腐蝕海底管道剩余強度分析

盧盛燦,張　軍,龔　翔，臧曉剛，陳懷民

(集美大學 a.機械與能源工程學院；b.福建省能源清潔利用與開發重點實驗室,福建 廈門 361021)

?

腐蝕海底管道剩余強度分析

盧盛燦,張軍,龔翔，臧曉剛，陳懷民

(集美大學 a.機械與能源工程學院；b.福建省能源清潔利用與開發重點實驗室,福建 廈門 361021)

采用挪威船級社規范和美國工程師協會規范對管道各腐蝕點的剩余強度進行計算,結合彈塑性力學的相關理論，在考慮管道及土壤耦合的基礎上采用ABAQUS有限元軟件，再次計算管道腐蝕的剩余強度。對比分析兩種方法計算結果的差異，認為規范計算比有限元方法更保守。

腐蝕管道；剩余強度；現役管道；有限元

隨著海底管道在役年限的增長，管道的腐蝕現象日益嚴重，導致其壁厚減薄，最大安全承壓能力降低，管道失效的可能性逐漸增大。若不及時檢修維護或更換，可能造成局部管道穿孔滲漏甚至爆裂事故的發生。一旦發生事故，將造成巨大的經濟損失及相應的次生災害。因此，為了預測整個管道的腐蝕情況，確定腐蝕對管道結構完整性的危害程度，確保管道在服役期限內的安全使用，有必要檢測管道當前的腐蝕情況，評估管道的剩余強度，進而評價海管的安全工作壓力。同時，還需要根據海底管道的運行情況和服役期，預測管道的最終腐蝕情況，確保管道安全，必要時應采取相應措施，如維修或更換。

對于管道腐蝕的定量評估的研究，國內外學者做了一部分工作[1-4]，有通過對比一系列的實驗結果，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，評估管道的失效壓力[6]。在現有的關于腐蝕管道在役評估中，多數的研究僅考慮了內壓對管道的作用，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，基于規范的計算，以彈塑性理論分析方法為基礎，進行有限元建模計算。根據對腐蝕管道與土壤接觸的特點，采用ABAQUS軟件，建立管土耦合的模型[7]，計算出腐蝕管道的剩余強度。

1　剩余強度評估方法

1.1ASME-B31G-2009標準方法

ASME-B31G標準是評估腐蝕管道的原始和最常用方法，評估方法主要基于斷裂力學的NG-18表面缺陷計算公式。安全準則涉及屈服強度和流變應力。對于簡單的孤立缺陷，管道的內部破壞壓力可以通過下式進行計算[2]。

(1)

式中：PF——管道內部失效壓力；

Sflow——材料的流變應力；

t——管道的名義壁厚；

D——管道的外徑；

A——沿管壁總相平面內腐蝕缺陷的投影面積；

A0——腐蝕缺陷的初始面積，A0=Lt；

Folias 因子是關于z的函數。

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

PS=PF/SF

(2)

1.2DNV-RP-F101-2010標準方法

DNV-RP-F101-2010標準中采用的失效模型也是斷裂力學中的NG-18，其安全準則是根據極限拉伸強度制定的。此規范中包含兩種評估方法：分項安全系數法和許用應力法。分項安全系數法基于DNV-OS-F101海底管道系統的安全準則，考慮腐蝕深度和材料性質的不確定性因素，能客觀地反應各個因素的影響；許用應力法基于許用應力設計(ASD)法，安全工作壓力為計算得到的失效壓力乘以安全系數。對于包括缺陷尺寸在內的不確定性，需要評估人員自行判斷和確定相應的安全系數。

1.2.1分項安全系數法

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

式中：Q——長度修正系數。

(4)

(5)

(6)

(8)

式中：D——管道外徑；

t——管道壁厚；

l——腐蝕長度；

d——腐蝕深度；

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

acc_rel——相對深度精確度；

H1——縱向壓應力系數；

Ar——環向面積折減系數；

θ——腐蝕區域環向長度與管道外周長的比，θ=c/(πD)；

FX——軸向力；

MY——彎矩；

γd——裂紋深度的子安全系數；

γm——縱向腐蝕預測的子安全系數；

fu——設計中使用的拉伸強度，若不考慮溫度對其的影響，即為SMYS。

1.2.2許用應力計算步驟

許用應力計算步驟如下。

步驟1。計算組合縱向名義應力σL，計算公式同式(7)。

步驟2。判斷外部縱向壓力載荷是否對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。計算只受內壓作用的爆破壓力Ppress。

(11)

步驟4。計算考慮縱向壓應力的爆裂壓力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,由F=F1F2計算得出。

其中：F1——模型安全系數，取0.9；

F2——操作安全系數,通常取管道原設計時的值。

1.3基于彈塑性有限元評估方法

管道受到較復雜的載荷作用，主要有管道的重力、土壤應力、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，埋設的位置和角度都會對其計算結構產生影響。有限元計算主要是基于彈塑性力學的基本理論，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，進行應力、應變等靜力學分析,通過數值模擬得到腐蝕海底管道的剩余強度,評估海底管道的工作狀況和安全可靠性。

