雙腐蝕缺陷油氣管道剩余強度分析

王戰輝，馬向榮，高 勇，范月月

(1. 榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000； 2. 陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著現代經濟和科學技術的快速發展，過程工業和運輸業也隨之蓬勃興起，石油、天然氣這些與生活息息相關的資源變得越來越不可或缺。油氣行業已經逐漸成為各個國家國民經濟發展的主要支柱產業之一，在社會和經濟的發展中起著舉足輕重的作用。由于我國每年的石油進口量大，國內現有的天然氣分布不均勻，跨地域運輸困難，因此，每年需要用大量的油氣管道來輸送，而且輸送介質大多是高腐蝕性的。由于我國管材的生產中防腐技術和施工質量不夠先進，管道腐蝕失效所占比例要遠高于發達國家[1]。油氣集輸管線由于自身所處的服役環境，會出現很多腐蝕缺陷，如果任由腐蝕缺陷發展，會使管道壁厚減薄，強度下降，對管道的承壓能力和運輸能力造成惡劣的影響，更嚴重的是會使管道破裂發生泄漏，造成爆炸等事故[2]。在所有油氣管道失效的事故中，腐蝕導致的事故約占40%，管道的外部腐蝕缺陷所導致的失效就高達15.3%；內部腐蝕缺陷導致的失效也占12.8%。由于以上種種原因加上管線材料的一些因素將可能引起管線的應力集中，導致其缺陷腐蝕更加嚴重。因管線材料不可避免有一定的內部缺陷，必須盡最大的努力去保證有重大缺陷的管線能被及時更換，小的缺陷管線和沒有缺陷的管線盡可能地保護，以防止發生事故[3]。

無論在國內還是國外，腐蝕是管道缺陷失效的重要原因，并且管道檢測的難度較大，因此針對管道腐蝕缺陷剩余強度的評價意義重大[4]。怎樣及時發現這些缺陷，并在發現缺陷后估計缺陷的發展程度，判斷管道是否還可以繼續服役，避免不必要的經濟損失，這就是腐蝕剩余強度所必須解決的問題[5]。國內外對于腐蝕管道剩余強度和剩余壽命開展了大量研究工作，但是大多集中于單點腐蝕缺陷，通過改變服役環境或者缺陷形狀等分析其對管道承壓能力的影響。因單點腐蝕結構簡單，實際意義不大，不具有代表性，實際生產中大多是兩個或者兩個以上腐蝕缺陷組成的結構，而且許多對雙點腐蝕的研究結果偏保守[6-11]。本文以X60雙腐蝕缺陷油氣管道為研究對象，借助ANSYS軟件，得到雙腐蝕缺陷管道等效應力分布云圖，并分析了缺陷半徑和缺陷深度對其等效應力和剩余強度的影響，所得結論對于油氣管道的腐蝕安全評價有一定的參考意義。

1 有限元建模

1.1 幾何特征和物理性能參數

圖1 雙腐蝕缺陷管道幾何模型圖

1.2 施加約束和載荷

外壓、地震載荷、風載荷等載荷，相對于內壓載荷，影響效果可以忽略不計，因此，只考慮內壓載荷p[13]。在幾何模型對稱面施加對稱位移約束，在管道兩端面約束其軸向位移，管道內表面施加內壓載荷p，p取13MPa。

1.3 強度失效判斷準則

利用基于塑形失效的強度判斷準則，即當腐蝕區域最大等效應力超過材料的抗拉強度σb時，發生強度破壞，此時的內壓載荷稱為剩余強度[14]。雙腐蝕缺陷管道等效應力表達式為：

式中：σs為等效應力，單位為MPa；σ1、σ2、σ3分別為沿x軸、y軸、z軸方向上的應力，單位為MPa。

2 雙腐蝕缺陷管道等效應力和剩余強度的分析

2.1 等效應力分布云圖

雙腐蝕缺陷管道等效應力分布云圖如圖2所示。由圖2可以看出，管道等效應力可以分為兩個區域，靠近腐蝕缺陷區域，等效應力最大，最容易發生強度失效。這是由幾何形狀不連續現象引起的不連續應力現象，當最大等效應力超過材料的抗拉強度時，此時的內壓稱為剩余強度；遠離腐蝕缺陷區域，不連續應力迅速衰減，應力分布均勻，此時的等效應力為內壓引起的薄膜應力，沿壁厚均勻分布。

