復合材料修復含腐蝕管道的變形量預測

徐時賢，段夢蘭，張　玉，何　同

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 100029)①

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復合材料修復含腐蝕管道的變形量預測

徐時賢1，段夢蘭1，張玉1，何同2

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術研究院，北京 100029)①

采用復合材料修復管道的技術比其他傳統修復技術更有優勢，而且還能降低成本。因為復合材料的變形量決定了修復管道的承載內壓能力，因此計算了兩種情況下的復合材料變形量，即，單一腐蝕和兩處腐蝕。建立帶缺陷管道的三維模型，對腐蝕的深度、寬度和缺陷的距離進行研究。130個有限元模型通過Python語言進行了參數化建模。分析結果證明腐蝕長度對復合材料的變形量影響比較大。而且，對于兩處腐蝕的情況，當它們的軸向距離參數大于2時，由具有最大尺寸缺陷的腐蝕決定復合材料變形量。

管道維修；復合材料；腐蝕；徑向變形

管道腐蝕失效排在管道失效原因的前3位，在記載的管道失效案例中該失效模式約占15%～27%。事實上，管道壁厚上的材料損失是一個很常見的情況[1]，管道的修復工作已經成為油氣輸送中的一個非常重要的工作[2]。

復合材料修復技術相對于傳統的修復海洋結構的方法有很多優勢，例如，可以避免焊接方法中的熱效應，而且有對裂紋進行密封的效果[3]。另外，復合材料修補能夠增強含裂紋結構的疲勞壽命，或者起到增強被腐蝕結構的強度的作用[4]。因為復合材料修復技術的這些優勢，學者們開展了眾多研究，并且對這種修補技術制定了一些標準[5-9]?；谶@些標準，也有學者進行更精確的計算[10]。

Alexander對復合材料修復技術進行了一系列的試驗。試驗中，彎曲載荷、軸向載荷和內壓都進行了研究。試驗結果表明這種技術可以增強含缺陷的管道的機械強度[11]。為了研究幾何特征的影響，Shouman進行了有限元模型和試驗研究，結果表明：纖維冉超長度能夠增強修復管道的軸向性能；纏繞厚度不能夠增強管道軸向的強度，但是，增強厚度可以阻止缺陷區域的屈服[12-13]。為了提高含腐蝕缺陷的管道的失效壓力的預測精度，有學者提出了MTI(Mixed Type of Interaction)法[14]。Benjamin建立了有限元模型來計算22個腐蝕區域的失效壓力，通過MTI法和其他6種方法得出來的壓力進行了對比[15]。

雖然一些針對被修復結構的研究已經開展，但是大多數研究都是針對外腐蝕。在管道運行過程中，內腐蝕更容易發生。復合材料也有其極限應變，周向應變可以通過徑向變形量求出。因此，本文采用有限單元法計算復合材料的徑向變形量，從而研究內腐蝕的影響。

1　有限元模型

本文中管道采用的API X65鋼的成分如表1。鋼和復合材料的材料屬性如表2。表3為管道的幾何尺寸。材料腐蝕的周向角度是5°，其長度為30 mm，其厚度是9.54 mm。在管道內施加的內壓是40 MPa。

表1　API X65 材料的成分　wB%

由于模型較多，研究中采用Python語言實現有限元模型的參數化，模型中被腐蝕的管線和修復用的復合材料都進行了創建。計算時，管道一端完全約束 (Ux，UyandUz= 0)。因為模型是對稱的，所以管道模型可以創建1/2。模型的網格如圖1所示，網格劃分采用的是三維二次單元(C3D8R)。此修復模型中包含85 690個模型，有93 276個節點。從圖1中可以顯示出此模型的網格和腐蝕區域的加密網格。

表2　接頭材料性能

表3　被修復管道的幾何尺寸　mm

圖1　含腐蝕缺陷的被修復管道的1/2模型

2　結果分析

2.1腐蝕尺寸的影響

管道修復之后，結構的承載能力取決于復合材料的變形量。此計算中腐蝕尺寸的深度、長度和寬度都考慮在內。計算結果可以作為衡量管道承載能力的依據。

1)腐蝕深度的影響。

圖2是不同腐蝕深度下計算出來的結果，隨著腐蝕深度的增加變形量增加。而且，腐蝕寬度增加，變形量也會成一定比例增加。但是，隨著腐蝕深度的變化，復合材料的變形量變化比較小。所以，腐蝕深度對變形量的影響很小。

2)腐蝕長度的影響。

針對管道外腐蝕，有學者對軸向的腐蝕長度對復合材料變形量的影響進行了計算[16]。圖3是針對管道內腐蝕的計算結果，從圖中可以看出，徑向變形和腐蝕長度幾乎成正比例增長。而且，對于不同寬度的模型，變形量之間的差別不大。所以，管道環空方向的抵抗變形的能力比較小。

