腐蝕缺陷對高含硫輸氣管道強度的影響

鄢 標,張廣晶,高 強,金澤洋

(中國石化中原油田普光分公司 采氣廠,達州 635000)

腐蝕缺陷對高含硫輸氣管道強度的影響

鄢 標,張廣晶,高 強,金澤洋

(中國石化中原油田普光分公司 采氣廠,達州 635000)

采用solid186單元對含缺陷腐蝕管道進行建模，基于非線性有限元隱式積分算法與塑性失效準則，分析了腐蝕形貌對高含硫輸氣管線強度的影響機理，并通過室內試驗，驗證了仿真分析的正確性。結果表明：含缺陷管道的力學行為包含彈性階段、屈服階段和塑性強化階段，其中槽形缺陷和橢球形缺陷大大降低了管道的屈服點，而球形缺陷對管道的屈服點影響相對較小；缺陷對管道強度的影響主要表現為局部應力集中，其中橢球形缺陷管道在徑向方向上的應力梯度最大，應力集中最為明顯。

腐蝕缺陷；高含硫輸氣管道；強度

普光氣田是我國首個特大型高含硫酸性氣田，其H2S平均質量分數高達15.18%，CO2平均質量分數高達8%，在開采過程中還伴隨著大量的產出水，目前氣田逐漸走向開發后期，集輸工藝管線腐蝕問題日益突出[1-2]。因此，分析高含硫氣田腐蝕缺陷對輸氣管道的影響變得日益迫切。目前，國內外學者對管線腐蝕問題開展了大量的研究工作。1991年，美國頒發并實施了關于確定腐蝕管線剩余強度的ASME B31G準則；1999年末，英國頒布了BS790導則；崔銘偉等[3]研究了腐蝕缺陷對中高強度油氣管道失效壓力的影響，白清東等[4]開展了關于腐蝕管道剩余強度的研究。但是關于腐蝕缺陷對高含硫輸氣管道強度影響機理的研究還鮮見報道，為此，本工作采用理論與試驗相結合的方法，基于材料非線性和幾何非線性模型，應用塑性失效準則，開展不同缺陷形式對高含硫輸氣管道的強度影響規律研究，研究成果可為普光氣田高含硫輸氣管道剩余強度評價提供理論依據，同時可為普光氣田后期的腐蝕監測與控制提供借鑒。

1 失效準則與本構模型

1.1 強度失效準則

強度失效準則作為高含硫輸氣管道失效評判標準，對管道的極限承載能力評價具有重要意義。目前常用的強度準則主要包含彈性失效準則和塑性失效準則兩類[5-8]。其中，前者認為腐蝕管道在內壓的作用下，當管道最大等效應力達到材料的屈服強度時即認定為失效；后者認為腐蝕管道在內壓的作用下，其最大等效應力達到材料的抗拉強度時即認定為失效。

普光氣田高含硫輸氣管道采用的L360鋼具有較好的韌性，當管道發生一定的塑性變形后對管道的影響不大，仍然可以繼續使用，若采用彈性失效準則，判定結果則會過于保守，故本工作將基于彈塑性失效準則，開展腐蝕形貌對高含硫輸氣管道強度的影響機理研究，該準則可表示為

(1)

式中:σv為等效應力，MPa；σ1為第一主應力，MPa；σ2為第二主應力，MPa；σ3為第三主應力，MPa；σb為抗拉強度，MPa。

1.2 本構模型

以普光氣田高含硫輸氣管道為研究對象，管道材料為L360管線鋼，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服應力為360 MPa，抗拉強度為460 MPa。

選取Ramberg-Osgood模型作為高含硫天然氣輸送管道的本構模型，該模型能準確描述L360管線鋼的非線性應力-應變特性，此模型視總應變為彈性應變和塑性應變之和。

(2)

令

(3)

(4)

式中:ε總為總應變，εe為彈性應變，εp為塑性應變，n為冪硬化指數，r為硬化系數，σs為材料的屈服應力，σ為等效應力，E0為材料的彈性模量。

2 有限元模型

2.1 幾何模型及參數

在檢維修過程中對普光氣田集輸工藝管道進行全面檢測，發現管道底部發生了嚴重腐蝕，見圖1。由圖1可見，管道的主要腐蝕缺陷形貌可分為球形缺陷、槽形缺陷和橢球型缺陷。

圖1 集輸管道腐蝕形貌Fig. 1 The corrosion morphology of the pipeline

為便于研究腐蝕形貌對高含硫輸氣管道強度的影響機理，基于上述缺陷形式，建立如圖2所示的三種腐蝕管道幾何模型。

圖2 腐蝕管道幾何模型Fig. 2 The geometric model of corroded pipe

圖中,d1、d2和d3分別表示球形缺陷、橢球型缺陷和槽形缺陷的腐蝕深度，r1表示球形缺陷的半徑，r2表示橢球型缺陷的長半軸，b表示槽形缺陷的寬度，L表示槽形缺陷的軸向長度，D表示管道的外徑，t表示管道壁厚，幾何模型具體參數如表1所示。

