內外腐蝕對凹陷管道剩余強度影響分析＊

司剛強，薛正林，孫偉棟，劉保余，何世亮

內外腐蝕對凹陷管道剩余強度影響分析＊

司剛強1，薛正林1，孫偉棟1，劉保余1，何世亮2

（1.中國石化管道儲運有限公司，江蘇 徐州 221008；2.浙江工業大學海洋研究院，浙江 杭州 310014）

以長輸油氣管道作為研究對象，采用球形壓頭對管道腐蝕區域展開位移加載，以實現管道局部區域的塑性變形，使管道出現腐蝕缺陷、凹陷缺陷、外腐蝕缺陷共存的組合缺陷，并圍繞此展開研究分析。用ABAQUS有限元軟件分析了管道內外腐蝕深度、長度以及凹陷深度分別對組合缺陷作用下管道剩余強度的影響。研究表明，凹陷深度對管道剩余強度影響最大，且內腐蝕缺陷對剩余強度的影響比外腐蝕缺陷大，對工程實際情況有一定的指導意義。

長輸管道；剩余強度；腐蝕缺陷；凹陷管道

1 引言

目前，中國長輸干線管道里程已突破12萬千米，承擔著全國70%的石油和99%的天然氣運輸。油氣管道在長時間運營后，會出現嚴重的老齡化，再加上腐蝕、凹陷等因素，使管道輸送效率明顯降低，甚至引發爆炸、中毒以及火災等重大安全事件，給經濟發展以及人員健康造成嚴重威脅。中國很大一部分管線建于20世紀七八十年代，服役年限已將近40年，而在役管道中約60%服役時間超過20年，設備及材料的老化日漸明顯，多年連續的較大管道泄漏事故使得管道是否能夠再用、是否需要報廢處理、如何保障其運行安全等成為必須面對的主要問題。

對于壓力管道的腐蝕以及凹陷，目前有大量的相關研究。西南石油大學薛濤[1]利用韌性斷裂失效模型，研究分析了凹陷管道損傷程度在不同參數下的變化情況，并且針對凹陷深度準則展開驗證，與此同時，分析了在管道內壓不斷變化條件下，球形凹陷臨界失效應變現象。劉維洋等[2]的研究主要圍繞管道凹陷的深度、長度、初始內壓以及下壓深度等維度展開，明確了各因素對含腐蝕凹陷管道極限載荷的作 用。鄒海翔[3]在研究過程當中，重點圍繞含體積缺陷凹陷管道的失效壓力、管道凹陷回彈、單純凹陷管道極限承載能力等展開。朱豪豪等[4]采用非線性有限元法，利用ABAQUS軟件構建相應的研究模型，用于分析缺陷寬度、長度以及深度3個參數對含缺陷埋地管道承載力的影響。王戰輝等[5]從方形缺陷的視角展開研究，選取缺陷寬度、深度以及長度為自變量，研究各自變量對剩余強度與等效應力的具體影響，并結合采油廠實際數據進行管道壽命預測。

以往，很多專家與學者都將研究的重點集中在管道腐蝕以及凹陷兩方面，而將上述兩種現象綜合研究的非常少[6-8]。

鑒于此，本次研究過程中，采用球形壓頭對管道腐蝕區域進行位移加載，以達到管道局部區域的塑性變形，從而產生內腐蝕缺陷、凹陷缺陷、外腐蝕缺陷共存的組合缺陷，同時結合實際工程案例展開詳細分析，以期達到夯實理論基礎的目的。

2 凹陷管道評價方法

目前對于凹陷管道的評價方法主要有兩種，分別為基于深度評價方法和基于應變評價方法[9-11]。此外，在ASME B31.8中指出：管道出現腐蝕與凹陷情形時，要根據ASME B31G中腐蝕剩余強度評價法求解管道的失效壓力。

2.1 基于深度評價方法

以深度為標準的評價法中，所采用的依據為凹陷的最大深度值，如果數值和標準既定的值一致，即認為需要采取移除或修理措施。ASME B31.8標準明確指出，平滑凹陷與帶腐蝕的凹陷深度不得大于管道外徑的6%。而加拿大工業標準協會所制定的CSA Z662則強調，如果管道的外徑小于 105.6 mm，平滑凹陷的深度必須小于6 mm；如果超過該臨界值，那么深度必須小于管道外徑的6%，存在裂紋的凹陷是不允許的。