圖2 雙腐蝕缺陷管道等效應力分布云圖

2.2 雙腐蝕缺陷半徑的影響

雙腐蝕缺陷管道缺陷深度d1、缺陷深度d2為0.7t，缺陷半徑R1為12mm保持定值，缺陷半徑R2分別取3mm、5mm、7mm，在不同軸向位置的條件下，改變缺陷間距ld，其軸向位置對雙腐蝕缺陷管道最大等效應力的影響如圖3-圖5所示。由圖可知，隨著軸向位置的增加，雙腐蝕缺陷管道最大等效應力保持穩定狀態，在屈服極限與抗拉極限之間變化；當缺陷間距ld逐漸變大時，雙腐蝕缺陷等效應力的變化逐漸減弱，最后大都在屈服強度左右變化，在缺陷間距ld為0.3ls時等效應力的變化最明顯；當缺陷間距ld變小時，對管壁較遠的外層節點等效應力的影響可以忽略不計。雙腐蝕缺陷管道缺陷間的相互作用影響與雙腐蝕缺陷間距ld有關，當雙腐蝕缺陷管道缺陷間距ld逐漸增加時，雙點腐蝕管道缺陷之間的相互影響逐漸減弱，當缺陷間距ld>ls時，軸向腐蝕管道缺陷的相互作用越來越小；隨著腐蝕缺陷半徑的增大，兩點腐蝕缺陷的相互影響的軸向臨界間距有漸漸增加的趨勢，但雙腐蝕管道缺陷相互影響范圍大都不超過ls。

圖3 R1=12 mm，R2=3 mm軸向位置對等效應力的影響

圖4 R1=12 mm，R2=5 mm軸向位置對等效應力的影響

圖5 R1=12 mm，R2=7 mm軸向位置對等效應力的影響

雙腐蝕缺陷管道缺陷深度d1、缺陷深度d2為0.7t，缺陷半徑R1為12mm保持定值，缺陷半徑R2分別取3mm、5mm、7mm，改變缺陷間距ld后，其缺陷間距ld對雙腐蝕缺陷管道剩余強度的影響如圖6所示。由圖6可知，在缺陷深度和缺陷半徑為定值時，隨著缺陷間距ld的增加，剩余強度呈增加的趨勢，剩余強度與缺陷間距大致呈對數關系；在缺陷深度、缺陷半徑R1、缺陷間距ld為定值時，隨著缺陷半徑R2的增大，剩余強度呈增加的趨勢，發生強度失效時內壓較大，安全性增強。

圖6 軸向間距對剩余強度的影響

2.3 雙腐蝕缺陷深度的影響

雙腐蝕缺陷管道缺陷半徑R1、缺陷半徑R2為7mm，缺陷深度d2為0.7t保持定值，缺陷深度d1分別取0.3t、0.5t，在不同軸向位置的條件下，改變缺陷間距ld后，其軸向位置對雙腐蝕缺陷管道最大等效應力的影響如圖7-圖8所示。由圖可知，當缺陷間距ld為定值時，隨著軸向位置的增加，腐蝕缺陷管道最大等效應力保持穩定狀態，雙腐蝕缺陷管道等效應力在屈服極限與抗拉極限之間變化；當軸向位置為定值時，缺陷間距ld出現臨界值0.5ls，當小于臨界值0.5ls時，等效應力隨缺陷間距ld的增大而減小，雙腐蝕之間相互作用減小，剩余強度增大，安全性得到保障，剩余強度增加；當大于臨界值時，等效應力隨缺陷間距ld的增大基本維持不變，雙腐蝕之間基本沒有相互作用，剩余強度維持不變。

圖7 d1=0.3t，d2=0.7t軸向位置對等效應力的影響

圖8 d1=0.5t，d2=0.7t軸向位置對等效應力的影響

雙腐蝕缺陷管道缺陷半徑R1、缺陷半徑R2為7mm，缺陷深度d2為0.7t保持定值，缺陷深度d1分別取0.3t、0.5t，通過改變缺陷間距ld，缺陷間距ld對雙腐蝕缺陷管道剩余強度的影響如圖9所示。由圖9可知，在缺陷深度和缺陷半徑為定值時，隨著缺陷間距ld的增加，剩余強度先增加后不變，出現臨界值0.5ls；當缺陷間距ld小于臨界值0.5ls時，缺陷間距對剩余強度影響較大，剩余強度與缺陷間距大致呈線性關系；當缺陷間距ld大于臨界值0.5ls時，剩余強度保持不變，缺陷間距對剩余強度影響可以忽略不計；在缺陷半徑R1、缺陷半徑R2、缺陷深度d2、缺陷間距ld為定值時，隨著缺陷深度d1的增大，剩余強度呈減小的趨勢，發生強度破壞時內壓較小，安全性降低。

圖9 缺陷深度對剩余強度的影響

3 結語

1) 靠近腐蝕缺陷區域，等效應力最大，最容易發生強度失效；遠離腐蝕缺陷區域，不連續應力迅速衰減至薄膜應力。

2) 隨著軸向位置的增加，雙腐蝕缺陷管道等效應力在屈服極限與抗拉極限之間變化。

3) 在缺陷深度和缺陷半徑為定值時，隨著缺陷間距ld的增加，剩余強度呈增加的趨勢，大致呈對數關系；在缺陷深度、缺陷半徑R1、缺陷間距ld為定值時，隨著缺陷半徑R2的增大，剩余強度呈增加的趨勢，安全性增強。

4) 在缺陷深度和缺陷半徑為定值時，隨著缺陷間距ld的增加，剩余強度先增加后不變，出現臨界值0.5ls；在缺陷半徑R1、缺陷半徑R2、缺陷深度d2、缺陷間距ld為定值時，隨著缺陷深度d1的增大，剩余強度呈減小的趨勢，安全性降低。