐蝕深度對應(yīng)力的影響，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 最大等效應(yīng)力與腐蝕深度的關(guān)系

由圖5 可知，在不同載荷下，腐蝕深度對管道應(yīng)力的影響規(guī)律一致，隨著腐蝕深度的增加，應(yīng)力顯著增加，且增幅越來越大。這是由于隨著腐蝕深度增加，腐蝕區(qū)域管道壁厚減小，使應(yīng)力完全集中于薄壁處所致。因此，當(dāng)腐蝕長度和寬度不變時，腐蝕深度增加導(dǎo)致管道剩余強(qiáng)度急劇下降。在腐蝕區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)中，腐蝕深度對管道剩余強(qiáng)度影響最大。等效應(yīng)力隨腐蝕深度的變化關(guān)系可通過指數(shù)式擬合得出。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計

為對比驗(yàn)證仿真結(jié)果，試驗(yàn)研究了腐蝕管道剩余強(qiáng)度。采用超高強(qiáng)度X120 管線鋼的無縫輸油管道設(shè)計制造試驗(yàn)管道模型，進(jìn)行4 次含腐蝕缺陷的X120鋼級管道耐水壓破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)管道外徑325 mm，壁厚12 mm，試驗(yàn)管道模型長1.2 m，通過機(jī)械加工方法，在管道外壁上開設(shè)軸向同底方形凹槽代表管道發(fā)生局部及均勻腐蝕，各模型腐蝕情況如表2 所示。表中數(shù)據(jù)為加工后實(shí)測值。

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ透g區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵欢撕附訄A形鋼板作為平底封頭，另一端焊接法蘭盤作為連接裝置與法蘭蓋連接，法蘭盤和法蘭蓋之間通過8 個螺栓連接固定，通過一個O 型橡膠圈密封，在法蘭蓋端面上設(shè)置兩個通孔用于加壓注水和排氣，其結(jié)構(gòu)組成如圖6 所示。

圖6 腐蝕管道試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)示意圖

3.2 試驗(yàn)平臺及方法

X120 鋼級腐蝕管道耐水壓試驗(yàn)平臺主要由腐蝕管道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、水壓試?yàn)加卸載及控制系統(tǒng)、上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力表、壓力傳感器和模型爆破防護(hù)裝置等設(shè)備組成，如圖7 所示。加卸載及控制系統(tǒng)由麥格思維特（上海）流體工程有限公司生產(chǎn)，最大加載能力為60 MPa，控制精度及壓力傳感器分辨率為10 kPa，加卸載速度在0.1～0.6 MPa／min連續(xù)可調(diào)。

圖7 X120鋼級腐蝕管道耐水壓試驗(yàn)平臺

對各腐蝕管道試驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e進(jìn)行耐水壓試驗(yàn)。待試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b配完畢，各管路連接完成并保證密封良好，加卸載及控制系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，設(shè)定目標(biāo)加載壓力為60 MPa，加載速度為0.5 MPa／min，壓力傳感器采樣頻率設(shè)為1，在整個加載過程中，對試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以準(zhǔn)確獲取腐蝕管道發(fā)生穿孔泄漏時耐壓值。

3.3 結(jié)果分析

通過管道模型耐水壓試驗(yàn)實(shí)測各模型發(fā)生穿孔泄漏時的耐壓值。由圖8 可知，當(dāng)模型1 試驗(yàn)壓力加載到11.4 MPa 時發(fā)生泄漏；其穿孔泄漏效果如圖9 所示。由圖9 可知，破裂發(fā)生在腐蝕區(qū)域，且裂痕沿軸向排列，這是因?yàn)閷S向局部及均勻腐蝕而言，其環(huán)向應(yīng)力較軸向和徑向應(yīng)力更大，環(huán)向應(yīng)力先達(dá)到抗拉強(qiáng)度發(fā)生破壞所致。

圖8 模型1水壓加載情況

圖9 試驗(yàn)后發(fā)生穿孔的腐蝕管道

采用同樣的試驗(yàn)方法可測得模型2、3、4 極限耐壓值，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，如表3 所示。由表3 可知，X120 鋼級腐蝕管道模型極限耐壓值的仿真和試驗(yàn)結(jié)果最大偏差僅為3.5%，說明仿真對腐蝕管道的模型簡化和邊界條件處理是可行的，能準(zhǔn)確預(yù)測腐蝕管道的剩余強(qiáng)度。

表3 腐蝕管道極限耐壓仿真／試驗(yàn)結(jié)果對比______

對比模型1、2 的腐蝕參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型1 腐蝕長度較大，剩余強(qiáng)度較??；對比模型2、3 的腐蝕參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型2 腐蝕深度較大，剩余強(qiáng)度較?。粚Ρ饶Ｐ?、4 的腐蝕參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模型4 腐蝕寬度較大，剩余強(qiáng)度較大。與仿真中腐蝕區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)對管道剩余強(qiáng)度影響規(guī)律一致。

4 結(jié)語

利用SolidWorks 和ABAQUS 軟件建立了不同腐蝕程度的管道仿真模型，仿真結(jié)果可較為準(zhǔn)確地模擬腐蝕區(qū)域結(jié)構(gòu)參數(shù)對管道等效應(yīng)力的影響規(guī)律，開展的X120 鋼級腐蝕管道耐水壓試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性。腐蝕長度和深度的增加導(dǎo)致管道剩余強(qiáng)度降低，腐蝕寬度的增加導(dǎo)致管道剩余強(qiáng)度增大，腐蝕深度相較長度和寬度對管道剩余強(qiáng)度的影響更大；腐蝕長度和寬度對剩余強(qiáng)度影響可用多項(xiàng)式描述，腐蝕深度對剩余強(qiáng)度的影響可用指數(shù)描述，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)0.99。對含腐蝕缺陷的油氣管道剩余強(qiáng)度準(zhǔn)確預(yù)估非常重要，建立的腐蝕管道仿真模型可有效預(yù)測管道剩余強(qiáng)度，對實(shí)際工程中油氣管道安全集輸和運(yùn)行維護(hù)具有重要意義。