基于凹陷深度的評價標準歸納總結如表1所示。

2.2 基于應變評價方法

美國機械工程師協會所制定的ASME B31.8標準詳細介紹了基于應變的評估準則，即管道的凹陷區域最大應變超過6%，那么就需要采取相應的措施，修理或者移除凹陷管道。而ASME B31.8詳細解釋了管道軸向彎曲應變、環向彎曲應變、軸向薄膜應變的求解公式，具體如下所示：

式（1）中：0為管道外半徑，mm；1為管道凹陷環向橫截面曲率半徑，mm。

式（2）中：為管道壁厚，mm；2為管道凹陷軸向橫截面曲率半徑，mm。

式（3）中：為凹陷深度；為凹陷長度。

管道內外壁的應變：

3 有限元分析

3.1 工作條件與缺陷參數

以東黃復線管道為例，東黃復線（黃島—昌邑）管道全長96 km，管道規格為Φ711.2×7.14 mm，材質為X60，彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3，最小屈服強度為 414 MPa。

管道最大允許運行壓力為4.2 MPa，運行時介質溫度60 ℃。

缺陷參數信息如表2所示。

表1 基于凹陷深度的評價標準歸納總結

標準純凹陷含腐蝕凹陷含裂紋凹陷 ASME B31.4≤6%OD（NPS 4及更小管徑管道，深度小于等于6 mm）不允許不允許 ASME B31.8≤6%OD≤6%OD不允許 CSA Z662小于等于6 mm（小于等于105.6 mm管道），≤6%OD（大于105.6 mm管道）腐蝕深度小于等于40%管道壁厚不允許 API 1156≤6%OD，＞2%OD 需進行疲勞評價不允許不允許

表2 缺陷參數信息

特征名稱特征長度/mm特征寬度/mm特征深度/（%）時鐘方向 凹陷——66：00 金屬損失-腐蝕內壁200100106：00 金屬損失-腐蝕外壁200100106：00

3.2 有限元模型

運用ABAQUS有限元軟件建立帶缺陷的直管模型，管道長為6倍外徑，按照圣維南理論，管道的長度超過其外徑5倍時，可以忽略邊界條件造成的影響[12-13]。假設管道內壓作用在管道內沒有壓力損失，即管道內的內壓力作用是定值。而此次研究的管道主要功能為長距離運輸，滿足以上條件，所以管道的熱損失不納入考慮范圍內[14-15]。將鋼球約束為剛體，給鋼球加載方向的位移，位移值為凹陷深度，在管道凹陷的時鐘方向施加凹陷，如圖1所示。本模型選擇實體三維八節點縮減積分單元（C3D8R）劃分網格，這種單元避免了剪切“鎖閉問題”，具有計算精度較高、計算效率高的優點。材料屬性為線彈性。

圖1 帶缺陷管道模型

3.3 邊界條件

將剛體球和管道的相互作用簡化為切向接觸和法向接觸，對這兩個方向的接觸關系分別進行假定，采用無摩擦硬接觸。根據所研究對象實際受力變形情況，利用耦合約束將左右端面六個自由度與參考點的運動約束在一起，參考點的位置位于左右端面圓心處。將管道一端固定，另一端設置為沿管道軸向對稱。

3.4 施加載荷

管道自重以及土壤壓力對管道失效壓力的影響非常小，因此，為簡化計算，可忽略上述因素，僅關注管道內壓和溫差影響。輸送介質壓力，在管道內表面施加壓力8 MPa。溫度荷載將初始溫度設置為20 ℃，分析時第一步溫度設置為60 ℃。常溫狀態鋪設的管道，工作狀態時溫度會變成內部介質的溫度。

3.5 剩余強度結果

帶缺陷的管道MISES應力云圖如圖2所示。管道壓力與最大Von Mises應力曲線如圖3所示。當分析到0.52步時，管道達到屈服強度，為414 MPa。此時加載的壓力為8×0.52= 4.16 MPa，剩余強度為4.16 MPa，小于最大允許運行壓力，為4.2 MPa，管道無法繼續使用，需要修復缺陷或更換管道。

