王亞群 王少煒 范明龍

（中海石油氣電集團有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028）

0 引言

目前，全球液化天然氣（LNG）資源需求迅速增加，我國對LNG這種清潔能源的消費也處于持續(xù)增長階段[1]。LNG接收站作為LNG遠洋貿(mào)易的終端設(shè)施，對LNG的儲存及轉(zhuǎn)運起著至關(guān)重要的作用。LNG接收站通常建設(shè)在沿海地區(qū)，沿海大氣環(huán)境含鹽量高，腐蝕風(fēng)險很高[2]，因此LNG接收站在設(shè)計建設(shè)及運營過程中要充分考慮管道防腐等問題。對于發(fā)生腐蝕或破壞的管道，應(yīng)及早對損傷區(qū)域進行修復(fù)，以避免后期因為腐蝕問題導(dǎo)致的更高的維護成本[3]。例如，海水管道易出現(xiàn)管道內(nèi)部腐蝕和外部破損兩種形式[4]。對于已投用并存在管道腐蝕或破壞的LNG接收站消防水管道，需要對損傷區(qū)域進行修復(fù)。因此基于不同程度、不同狀態(tài)的腐蝕或破壞管道分析其繼續(xù)服役的可行性對項目公司來說具有重要意義。本文通過有限元方法，對不同形式的腐蝕及破損類型進行模擬分析，提出基于有限元分析的管道極限內(nèi)壓評估方法，確定管道腐蝕及破損分析主要影響因素。

1 不同腐蝕方向?qū)艿罉O限內(nèi)壓的影響分析

本節(jié)以20#鋼工程實例，分別針對20”和24”，壁厚為9.53mm的管道進行三維有限元分析。重點分析單點腐蝕對管道極限內(nèi)壓的影響。針對系列幾何尺寸的腐蝕缺陷，探究軸向、徑向及環(huán)向腐蝕缺陷條件下管道的極限內(nèi)壓。

1.1 腐蝕缺陷軸向尺寸對極限內(nèi)壓的影響

參數(shù)選取，腐蝕缺陷深度d取2mm、4mm、6mm，腐蝕長度L對應(yīng)每個腐蝕深度取100～600mm（間隔100mm），腐蝕寬度W均取6°。

（1） 內(nèi)腐蝕管道的極限內(nèi)壓研究

管道上僅施加內(nèi)壓載荷，分析不同腐蝕深度情況下，管道的極限內(nèi)壓值隨著腐蝕的軸向長度改變而引起的變化。管道腐蝕缺陷處的應(yīng)力大小和應(yīng)力分布隨載荷增加而不斷產(chǎn)生變化。圖1為20寸管道（d=4mm、L=300mm、限拉伸強度bσ=390MPa）腐蝕區(qū)域的應(yīng)力分布云圖。選取壁厚方向上由內(nèi)到外三點，查看該載荷下三點的應(yīng)力情況，如圖2所示。

圖1 內(nèi)腐蝕區(qū)域應(yīng)力云圖

由圖2可知，對于有腐蝕缺陷位置，外側(cè)應(yīng)力大而內(nèi)側(cè)應(yīng)力小。根據(jù)塑性失效準(zhǔn)則，當(dāng)腐蝕缺陷區(qū)域沿管壁厚方向的最小等效應(yīng)力與材料的極限拉伸強度 bσ相等時，管道發(fā)生失效[5,6]。由于管道上僅施加內(nèi)壓載荷，所以有腐蝕缺陷管道能承受的內(nèi)壓極限值即在該管道上施加的載荷。不同深度情況下，腐蝕缺陷管道的缺陷軸向長度與管道能承受的極限內(nèi)壓的關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖2 內(nèi)腐蝕三點的等效應(yīng)力情況

圖3 內(nèi)腐蝕長度的影響（20”管道）

由圖3和圖4中可知，若管道的內(nèi)腐蝕深度相同，缺陷區(qū)域管道的能承受的極限內(nèi)壓隨著管道缺陷長度的增大而逐漸減小，而且隨著腐蝕長度的增加，極限內(nèi)壓的下降趨勢也在慢慢減小。但當(dāng)腐蝕缺陷長度增大到500mm之后，內(nèi)腐蝕缺陷的長度對管道承受的極限內(nèi)壓的影響速率放緩。同時，隨著內(nèi)腐蝕缺陷深度的增加，極限內(nèi)壓下降速率變快。同時壁厚保持不變，隨管道外徑增大，管道承受極限內(nèi)壓會有所減小。腐蝕寬度是以角度來確定的，管徑的增大必然會帶動腐蝕寬度的變化，即24”管道實際寬度值比20”管道的實際寬度值要大，所以相同的腐蝕參數(shù)下24”管道的極限內(nèi)壓更小；

