組合載荷下單缺陷腐蝕海底管道的安全分析

黃宇立,楊東全,路 平,李學勛

(海南大學 土木建筑工程學院，?？?570228)

組合載荷下單缺陷腐蝕海底管道的安全分析

黃宇立,楊東全,路 平,李學勛

(海南大學 土木建筑工程學院，海口 570228)

采用許用應力法對腐蝕海底管道的安全性進行評估，并通過有限元模擬對組合載荷(內(nèi)壓與軸向壓應力疊加作用)下單缺陷腐蝕海底管道進行應力分析，探討了影響管道峰值應力的缺陷幾何參數(shù)的敏感性。結果表明：軸向壓應力一定時，隨內(nèi)壓不斷增加,管道有效應力呈先下降后上升的變化趨勢，進入屈服穩(wěn)定階段后,有效應力繼續(xù)增大，直至管道破壞。

腐蝕海底管道；腐蝕評估；有限元分析；極限內(nèi)壓

隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)利用，海底管道在服役過程中的安全日益受到重視。海底管道在復雜工作環(huán)境中會出現(xiàn)腐蝕缺陷，這些缺陷會對海底管道的使用過程造成安全隱患。影響海底管道腐蝕的因素有溫度、海水沖擊、管道內(nèi)壓等，其中管道內(nèi)壓對海底管道腐蝕的影響最大[2]。研究表明，海底管道經(jīng)過長時間使用后會出現(xiàn)塑性變形并破壞[3-4]。另外，腐蝕缺陷位置會對海底管道的極限內(nèi)壓造成顯著影響[5]。合理的安全性評估能預測海底管道在服役過程中的極限內(nèi)壓，同時可為其安全運行提供合理的依據(jù)[6]。

目前，在海底管道工程中應用較為廣泛的腐蝕海底管道安全性評估的規(guī)范和標準有挪威船級社DNV規(guī)范[1]、美國石油協(xié)會API標準[7]等。我國尚未制定相關國家標準，只有指導性文件，如《海底管道結構分析指南》[8]，但該指導性文件對影響海底管道的敏感參數(shù)并未作深入分析。本工作參考挪威船級社DNV規(guī)范，考慮單缺陷(缺陷寬度、缺陷長度及內(nèi)壓)變化對內(nèi)壓與軸向壓應力疊加作用下腐蝕海底管道的安全性進行討論，同時分析了有效應力在腐蝕海底管道軸向上的變化。

1 腐蝕管道強度評估的方法

受海洋環(huán)境的影響，管道腐蝕缺陷的形狀復雜多樣，且管道的加載路徑也會對管道評估的結果產(chǎn)生重要影響[9]。腐蝕缺陷的形狀一般情況下都是不規(guī)則的，挪威船級社通過大量的有限元分析以及管道爆裂試驗，得出了簡化的矩形單缺陷腐蝕管道許用應力計算公式，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：pcap為爆裂壓應力；t為未腐蝕管壁的厚度；σu為管道抗拉強度；D為管道外直徑；d為管道缺陷深度；Q為缺陷長度系數(shù)。

許用應力法是針對海底管道極限內(nèi)壓的計算方法。它忽略了評估過程中多種與概率統(tǒng)計相關的參數(shù)，較大程度地簡化了計算過程。通過許用應力法對內(nèi)壓與軸向壓應力疊加作用下單缺陷腐蝕海底管道進行安全性評估的流程如圖1所示。

圖1 單缺陷腐蝕海底管道安全評估流程圖Fig. 1 Flow chart of safety assessment of single defect corroded pipe

2 案例分析

待評價管道參數(shù)：管道外徑D為400 mm；未腐蝕的管壁厚度t為15 mm；缺陷長度l為200 mm；缺陷寬度c為100 mm；缺陷處最大深度d為9 mm(管壁厚度60%)；定義最小抗拉強度σu為455.1 N/mm2(X52鋼)，管道最大軸向壓應力σL為-200 N/mm2。

2.1 案例評估步驟

步驟一：判定缺陷腐蝕管道是否需要考慮外部載荷作用。通過式(3)計算約束極限的失效應力σ1。

(3)

如果σL>σ1，則管道外載荷作用不能忽略。將待評價管道參數(shù)代入式(3)得σ1等于-138.45 N/mm2，所以不能忽略管道外載荷。

步驟二：按式(4)計算僅內(nèi)壓作用下的單缺陷腐蝕管道的極限內(nèi)壓ppress，為21.58 N/mm2。

(4)

步驟三：按式(5)～(8)計算內(nèi)壓和軸向壓力疊加作用下的單缺陷腐蝕管道的極限內(nèi)壓pcomp，為17.07 N/mm2。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：H1為縱向壓應力影響系數(shù)；θ為缺陷的環(huán)向長度與名義外周長比率；Ar為缺陷的環(huán)向衰減系數(shù)。