2.2 網格模型及邊界條件

根據輸氣管道的實際情況，只需考慮內壓對管道的作用，同時由于模型為幾何對稱模型，故只需研究1/4模型，在模型對稱面施加法向位移約束，管道端面施加固定約束，以防止剛體位移的產生。為提高計算精度，采用20節點的solid186高階單元單元，模型采用六面體結構網格劃分，考慮到網格數量對計算精度和計算效率的影響，采用23 216個單元對模型進行了劃分，并對缺陷區域進行了局部細化，同時進行了網格無關性驗證，最終建立的有限元模型如圖3所示。

表1 腐蝕管道幾何模型參數

圖3 腐蝕管道有限元模型Fig. 3 The finite element model of corroded pipe

3 腐蝕形貌對管道強度的影響

3.1 腐蝕缺陷對管道力學行為影響

圖4為不同缺陷管道在不同內壓作用下等效應力的變化規律。由圖4可見,管道在內壓作用下的力學行為共分為三個階段，即彈性階段、屈服階段和塑性強化階段。在塑性強化階段，其曲線趨于平行，說明缺陷形式對管道的塑性強化沒有影響。由圖4還可見,無缺陷管道發生屈服時內部的壓力為28 MPa，而槽形缺陷管道、橢球形缺陷管道和球形缺陷管道發生屈服時內部的壓力分別為16 MPa、18 MPa和22 MPa，可見槽形缺陷和橢球形缺陷大大降低了管道的極限承載能力，而球形缺陷對管道屈服強度影響相對較小。

圖4 內壓對等效應力的影響Fig. 4 The influence of the pressure on the equivalent stress

3.2 腐蝕缺陷對管道應力分布規律的影響

結合高含硫輸氣管道的實際工況，對缺陷管道內部施加40 MPa壓力載荷，可得到管道在不同缺陷狀態下的應力云圖。圖5、圖6、圖7和圖8分別為完好缺陷管道、含球形缺陷管道、含橢球形缺陷管道和含槽狀缺陷管道的等效應力云圖。

圖5 完好管道的等效應力云圖Fig. 5 The equivalent stress of pipe in good condition

圖6 含球形缺陷管道的等效應力云圖Fig. 6 The equivalent stress of pipe with spherical defects

圖7 含橢球形缺陷管道的等效應力云圖Fig. 7 The equivalent stress of pipe with ellipsoid defects

圖8 含槽狀缺陷管道的等效應力云圖Fig. 8 The equivalent stress of pipe with slotted defects

由圖5～8可見，完好管道的應力分布較為均勻，含缺陷管道的應力分布主要集中在缺陷的中部位置，說明缺陷對管道強度的影響主要表現為局部應力集中，從而導致管道失效。

測量不同缺陷管道在40 MPa內壓作用下的最大等效應力，結果表明:完好管道的最大等效應力最低為443 MPa，且小于材料的抗拉強度，管道可以繼續使用。含槽狀缺陷管道和含橢球形缺陷管道的等效應力比較接近，分別為518 MPa和504 MPa，含球形缺陷管道的等效應力低于含槽狀缺陷和含橢球形缺陷管道的,為475 MPa，說明管道對球形缺陷的敏感度最小。

為準確研究腐蝕缺陷對高含硫輸氣管道強度的影響機理，提取包含缺陷部位如圖9中所示的沿管道徑向，軸向和環向的應力分布，分別對應圖9中所示的AO段、BO段和CO段。

圖9 等效應力提取部位示意圖Fig. 9 The extraction location diagram of equivalent stress

圖10 徑向方向(AO段)的應力分布Fig. 10The stress distribution in radial direction (AO)

圖10為含不同缺陷管道沿徑向方向上的應力分布規律。由圖10可見，無缺陷管道在徑向方向上的應力分布非常均勻，而含缺陷管道越靠近管道內壁，應力越大。球形缺陷管道的應力最小，橢球形缺陷管道在徑向方向上的應力在初期低于槽形缺陷管道的，但越靠近管道內壁，其應力值越大，最后大于槽形缺陷，可見，橢球形缺陷管道在徑向方向上的應力梯度較大，對管道的強度影響最大。

