含內腐蝕的船舶海水管道換管周期預測

張 維，姚玉南，王春萍，焦文健，盧嘉偉

(武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430063)

船舶海水管道在冷卻主輔機、消防、壓載等管路上起著重要的作用，它保證了船舶設備的正常運行和安全航行。但是由于船舶海水管道的輸送介質為腐蝕性較大的海水，會對金屬管道帶來嚴重的腐蝕問題，常見的有電化學腐蝕、沖擊腐蝕、應力腐蝕等［1］。這些腐蝕輕者造成管道的破損，重者則會影響船舶的航行，從而會影響船上人員和船舶的安全。

目前對船舶海水管道的電化學腐蝕研究多為管材材料的選擇方面以及外加電流保護法方面［2］，但是，從腐蝕本身出發，研究腐蝕本身的變化，能夠更好的把握腐蝕的發展規律，從而為確定管道的換管周期帶來一定的依據，避免因頻繁換管帶來的經濟浪費和停船檢修帶來的損失。因此文章將結合船舶海水管道的使用環境，采用ANSYS有限元仿真軟件，建立含有腐蝕缺陷的管道模型，分析了管道缺陷處在多因素綜合作用下的最大等效應力隨各因素的變化情況，使用有限元仿真方法進行管道的剩余強度評價，并采用經驗公式對含有內壁電化學腐蝕缺陷的輸油管道的剩余壽命進行計算，從而為確立船舶海水管道的換管周期提供依據。

1 海水管道剩余強度有限元分析

隨著ANSYS有限元分析軟件的廣泛應用，很多學者利用非線性有限元方法分析缺陷之間的相互作用對剩余強度的影響［3］。由于有限元方法可以更接近實際的工況情況，用非線性有限元方法研究腐蝕缺陷管道的剩余強度時，可以模擬復雜的腐蝕狀態，但同時為了使建立的模型更接近于實際，提高模擬結果的準確性，需要同時考慮多種載荷的耦合作用。有限元分析方法中，材料的失效準則、有限元模型假設、模型參數等都將直接影響到結果的準確性。

1.1 仿真模型的基本信息

文章中的海水管道采用無縫鋼管中的Q325鋼，腐蝕缺陷形狀為矩形，由腐蝕深度、環向腐蝕長度和軸向腐蝕三個參數控制，管道仿真模型的參數見表1。

表1 管道模型仿真參數表

在管道進海水口處溫度控制在50℃左右，這是為了避免管道中海水的鹽分析出，形成水垢從而影響傳熱。內部計算流體采用海水，在建模仿真過程中，會涉及到海水的一些物理性質，如密度、黏度等物性參數，海水性能參數見表2。

表2 海水性能參數表

文章需要采用流固耦合計算，一共要用到Fluent和Static Structure兩個模塊，其之間用數據傳輸線相連。耦合計算時涉及到的管才 (Q325鋼)性能參數如表3所示。

表3 管材 (Q325鋼)性能參數表

1.2 仿真模型的建立

在利用ANSYS有限元模擬軟件對管道進行受力分析之前，做出以下假設:建模時考慮腐蝕區域尺寸和流速對內管壁的作用以及兩端的固定約束作用，管道某處產生的腐蝕缺陷只對其周圍部分的應力產生影響，因此只分析含有腐蝕缺陷的管段。基于上述確定的管道參數及影響因素分析，建立了仿真模型，如圖1所示。

圖1 含腐蝕缺陷的海水管道仿真模型

1.3 網格劃分及加密處理

由于缺陷處尺寸相對較小，因此為了更好地捕捉到流體運動狀態和提高ANSYS－Workbench軟件計算結果的精確度，通常需要對腐蝕區域的網格進行加密處理，如圖2所示，局部放大圖為腐蝕缺陷處的網格圖。其中，腐蝕處的網格尺寸為0.001 m，其余部分尺寸為0.01 m。

1.4 失效準則

失效準則是用來評判管道是否失效的依據，文章主要是對管道的腐蝕區的最大等效應力進行分析，會用到ANSYS后處理軟件中的等效應力(Von Mises)模塊，根據材料力學第四強度理論，當管道的最大等效應力超過材料的屈服強度時，即可判斷該管道極有可能失效。