圖4 內(nèi)腐蝕長度的影響（24"管道）

（2）外腐蝕管道的極限內(nèi)壓研究

圖5為24”管道（d=4 mm、L=200mm、限拉伸強度bσ=390MPa）腐蝕區(qū)域的應(yīng)力分布云圖，選取壁厚方向由內(nèi)到外三點，查看該載荷步下三點的應(yīng)力情況，如圖6所示。

圖5 外腐蝕區(qū)域應(yīng)力云圖

圖6 外腐蝕三點的等效應(yīng)力情況

由圖6可知，隨著施加內(nèi)壓載荷的增加，外腐蝕缺陷管道對應(yīng)的應(yīng)力變化趨勢與內(nèi)腐蝕缺陷管道相同。針對不同外腐蝕深度下，進行不同外腐蝕缺陷長度對管道極限內(nèi)壓的影響的限元分析，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 外腐蝕長度的影響（20”管道）

圖8 外腐蝕長度的影響（24”管道）

對比分析內(nèi)/外腐蝕對極限內(nèi)壓的影響可知，外腐蝕與內(nèi)腐蝕影響趨勢相同，在一定范圍內(nèi)，腐蝕長度越大，對管道極限內(nèi)壓的影響也會越大，但是超過500 mm后，腐蝕長度的影響就不再明顯。本次探究腐蝕長度對極限內(nèi)壓影響規(guī)律中，內(nèi)外腐蝕缺陷管道的極限內(nèi)壓相差較小，外腐蝕缺陷的管道極限內(nèi)壓比內(nèi)腐蝕的稍小，說明管道外腐蝕缺陷比內(nèi)腐蝕缺陷稍危險。

1.2 腐蝕缺陷徑向尺寸對極限內(nèi)壓的影響

參數(shù)設(shè)置，腐蝕缺陷長度L分別取100mm、250mm、400mm，針對每個腐蝕缺陷長度值，分別研究腐蝕深度d為2～6mm（間隔1mm），腐蝕寬度W均為6°。

（1）內(nèi)腐蝕管道的極限內(nèi)壓研究

圖9、圖10為內(nèi)腐蝕徑向深度的影響，腐蝕缺陷管道徑向深度對管道極限內(nèi)壓影響較大，在相同的內(nèi)腐蝕缺陷長度下，缺陷管道所能承受的極限內(nèi)壓隨著腐蝕徑向長度的增加而迅速下降。且隨著內(nèi)腐蝕缺陷長度的增大，管道極限內(nèi)壓曲線的斜率也明顯增大，但斜率并不是一直增大，當(dāng)達到一定腐蝕長度后，極限內(nèi)壓下降趨勢變化不大。這一分析結(jié)果表明，當(dāng)腐蝕區(qū)域軸向長度到達某一特定值后，管道上腐蝕缺陷的徑向深度是影響腐蝕缺陷管道所能承受的極限內(nèi)壓的一個重要影響因素；

圖9 內(nèi)腐蝕徑向深度影響（20"管道）

圖10 內(nèi)腐蝕徑向深度影響（24"管道）

（2） 外腐蝕管道的極限內(nèi)壓研究

外腐蝕與內(nèi)腐蝕分析采用相同的管徑、壁厚以及腐蝕缺陷工況。外腐蝕對極限內(nèi)壓的影響如圖11、圖12所示。

圖11 外腐蝕徑向深度影響（20”管道）

圖12 外腐蝕徑向深度影響（24"管道）

由圖11、圖12可以看出，外腐蝕缺陷徑向深度對管道的極限內(nèi)壓的影響趨勢與內(nèi)腐蝕相似。腐蝕管道的極限內(nèi)壓隨腐蝕徑向深度增加而下降，且該種下降并沒有衰減平穩(wěn)的趨勢，因為隨著腐蝕深度的增加，管道壁厚逐漸減小，管道極限內(nèi)壓也會急劇減小，極限情況為腐蝕深度與壁厚一樣徹底洞穿管道，管道破裂，極限內(nèi)壓降為0。外腐蝕缺陷長度對分析曲線的斜率的影響同內(nèi)腐蝕，當(dāng)達到一定的外腐蝕長度值時，腐蝕深度成為影響管道能承受的極限內(nèi)壓的一個重要因素。同時無論外腐蝕還是內(nèi)腐蝕，隨著管道腐蝕徑向深度的增大，管道能承受的極限內(nèi)壓呈現(xiàn)線性減小的趨勢，影響明顯且沒有隨著腐蝕徑向深度的增加而衰減。本次分析腐蝕深度對管道極限內(nèi)壓影響規(guī)律中，外腐蝕缺陷的管道極限內(nèi)壓比相同腐蝕參數(shù)的內(nèi)腐蝕稍小，即管道外腐蝕稍危險，應(yīng)予以注意。

1.3 腐蝕缺陷環(huán)向尺寸對極限內(nèi)壓的影響

參數(shù)設(shè)置，缺陷深度d為2mm、3mm、4mm，對應(yīng)每種腐蝕徑向深度工況，選擇環(huán)向腐蝕寬度W為10°、30°、50°、80°、110°、140°、180°，腐蝕長度均為200 mm。