4 缺陷尺寸對剩余強度影響分析

4.1 內腐蝕缺陷深度

假設管體和凹陷的尺寸不變，凹陷深度為管徑的6%，內腐蝕長度為200 mm，寬度為100 mm，分別研究不同內腐蝕深度下管道剩余強度變化情況，腐蝕深度為壁厚的5%～50%，間隔5%。剩余強度結果如圖4所示，從圖4可以看出，隨著內腐蝕深度的增加，缺陷管道剩余強度逐漸減小，而且減小的趨勢越來越陡，可見內腐蝕深度對管道剩余強度的影響較大。

圖2 帶缺陷的管道MISES應力云圖

圖3 管道壓力與最大Von Mises應力曲線

圖4 剩余強度結果（內腐蝕深度）

4.2 外腐蝕缺陷深度

假設管體和凹陷的尺寸固定，凹陷深度為管徑的6%，外腐蝕長度為200 mm，寬度為100 mm，分別研究不同外腐蝕深度下管道剩余強度變化情況，腐蝕深度為壁厚的5%～50%，間隔5%。

剩余強度結果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著外腐蝕深度的增加，缺陷管道剩余強度逐漸減小，且減小的趨勢越來越強，但是沒有內腐蝕深度對管道剩余強度的影響大。

4.3 內腐蝕缺陷長度

假設管體和凹陷的尺寸固定，凹陷深度為管徑的6%，內腐蝕深度為壁厚的10%，寬度為100 mm，分別研究不同內腐蝕長度下管道剩余強度變化情況，內腐蝕長度為50～500 mm，間隔50 mm，剩余強度結果如圖6所示。根據圖6可知，當內腐蝕缺陷長度上升時，剩余強度不斷降低，且形成平緩下降趨勢，可見這種影響是發生在特定范圍中的。另外，腐蝕缺陷長度的影響比深度的影響要小很多。

圖5 剩余強度結果（外腐蝕深度）

圖6 剩余強度結果（內腐蝕長度）

4.4 外腐蝕缺陷長度

假設管體和凹陷的尺寸固定，凹陷深度是管徑的6%，耐腐蝕深度是壁厚的10%，寬度值為100 mm，分別分析不同外腐蝕長度下管道剩余強度變化情況，外腐蝕長度為50～500 mm，間隔50 mm，剩余強度結果如圖7所示。分析圖7可知，當外腐蝕缺陷長度增大時，剩余強度呈下降趨勢，同樣形成平緩下降趨勢，但是比內腐蝕長度的影響要小一些。

4.5 凹陷深度

假設管體的尺寸不變，內腐蝕和外腐蝕的深度均為壁厚的10%，寬度為100 mm，長度為200 mm，分別研究不同凹陷深度下管道剩余強度變化情況，凹陷深度為1%～6%，間隔0.5%，剩余強度結果如圖8所示。分析圖8可知，當凹陷深度值增大時，剩余強度呈下降趨勢，減小的趨勢越來越強，可見凹陷深度對剩余強度的影響很大，從剩余強度數值上看凹陷深度影響比腐蝕深度大。

5 結論

對于腐蝕缺陷深度與缺陷管道剩余強度，兩者呈明顯的反比關系，并且剩余強度隨著腐蝕深度增加，下降的趨勢越來越強，可見腐蝕深度對管道剩余強度的影響較大，且內腐蝕缺陷深度對剩余強度的影響比外腐蝕缺陷深度大。

對于腐蝕缺陷長度與缺陷管道剩余強度，兩者呈明顯的反比關系，且形成平緩下降趨勢，可見其對于缺陷管道剩余強度所形成的影響是在特定范圍內發生的，而且腐蝕缺陷長度產生的影響要遠遠低于深度產生的影響。內腐蝕長度的影響要比外腐蝕長度對剩余強度的影響大一些。

圖7 剩余強度結果（外腐蝕長度）

圖8 剩余強度結果（凹陷深度）

對于凹陷深度與缺陷管道剩余強度，兩者呈明顯的反比關系，剩余強度隨著凹陷深度的增加，下降的趨勢越來越明顯，可見凹陷深度對剩余強度的影響很大，從剩余強度數值上看凹陷深度影響比腐蝕深度大。

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X937

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.005

2095－6835（2019）23－0012－04

司剛強（1968—），男，碩士，高級工程師，研究方向為油氣管道工程及原油儲運管理與技術。

中國石油化工股份有限公司“基于完整性管理技術的長期服役油氣管道安全運行策略研究”（編號：315006）

〔編輯：嚴麗琴〕