彈塑性失效準則認為，在管道受到內壓的作用下，管道內壁首先出現屈服，管道外壁還處在彈性階段，而管道內部材料在外部材料的約束下，不至于使管道發生破壞，故只要管道的等效應力處在某一應力值以內都認為是安全的，這個應力一般為材料屈服強度與抗拉強度和的一半。即管道發生破壞的條件為

(16)

塑性失效準則認為當管道在內壓的作用下，只有管道內外壁等效應力均到達材料的抗拉強度時，則管道發生破壞，即管道發生破壞的條件為

(17)

2　算例分析

采用規范對腐蝕海底管道進行剩余強度分析，其中DNV-RP-F101-2010規范中，分為兩部分計算：安全系數法(SCF法)；許用應力法(ASA)。有限元方法計算也分兩個工況計算：正常作業工況，極限作業工況。管道所受的載荷包括重力、內壓、外壓、鋪設殘余彎矩及溫度，管道兩端采用的約束類型為全固定約束，采用靜態加載方式。在不斷加大管道內壓，計算當管道最大應力為材料最小拉伸應力時，管道對應的內壓，即腐蝕管道的極限壓力。并綜合比較其計算結果。管道及腐蝕點的基本參數見表1、2。

表1　管道主要參數

表2　腐蝕點的基本參數

建立實體管土耦合模型。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

腐蝕管道直接計算結果和管土耦合結果見圖3、4。

圖3　腐蝕管道與土壤耦合結果

圖4　腐蝕管道直接載荷結果

正常工況和極限工況應力云圖見圖5、6。

圖5　管段正常工況應力云圖

圖6　管段極限工況應力云圖

采用ASME-B31G-2009、DNV-RP-F101-2010和有限元計算結果對比見圖7、8。

圖7　4種標準計算的結果與腐蝕深度關系

圖8　4種標準計算的結果與腐蝕長度關系

3　評估方法結果分析

1)根據圖7、8可知，ASM-B31G-2009標準計算的結果與DNV-RP-F101-2010標準和有限元方法計算的結果有較大的偏差，ASM-B31G-2009標準產生偏差的主要原因是視腐蝕長度與工作壓力無關，對環向缺陷不進行評估，只對單個腐蝕評價，這顯然是不合理的。

2)由DNV-RP-F101-2010標準計算結果可知，安全系數(CSF)方法計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。許用應力(ASA)方法計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，僅考慮腐蝕和內壓作用時，ASA法計算的結果比CSF法結果偏小，且ASA法的結果受腐蝕點幾何尺寸影響較小。對于兩種方法計算結果的分析可知，CSF方法考慮了檢測的精度與置信度，當認為檢測精度很高，即標準偏差為0時，CSF與ASA兩種方法計算的管道失效壓力值是一樣的。

3)根據管道應力結果云圖(見圖3～6)可知，管道的最大應力基本都集中在該管段腐蝕缺陷最嚴重的地方。進一步分析各腐蝕坑處的應力云圖可知，腐蝕坑深度對該處管道應力影響較大。腐蝕坑越深，該處應力越大。而腐蝕坑長度和寬度對管道應力集中影響不大。且當腐蝕坑面積較大而深度較小時，因腐蝕坑周圍管道厚度變化較為均勻，反而該處不易發生應力集中。

4　結論及建議

4.1評估結論

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

4.2評估方法使用范圍及建議

4.2.1DNV規范的適用范圍

1)基礎管材的內腐蝕、外腐蝕；縱焊縫及環焊縫的腐蝕缺陷。

2)中高強度鋼(建議X64～X80鋼)。

3)孤立缺陷、交互缺陷或復雜缺陷。

4)任意形狀。

5)需要考慮內壓和軸向壓力。

6)應考慮缺陷模型不確定性(許用應力法)。

4.2.2ASME規范適用范圍

1)中低強度鋼。

2)孤立缺陷或相鄰缺陷視為一個缺陷。

3)任意腐蝕形狀。

4)僅考慮內壓。

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算。關鍵是管道材料的選取，若材料非線性，則需提供材料應力應變曲線；不同缺陷幾何形狀要合理模擬，不要在缺陷處出現網格劃分不合理和計算不收斂。對不同管道加載狀況，要合理進行加載和邊界條件選取。

4.2.4建議

本文計算評估僅考慮了腐蝕、彎曲應力及軸向壓力等，但是沒有考慮懸空后管道的渦激振動影響。研究表明，渦激振動對于管道的剩余強度影響很大[11]，所以在評估管道剩余強度時，應綜合考慮腐蝕、彎曲應力、軸向壓力及渦激振動等因素。

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

[8] 催進起,余曉勇,郭澤榮.基于ANSYS有限元法的長輸油氣管道剩余強度與剩余壽命研究 實驗技術與管理[J].實驗技術與管理,2010(10):56-59.

[9] 費康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

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

[11] 艾尚茂.管土耦合邊界下海底懸跨管道渦激振動研究[D].黑龍江:哈爾濱工程大學,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(JK2012027)；

盧盛燦(1989-)，研究生

U664.84;TE973.6

A

1671-7953(2016)01-0142-05

福建省科技計劃項目(2014H6019)

研究方向:海底管道腐蝕泄漏

E-mail:schylar@126.com