由圖11和圖12可見，環向長度小于650 mm或軸向長度小于600 mm，即遠離缺陷部位時，無缺陷管道與三種含不同腐蝕形貌的缺陷管道的應力分布規律一致，這說明缺陷的影響范圍有限，其影響范圍在環向方向接近100 mm，軸向方向接近150 mm。

圖11 環向方向(CO段)的應力分布Fig. 11 The stress distribution in circumferential direction (CO)

4 室內試驗驗證

圖12 軸向方向(BO段)的應力分布Fig. 12 The stress distribution in axial direction (BO)

為驗證模擬結果的正確性，基于上述模型尺寸分別加工了三根含不同缺陷的高含硫輸氣管道，并進行室內模擬試驗，假設試驗管道斷裂失效時所對應水壓值為其失效載荷，試件斷裂后的形貌如圖13所示。

圖13 試驗現場結果Fig. 13 The test results for scene

圖13中，1號管為含球形缺陷的管道，2號管為含槽形缺陷的管道，3號管為含橢球形缺陷的管道。表2為含缺陷管道模擬失效壓力載荷與室內試驗時管道失效時的水壓力對比誤差表。

由表2可見，模擬結果和試驗結果最大誤差為3.1%，滿足精度要求，模擬結果可靠。

表2 模擬結果與試驗結果的誤差

5 結論

(1) 基于塑性失效準則，準確描述了腐蝕缺陷對管道力學行為的影響，管道在內壓載荷作用下其力學行包含彈性階段、屈服階段和塑性強化三個階段，其中槽形缺陷和橢球形缺陷大大降低了管道的極限承載能力，而球形缺陷對管道的極限承載能力的影響相對較小。

(2) 缺陷對管道強度的影響主要表現為局部應力集中，其中橢球形缺陷管道在徑向方向上的應力梯度最大，應力集中最為明顯。

(3) 模擬結果和試驗結果最大誤差為3.1%，滿足精度要求，仿真結果可靠。

[1] 楊發平，王貴波. 普光氣田地面集輸系統腐蝕監測及控制體系[J]. 天然氣工業，2012(1)：94-97.

[2] 龔金海，劉德緒，王曉霖. 普光氣田集輸系統的腐蝕控制技術[J]. 腐蝕與防護，2012(4)：317-319.

[3] 崔銘偉，曹學文. 腐蝕缺陷對中高強度油氣管道失效壓力的影響[J]. 石油學報，2012(6)：1086-1092.

[4] 白清東. 腐蝕管道剩余強度研究[D]. 大慶:大慶石油學院，2006.

[5] 李增亮，陳猛. 外腐蝕管道剩余強度及剩余壽命的有限元分析[J]. 潤滑與密封，2010(10)：86-89.

[6] 張占奎. 油氣管道腐蝕失效預測及安全可靠性評估研究[D]. 天津:天津大學，2006.

[7] 魏斯釗，崔銘偉，曹學文. 局部腐蝕油氣管道失效壓力的計算方法[J]. 油氣儲運，2014(11)：1211-1217.

[8] 楊茜. 壓力管道腐蝕缺陷的非線性有限元分析[D]. 西安:西安石油大學，2014.

Effect of Corrosion Defects on the Strength of Pipeline Used for Conveying High Sour Gas

YAN Biao, ZHANG Guangjing, GAO Qiang, JIN Zeyang

(Gas Production Plant of Puguang Branch of Zhongyuan Oilfield Company, Sinopec, Dazhou 635000, China)

A pipeline containing defects was modeled in solid 186 units. The influence mechanism of the corrosion defects on the strength of pipeline used for conveying high sour gas was analyzed based on the implicit integration algorithm of nonlinear finite element analysis and plastic failure criterion. The correctness of the simulation analyses was verified through the indoor test. The results show that the mechanical behaviors of pipeline containing defects were divided into elastic phase,elastic-plastic phase and plastic reinforcement phase. Slotted and ellipsoid defects greatly reduced the yield point while the influence of spherical defects on the yield point was relatively low. The influence of defects on strength of pipeline was mainly presented as local stress concentration and the stress gradient of ellipsoid defect pipe in the radial direction was the biggest, showing the most obvious stress concentration.

corrosion defect; pipeline for conveying high sour gas; strength

2016-12-05

國家自然科學基金(51405032)； 石油天然氣裝備教育部重點實驗室資助項目(OGE201403-06)

鄢 標(1989-)，助理工程師，碩士，從事高含硫天然氣集輸工藝與管道完整性評價，yanbiao1989@sina.cn

TE923

B

1005-748X(2017)05-0336-04

10.11973/fsyfh-201705004