海底輸油管道在懸空與腐蝕聯合作用下的剩余壽命預測

田凱

摘要：為解決海底輸油氣管道在懸空與腐蝕聯合作用下的剩余壽命預測問題，提出一種海底輸油管道的強度計算與壽命預測方法。通過懸空管道受力分析求得管壁各項應力，采用應力集中系數法分析腐蝕缺陷對懸空管道強度的影響，根據模擬腐蝕試驗得出的管道缺陷發展規律建立管道剩余壽命預測模型，從而解決輸油氣管道的剩余壽命預測問題。實驗結果表明：懸空與腐蝕聯合作用對管道強度的影響最強，懸空缺陷次之，腐蝕缺陷最弱；隨著服役年限的增長，懸空與腐蝕缺陷尺寸逐步變大，管道強度降低，最終到達一定年限時管道失效。

關鍵詞：海底輸油管道；水平懸空；腐蝕缺陷；剩余壽命預測

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0006-05

0引言

根據勝利海上油田對埕島海域海底輸油管道檢測報告可知，在海流沖刷與石油腐蝕聯合作用下。海底輸油管道同時出現外部懸空與內部腐蝕缺陷。該聯合缺陷不但使管道強度降低，當缺陷尺寸達到一定長度時，還將極易導致管道破壞，造成大量的經濟損失和嚴重破壞生態環境。

目前國內外學者對管道懸空和腐蝕缺陷強度進行了廣泛而深入的研究，并提出了一些強度計算方法，但其理論大都局限于分析管道懸空或腐蝕缺陷的單獨作用，不能準確分析缺陷聯合作用時的管道強度。

針對此問題，本文首先在分析水平懸空管道各項應力的基礎上，采用材料第四強度理論對懸空管道進行了強度計算：然后采用應力集中系數法分析了腐蝕缺陷對懸空管道的影響：接著根據管道懸空擴展速率與模擬腐蝕試驗得出的腐蝕缺陷變化速率，以管道應力超過管道材料最小屈服強度為失效形式，提出了一種在懸空與腐蝕缺陷聯合作用下的海底輸油管道剩余壽命預測方法。

1水平懸空管道應力分析

1.1管道結構模型

海底水平懸空管道如圖1（a）所示，管道A、B兩端深埋于海底淤泥之中，淤泥具有一定的彈性支撐作用，可以把A、B兩端的支撐假定為鉸支約束，簡化模型如圖1（b）所示。

1.2管道受力分析

勝利海上油田的海底輸油管道結構主要由內外雙層管道、保溫層3層結構組成，如圖2所示。作用于水平懸空管道載荷主要有管道內部油壓載荷、自重載荷及管道外部環境載荷。由于水平懸空管道直徑與長度比一般小于1：10，因此管道可視為桿件結構。

1.2.1內部油壓載荷應力的計算

由文獻[6]可知，管道內部油壓在內層管壁上產生沿圓周方向的環向應力σp1、沿軸線方向的軸向應力σp2以及沿直徑方向的徑向應力。由于管道為內壓管道，所以徑向應力較小不予考慮。另外，內外層管道之間為保溫層，可忽略油壓對外層管道的影響。由彈性力學可計算內層管道環向與軸向應力：

1.2.2自重載荷應力的計算

石油與內外層管道的自重載荷沿y軸負方向均勻分布在懸空管道上，將使管道在xoy平面內發生彎曲。在管道內產生彎矩，進而使內外層管道具有一定的軸向彎曲應力，自重載荷q表達式為