步驟四：根據(jù)式(9)確定腐蝕管道的極限內(nèi)壓pf為17.07 N/mm2。

(9)

步驟五：按式(10)計算得到管道安全工作應力pSW為11.06 N/mm2。

(10)

式中：F1和F2分別表示腐蝕管道的模型系數(shù)和操作使用系數(shù)，DNV規(guī)范中分別取0.9與0.72。

2.2 基于案例的有限元模擬

對缺陷腐蝕管道進行有限元模擬，設置管道材料為低碳鋼，材料的彈性模量、屈服強度和泊松比分別為206.8 GPa，358 MPa，0.282。

相對于Tresca屈服準則的保守性，有限元模擬所采用的Mises屈服準則能更好地反映腐蝕海底管道工作的實際情況[10]。通過殼型3D拉伸模型對管道進行非線性靜力分析，并對管道兩端的U2、UR1方向進行約束，模型網(wǎng)格單元的類型采用二次單元的減縮積分(C3D20R)。趙東巖等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當管道長度大于管道外徑時，管道缺陷評估的誤差變化很小。為了使誤差盡可能不影響模擬結果，本次模擬將管道長度設為管道外徑的2倍。在安全工作應力下腐蝕管道缺陷處應力分布如圖2所示。

圖2 腐蝕管道缺陷處應力分布云圖Fig. 2 Cloud map of stress distribution near defect in pipe

由圖2可知：由于腐蝕缺陷的影響，海底管道的缺陷位置出現(xiàn)幾何特性突變，并出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，管道的峰值應力出現(xiàn)在缺陷的四周，且管道應力從缺陷位置往周圍呈減小趨勢；安全工作應力下腐蝕海底管道峰值應力為259.9 MPa，未達到管道材料的屈服強度；而當管道達到極限內(nèi)壓時，管道缺陷的峰值應力為342.6 MPa，接近管道的屈服強度。圖3為內(nèi)壓遞增情況下腐蝕海底管道峰值應力變化圖。其中，腐蝕管道內(nèi)壓p與完好管道極限內(nèi)壓p0的比值p/p0為無量綱變量。

圖3 腐蝕海底管道峰值應力隨極限內(nèi)壓變化圖Fig. 3 Variations of peak stress with burst pressare in corroded submarine pipe

通過ABAQUS模擬結果可知完好海底管道的極限內(nèi)壓p0為27.37 MPa。由圖3可以看出，純內(nèi)壓作用下，隨腐蝕管道在內(nèi)壓的不斷增大，峰值應力線性增加；且當內(nèi)壓增大到管道極限內(nèi)壓時，峰值應力剛好達到管道屈服強度。純內(nèi)壓作用的腐蝕管道在服役過程中經(jīng)歷了彈性變形階段、非彈性擴展階段和屈服強化階段。內(nèi)壓與軸向壓力疊加作用的腐蝕管道在內(nèi)壓增加的過程中，峰值應力先下降后升高。組合載荷的部分應力相互抵消使管道的彈性階段線性特征不明顯，當腐蝕管道峰值應力達到屈服強度時，管道也進入非彈性擴展階段。且當p/p0大于0.4時，軸向壓應力的存在減小了腐蝕管道峰值應力，使管道使用的安全性有適當?shù)奶岣摺?/p>

3 腐蝕海底管道的有限元分析

3.1 缺陷寬度對腐蝕管道極限內(nèi)壓的影響

考慮缺陷寬度對腐蝕管道進行ABAQUS有限元分析，圖4為ABAQUS模擬的缺陷寬度對無量綱極限內(nèi)壓的影響曲線(圖中t，l保持不變)。

圖4 缺陷寬度對極限內(nèi)壓的影響Fig. 4 Influence of defect width on burst pressure

純內(nèi)壓作用的腐蝕管道的極限內(nèi)壓隨腐蝕寬度的增加震蕩減小，當缺陷寬度增大到一定值時其對極限內(nèi)壓的影響變小，可忽略不計。

由圖4可知，當缺陷深度較小時，如d/t為0.3和0.5時，最不利的c/l為0.4或1.0；當腐蝕深度較深時，最不利的c/l為0.6或1。圖中不同缺陷深度及腐蝕寬度對應的腐蝕管道極限內(nèi)壓與完好管道極限內(nèi)壓比值模擬結果與Netto[12]的研究結果相符合。內(nèi)壓與軸向壓應力疊加作用下腐蝕管道的極限內(nèi)壓隨著缺陷寬度的增大發(fā)生輕微波動，但總體影響不大。內(nèi)壓保持不變，缺陷寬度達到缺陷長度時腐蝕管道的極限內(nèi)壓最小。