圖2 計算域流體網格劃分示意圖

在三維主應力空間上，Von Mises條件表述為［4］:

式中:σV為屈服應力，MPa; σ1、σ2、σ3分別為x、y、z方向上的主應力，MPa。

1.5 有限元計算結果分析

腐蝕管道的剩余強度研究的是滿足管道安全可靠的要求下，管道存在的腐蝕缺陷，在正常的工作壓力下能否繼續安全可靠地運行。而管道輸送介質的流速和管內的壓力，以及腐蝕區的尺寸等的變化都會給管道的應力帶來一定的改變，當管道在各種載荷綜合作用下時，會在缺陷處出現應力集中，超出管道的極限強度，管道可能穿孔、破裂等，使得管道無法正常運行下去，從而影響船舶冷卻系統的正常運行。因此，針對船舶海水冷卻系統的海水管道的剩余強度研究，對于保障船舶安全運行和確定管道的換管周期具有相當重要的意義。文章將針對以下2個因素分別對管道所受的最大等效應力的影響進行分析。

1)流速在管道流速范圍1～3.5 m/s內，保持其他參數不變，使管內流速從1.5 m/s增加到2.9 m/s，發現管道所受的最大等效應力在29.16 MPa上下浮動，變化幅度不大，如圖3所示。這主要由于在分析流速時，其對象是純流體，并沒有涉及到實際運行中海水中所包含的雜質顆粒等物質，即沒有顆粒的沖擊，而且在湍流的時候，其速度分布變化很小，但是這并沒有否認流體流速在腐蝕過程中以及顆粒對管道沖擊中所扮演的重要角色。

圖3 流速與最大等效應力的關系

在船舶實際運行中，冷卻系統的進水管道里的海水通常會夾帶著一些雜物，例如鹽、砂等。在含鹽量及含砂量高的海水中，這些雜質不僅會對管道內壁形成較大的沖刷作用力，在管道內表面產生的切向作用力，而且由于沖刷力的作用，會阻礙管道內壁表面保護膜的形成或對已形成的膜起破壞作用，從而加劇腐蝕。其次，海水的流動使管壁處的氧供應量得到充分保證，在空氣中的氧擴散到金屬表面的流速加快時，因而加劇了電化學腐蝕，其三，在海水流速超過一定極限后，不斷地有空氣泡或蒸汽泡形成和破滅，在與海水接觸的管道表面發生，會形成氣蝕，同樣會對管道的腐蝕行為帶來一定的影響。因此在船舶冷卻系統海水管道中，控制海水進入管道的速度尤為重要。

2)腐蝕缺陷尺寸。腐蝕缺陷尺寸主要包含3個尺寸參數，即腐蝕深度、環向腐蝕長度和軸向腐蝕長度，當其中任何一個尺寸發生變化時，管道所受的應力就會發生相應的變化，文章通過有限元法分析研究了不同腐蝕缺陷尺寸對管道所受最大等效應力的影響。

(1)腐蝕深度。為了研究腐蝕深度對管道所受最大等效應力的影響，保持其他參數不變，在腐蝕深度允許范圍內［5］，設置腐蝕深度變化范圍為20%δ～60%δ(δ為管道壁厚)。由圖4可知，當腐蝕深度從20%δ逐漸增加到60%δ，腐蝕區最大等效從29.054 MPa上升到53.106 MPa，并且隨著腐蝕深度的增加，管道所受的最大等效應力的上升速率越快，在40%以后，應力增加速率明顯上升，在50%δ～60%δ區間上升速度最快，說明了管道隨著腐蝕深度的增加，會越來越脆弱，即使是微小的深度增加，也會給管道帶來較大的影響，因此，在管道的日常維護與檢測中，在檢測到管道腐蝕深度達到40%δ時，因注意加強管道的深度檢測，以便在合適的時間做出換管決策。

圖4 腐蝕深度和最大等效應力的關系

(2)軸向長度。保持其他參數不變，軸向長度從2 cm增加到7 cm，管道所受的最大等效應力從30.302 MPa增加到53.952 MPa，見圖5。由圖5可知，在2～3.5 cm區間內，管道所受的最大等效應力上升平緩，在3.5～4.5 cm期間，管道所受的最大等效應力較之前出現了明顯的變化，而在5 cm之后隨著腐蝕軸向長度的增加，管道所受的最大等效應力幾乎保持不變。