圖2　腐蝕深度對修復層變形量的影響

圖3　腐蝕長度對修復層變形量的影響

3)腐蝕周向寬度的影響。

對于外部腐蝕的管道，變化腐蝕寬度對有限元估算出來的失效壓力影響比較小[16]。圖4是不同內腐蝕寬度的計算結果。從結果中可以看出，腐蝕周向寬度對復合材料的變形量的影響不大。這是因為管道長度方向對管道的抵抗變形的能力比較強。

圖4　腐蝕寬度對修復層變形量的影響

2.2軸向距離參數的影響

當管道在腐蝕環境下時，會產生許多的腐蝕點。所以在計算時，軸向距離參數也需要考慮在內，因此需要創建帶有兩個腐蝕區域的模型。單位長度[17]為

式中：D 是管道直徑；t是管道的壁厚。

軸向距離參數就是兩個腐蝕區域的中心距離與單位長度的比值。

1)腐蝕深度的影響。

兩個區域的腐蝕深度選定9.54mm和 4.5mm。在圖5中，腐蝕深度9.54mm的線表示管道上有一個深度為9.54mm的腐蝕區域情況下的計算結果。通過比較可以發現，當兩個區域的尺寸比較小時，腐蝕深度越深，相互作用的影響越大。如果腐蝕深度相同，變形量是含一個腐蝕區域的變形量的1.2倍。當軸向距離參數大于2時，兩個實例的徑向變形量趨于相同。這說明兩個區域相互不影響。

圖5　不同腐蝕深度時軸向間距與修復層變形量關系曲線

2)腐蝕長度的影響。

兩個區域的腐蝕長度選為30mm和15mm。在圖6中，長度60、長度45 和長度 30的線表示含有腐蝕長度60mm，45mm和30mm的單一腐蝕區域情況下的計算結果。從結果可以看出當兩個區域的距離比較小時，兩個區域情況下的變形量幾乎相當于兩個單一區域情況下的變形量之和。當軸向距離參數大于2時，兩個例子的徑向變形量的值趨向于單一區域的徑向變形量。

3)腐蝕周向寬度的影響。

兩個區域的腐蝕周向角度選為5°和2.5 °。在圖7中，寬度5°的線表示含有腐蝕寬度為5°的單一腐蝕區域情況下的計算結果。從結果可以看出，兩個例子的變形量幾乎相同。當軸向距離參數大于2mm，兩個例子的變形量趨向于含有單一腐蝕區域情況的變形量。

圖7　不同腐蝕寬度時軸向間距與修復層變形量關系曲線

3　結論

1)復合材料粘結技術廣泛應用于工業中。復合材料的變形量可以反映出粘結結構的應力狀態。在本文中，對腐蝕尺寸的影響都進行了研究。

2)對于含單一腐蝕區域的情況，內外腐蝕的尺寸對變形量大小的影響是相同的。環空方向的腐蝕寬度影響比較小，而軸向方向的腐蝕長度影響比較大。腐蝕深度增加，復合材料變形量增大，這說明，管道抵抗變形的能力主要由管道長度方向決定。

3)對于含兩個腐蝕區域的情況，當軸向距離參數大于2時，它們中最大腐蝕尺寸決定了復合材料的變形量。當參數比較小時，得出的結果與兩個腐蝕區域長度之和得到的結果相等。

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Prediction of Composite Deformation in Pipelines with Repaired Defects

XU Shixian1，DUAN Menglan1，ZHANG Yu1，HE Tong2

(1.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China；2.ResearchInstituteofPetroleumEngineering，SINOPEC，Beijing100029，China)

Repairs made with composite patches on pipes offer distinct advantages over traditional repairs in addition to reduced cost.The object of this study was to calculate amount of deformations of composite in repaired pipelines under two conditions：single corrosion defect and two corrosion defects.The three-dimensional finite element model (FEM) was built.The effects of corroded depth，length，width and distance of defects were investigated.Besides，130 finite element models of thick-walled pipes with practical configurations were constructed and analyzed using Python (the programming language within the finite element software package ABAQUS).The obtained results indicated that the length of defect has a great influence on the deformation.In addition，for two corrosion defects，when the axial spacing factor is more than 2，the maximum deformation depends on the maximum dimension of them.

pipe line maintenance；composite material；corrosion；radial deformation

1001-3482(2016)09-0071-04

2016-03-13

國家自然科學基金“深海極端環境下復合材料立管粘結接頭的強度及斷裂研究”(No.11302264)；國家重點基礎研究發展計劃(973 計劃)“深海工程結構的極端環境作用與全壽命服役安全”(2011CB013702)

徐時賢(1986-)，男，河北高碑店人，博士研究生，研究方向為含缺陷管道的復合材料修復，E-mail：xushixian1986@sina.com。

TE973

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.016