3懸空與腐蝕聯合作用下管道剩余壽命預測

3.1腐蝕缺陷發展規律研究

本文采用模擬腐蝕試驗研究腐蝕缺陷尺寸的變化規律，為了準確模擬石油腐蝕環境，采用模擬腐蝕試驗與實際腐蝕試驗相似性原則，用高純度的硫化氫和二氧化碳氣體作為腐蝕性氣體，代替石油中的主要腐蝕性物質；利用恒定分壓法確定各氣體組成成分硫化氫氣體和二氧化碳氣體的壓強比，模擬石油中腐蝕性物質比例。本文采用勝利海上油田提供的具有不同服役年限且材料為X56的管道進行試驗，把提供的管道制作成不同服役期管道樣件、對比樣件、含有微小腐蝕缺陷樣件。首先把含有微小腐蝕缺陷4批樣件同時投入反應釜中，分別在5，10，15，20d后依次取出樣件。采用50刻度游標卡尺測量各批樣件中腐蝕缺陷的尺寸（長度、寬度、深度），并把測量的缺陷各尺寸的平均值繪制成隨服役年限變化的曲線。運用回歸分析曲線估計擬合變化規律，從而預測當前情況下未來幾年的缺陷擴展情況。

3.2剩余壽命預測流程

懸空與腐蝕聯合作用下的管道剩余壽命預測具體過程是：給定管道結構尺寸、截面尺寸、環境等多種參數，采用式（1）～式（24）計算管道當前最大綜合應力及判斷其是否失效，若管道最大綜合應力小于材料最小屈服強度，則增加管道預測壽命；根據式（25）～式（27）計算腐蝕缺陷尺寸，再次采用式（1）～式（24）進行計算，直到管道最大綜合應力超過材料最小屈服強度，此時管道預測壽命為該管道剩余壽命，計算流程如圖3所示。

3.3剩余壽命預測實例分析

為了驗證上述理論的正確性，本文以埕島油田某輸油管道中的懸空與腐蝕缺陷為研究對象，采用有限元軟件分別對各預測年限的懸空與腐蝕缺陷進行對比分析。該管道于2004年投入運行，水平懸空管段段長40.9m，內外雙層管道結構，外層管道規格為φ402mm×14mm，內層管道規格為φ297mm×12mm，管道材料為X56，材料密度為9580kg/m³，材料最小屈服強度為356MPa，石油密度為815kg/m³，工作油壓為2MPa，海水密度為1025kg/m³，海流速度為1.2m/s，懸空段段長擴展速率為2m/a，在內層管道管壁25.5m處有腐蝕缺陷，缺陷尺寸為36mm×25mm×1.54mm（長×寬×深），管道各缺陷應力分析結果如圖4所示。

從圖中可以看出，懸空缺陷處應力值大于腐蝕缺陷處應力值并且差值較大，這是由于對腐蝕缺陷進行應力分析時沒有外部環境與自重載荷的作用，說明懸空缺陷對管道強度的影響較大：懸空與腐蝕聯合作用的理論計算值均大于懸空與腐蝕有限元計算值，這是因為對懸空缺陷分析時沒有考慮腐蝕缺陷處的應力集中，而本文提出的剩余壽命預測方法則考慮了二者的聯合作用，充分驗證了理論分析優于懸空與腐蝕單獨作用時的分析方法；隨著服役年限的增長，該管道最大應力不斷變大、強度降低，最終在預測年限為11a處發生失效，這是由于在懸空與腐蝕的聯合作用下隨著預測年限的增長，管道懸空尺寸與腐蝕缺陷尺寸不斷變大。因此管道剩余壽命為11a，建議在此之前應對管道進行治理，以防發生破壞。

4結束語

本文通過對懸空管道的應力分析，采用應力集中系數法研究了腐蝕缺陷對懸空強度的影響。在此基礎上，根據懸空與腐蝕擴展規律提出了海底輸油管道在懸空與腐蝕聯合作用下的剩余壽命預測方法，主要結論如下：

1）本文提出的方法考慮了腐蝕與懸空聯合對管道強度的影響，更能準確地預測管道剩余壽命，通過有限元軟件分析驗證了該方法更加接近實際且有效。

2）懸空與腐蝕聯合作用對管道強度的影響最強，懸空缺陷次之，腐蝕缺陷最弱；隨著服役年限的增長，懸空與腐蝕缺陷尺寸逐步變大，管道強度降低，最終到達一定年限時管道失效。