(3)環向長度。在其他條件不變的情況下，腐蝕區的環向腐蝕長度弧度從20°增加到80°，管道所受的最大等效應力變化范圍不大，最大為30.44 MPa，最小為 27.14 MPa，相對腐蝕深度和軸向長度的變化而言，其變化幅度可以忽略不計，近視一條水平直線，見圖6。

圖6 環向長度和最大等效應力的關系

綜上所述，不同腐蝕特征參數對管道所受最大應力的影響也不同。對比圖4、圖5和圖6發現，三者對管道所受的最大等效應力的影響效果一次為:腐蝕深度＞軸向長度＞徑向長度。可知，腐蝕深度對管道所受的最大等效應力影響是非常顯著的，因此，在接下來的對含有內腐蝕缺陷的海水管道剩余壽命的預測計算選取腐蝕深度作為仿真計算對象。

3 換管周期的預測

剩余壽命預測是衡量管道安全狀況和制定維修策略的重要手段之一，通過上述仿真結果可以得出腐蝕深度是影響管道剩余強度最關鍵的因素，故可以通過逐步增加腐蝕深度的尺寸，利用有限元法來計算各腐蝕缺陷深度下的管道的失效壓力，分析步驟如下:首先依據ASME B31G［6］求解的安全工作壓力作為工作內壓，然后根據計算結果進行調節，采用塑性失效準則與所求的最大等效應力做比較，得出在該深水處，管道所能承受的最大內壓。其中當腐蝕區最大應力大于屈服強度時，則下一步仿真的初始壓力均用現階段仿真的壓力值減去相應的差值，反之則加上相應的差值，直至腐蝕區最大應力值在屈服強度5%誤差之內，則可認為此時仿真計算的壓力值為該工況下的失效壓力值。

若已知管道的各參數，根據剩余壽命經驗公式［7］可以計算得到含有內壁局部腐蝕缺陷的極地輸油管道的剩余壽命。

圖7 失效壓力仿真計算流程

式中:ts為腐蝕管道剩余壽命年限，a;k為校正系數，一般取0.85［8］;SM為安全余量，其值等于計算失效壓力與屈服壓力的比值減去最大操作壓力與屈服壓力的比值;δ為管道公稱壁厚，mm;v為腐蝕速率，mm/a。

取管道電化學腐蝕速率為0.080 mm/a，此實驗值來自于武漢理工大學能源與動力工程學院船機系實驗室，根據式 (2)可以得到各腐蝕厚度所剩余壽命年限。在確定管道的剩余壽命后，即可對管道是否進行換管或是繼續進行使用可以做出準確的判斷，見表4。由表4可知，腐蝕深度與剩余壽命之間呈現反比關系，并且在腐蝕深度為4 mm之后，管道的剩余壽命下降的速率明顯加快了，因此在海水管道內腐蝕深度達到4 mm后，應增加對管道壁厚監測的頻率，并在適時的時候做出換管決策，以保障船舶冷卻系統的正常工作。

表4 各腐蝕深度對應的失效壓力及剩余壽命

4 結束語

1)采用ANSYS有限元法分析了各因素對管道腐蝕缺陷處所受的等效應力的影響關系，得到了在保持其他條件不變的情況下，腐蝕深度及腐蝕軸向長度對管道的剩余強度的影響效果顯著，尤其是在管道的腐蝕深度達到壁厚的40%和腐蝕軸向長度達到4 cm時應引起重視，在對海水管道的日常維護中應著重進行監測。

2)有限元分析法與經驗公式的結合使用能夠對含有單一局部腐蝕的管道剩余壽命進行較為精準的預測，為制定管道相應的防腐蝕計劃和換管周期提供了一定的幫助。但是由于仿真的環境是純流體，在管道的實際運行中，會存在著雜質，這些雜質在管內的流動會影響管道內腐蝕的腐蝕速度，若要達到更為精準的預測，還需要以大量的現場檢測和實驗數據為前提。

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