（1）內(nèi)腐蝕管道的極限內(nèi)壓研究

腐蝕缺陷管道極限內(nèi)壓在各腐蝕缺陷深度工況下，隨著腐蝕寬度的增加而產(chǎn)生的變化如圖13、圖14所示。

圖13 內(nèi)腐蝕環(huán)向尺寸影響（20”管道）

圖14 內(nèi)腐蝕環(huán)向尺寸影響（24"管道）

由圖13、圖14可知，腐蝕缺陷環(huán)向尺寸（寬度）對管道極限內(nèi)壓的影響不明顯，不同腐蝕深度下，寬度的變化對腐蝕管道極限內(nèi)壓的影響不同。d=2mm時，寬度的變化對腐蝕管道極限內(nèi)壓的影響很小，d=4mm時，寬度在5～80°時對腐蝕管道極限內(nèi)壓的影響相對明顯。當(dāng)內(nèi)腐蝕環(huán)向尺寸（寬度）超過110°后，再增加環(huán)向尺寸已幾乎不會影響腐蝕管道極限內(nèi)壓。相比腐蝕深度、腐蝕長度對管道極限內(nèi)壓較為明顯的影響，腐蝕寬度對管道極限內(nèi)壓的影響是微弱的；

（2）外腐蝕管道的極限內(nèi)壓研究

外腐蝕分析時采用與內(nèi)腐蝕相同的管徑、壁厚以及腐蝕工況參數(shù)。外腐蝕下條件下，極限內(nèi)壓變化情況如圖15、圖16所示。

圖15 外腐蝕環(huán)向尺寸影響（20”管道）

圖16 外腐蝕環(huán)向尺寸影響（24”管道）

由圖15、圖16可知，外腐蝕環(huán)向尺寸（寬度）的變化對管道極限內(nèi)壓的影響趨勢與內(nèi)腐蝕相似，相同工況下，內(nèi)外腐蝕對應(yīng)的管道極限內(nèi)壓數(shù)值也接近相同。因此，相對腐蝕長度、腐蝕深度對管道極限內(nèi)壓更為直接的影響，腐蝕寬度對管道極限內(nèi)壓的影響相對微弱。

2 結(jié)語

本文以LNG接收站埋地管道為背景，提出基于有限元分析的管道極限內(nèi)壓評估方法，考慮了管道內(nèi)腐蝕和外腐蝕兩種情況，進行大量有限元數(shù)值模擬計算及對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）在分析腐蝕管道極限內(nèi)壓時，管道腐蝕缺陷的軸向尺寸是一個重要參數(shù)。腐蝕深度相同的前提下，內(nèi)腐蝕與外腐蝕情況相同，管道腐蝕缺陷長度越大，管道極限內(nèi)壓越小，隨著缺陷軸向尺寸增加，極限內(nèi)壓變化逐漸平緩。且腐蝕深度小，軸向尺寸影響較小，反之亦然；

（2）腐蝕缺陷的徑向長度（腐蝕深度）對腐蝕管道極限內(nèi)壓的影響最為明顯。外腐蝕缺陷的管道極限內(nèi)壓比相同腐蝕參數(shù)的內(nèi)腐蝕稍小，即管道外腐蝕更為危險。徑向長度越大，管道極限內(nèi)壓越小，當(dāng)長度達到一定值以后，腐蝕管道極限內(nèi)壓則主要受腐蝕深度的影響；

（3）腐蝕缺陷環(huán)向尺寸（腐蝕寬度）影響較為微弱。當(dāng)腐蝕徑向長度較大（腐蝕較深）時，腐蝕寬度變化的影響相對明顯。因此在進行管道腐蝕缺陷失效分析時，對于深度腐蝕，應(yīng)適當(dāng)考慮腐蝕寬度的影響；

（4）相同條件下，外腐蝕比內(nèi)腐蝕影響更大。在研究腐蝕缺陷軸向長度對管道極限內(nèi)壓的影響時，提取了管道臨近腐蝕區(qū)極限拉伸強度 bσ，同一徑向的內(nèi)壁面點、中間點、外壁面點的應(yīng)力大小，發(fā)現(xiàn)無論內(nèi)腐蝕，還是外腐蝕都是外壁面點所受應(yīng)力最大，內(nèi)壁面點所受應(yīng)力最小，即管道腐蝕區(qū)外壁面最先達到失效。從對比軸向、徑向、環(huán)向尺寸對管道極限內(nèi)壓的影響來看，外腐蝕下的管道極限內(nèi)壓要比內(nèi)腐蝕下的管道內(nèi)壓稍微小一些，由于環(huán)向尺寸對管道極限內(nèi)壓影響較小，所以在環(huán)向尺寸上內(nèi)外腐蝕的微弱差距不是很明顯，這也說明，在相同的管道腐蝕尺寸下外腐蝕比內(nèi)腐蝕更危險。