3.2 內(nèi)壓對腐蝕缺陷峰值應力的影響

腐蝕缺陷造成局部海底管道的壁厚減小，從而引起管道安全使用性能的降低。圖5為腐蝕管道在不同缺陷深度下峰值應力隨內(nèi)壓的變化。由圖5可以看出：腐蝕深度對管道峰值應力有顯著影響；內(nèi)壓和軸向壓應力疊加影響下的腐蝕管道峰值應力變化曲線沒有明顯線性特征，不同深度的管道缺陷在內(nèi)壓遞增初期，峰值應力都發(fā)生不同程度的降低；隨著內(nèi)壓的持續(xù)增大，腐蝕管道的峰值應力停止下降并逐漸增大，達到屈服應力后繼續(xù)增加且增速逐漸加快，最終導致管道破壞。圖5同時顯示了當管道缺陷過大時，純軸向壓應力作用已使管道發(fā)生了非彈性形變，因此對缺陷深度的控制是保證管道安全工作的關鍵。

圖5 不同缺陷深度下峰值應力隨極限內(nèi)壓的變化Fig. 5 Variations of peak stress with burst pressure in different defect depths

3.3 缺陷長度對腐蝕管道極限內(nèi)壓的影響

圖6為極限內(nèi)壓隨腐蝕缺陷長度的變化曲線(圖中D，t保持不變)。在腐蝕管道缺陷長度較小情況下，缺陷面積較小，管壁厚度變化較大，應力集中現(xiàn)象明顯，腐蝕管道極限內(nèi)壓隨缺陷長度增大迅速下降。當缺陷長度增大時，應力集中逐漸減小，缺陷長度的增加對極限內(nèi)壓的影響逐漸減小，最終保持穩(wěn)定。

圖6 缺陷長度對極限內(nèi)壓的影響Fig. 6 Influence of defect length on burst pressure

3.4 腐蝕管道軸向有效應力的變化

圖7 不同缺陷深度下軸向有效應力變化Fig. 7 Variations of equivalent stress along longitudinal axis in different defect depths

圖7為不同缺陷深度下軸向有效應力變化。由圖7可見，不同缺陷深度下腐蝕管道軸向峰值應力都出現(xiàn)在缺陷位置。腐蝕海底管道的破壞一般分為整體破壞和局部垮塌破壞[3]。當腐蝕深度較小，如d/t=0.3和d/t=0.5時，極限內(nèi)壓下管道峰值應力出現(xiàn)在缺陷中心，管道腐蝕區(qū)域和未腐蝕區(qū)域的有效應力比較接近，管道發(fā)生整體破壞的可能性較大。當管道腐蝕深度較大，如d/t=0.7時，缺陷處的有效應力與非缺陷位置的有效應力大小相差較大，深度較大處的腐蝕缺陷管道圣維南效應明顯，管道的峰值應力出現(xiàn)在缺陷區(qū)域的邊界，并在腐蝕區(qū)域邊界處的未腐蝕區(qū)域有明顯的有效應力突降現(xiàn)象。因此，缺陷深度大的腐蝕管道易發(fā)生局部坍塌破壞。

4 結論

(1) 在缺陷寬度小于缺陷長度的情況下，內(nèi)壓與軸向壓應力疊加作用的腐蝕管道缺陷寬度對管道極限內(nèi)壓影響不大。

(2) 缺陷深度過大會導致腐蝕海底管道在內(nèi)壓極小的工作環(huán)境下峰值應力過大，因此嚴格控制缺陷深度有利于提高海底管道服役過程的安全性。

(3) 缺陷長度較小的海底管道，其極限內(nèi)壓隨缺陷長度增大而減小；而當海底管道腐蝕缺陷長度較大時，缺陷長度對極限內(nèi)壓影響不大。

(4) 缺陷深度越大，內(nèi)壓與軸向壓應力疊加作用的腐蝕管道圣維南效應越明顯，腐蝕海底管道更容易發(fā)生局部垮塌破壞。

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Safety Analysis of Single Defect Corroded Submarine Pipe under Combining Load

HUANG Yu-li, YANG Dong-quan, LU Ping, LI Xue-xun

(Department of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

The safety of corroded submarine pipe was assessed according to allowable stress approach. The stress in single defect corroded pipe under combining load (internal pressure and compressive load along longitudinal axis) was analyzed through finite element simulation. The sensibility of geometry parameters that affected the maximum pressure of pipe was studied. The results show that effective stress of pipe displayed a tendency of increase first and then decrease with the increase of internal pressure, as the value of compressive longitudinal stress of corroded pipe kept stable. Then the pipe reached stable yielding stage until failure.

corroded submarine pipe; corrosion assessment; finite element analysis; burst pressure

10.11973/fsyfh-201704014

2016-11-21

楊東全(1967-)，教授，博士，從事海洋工程研究，15595829089，784306631@qq.com

P751

A

1005-748X(2017)04-0311-05