不同尺寸雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度研究＊

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（1.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院；2.中國石油大學(xué)（華東））

不同尺寸雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度研究＊

封子艷1南蓓蓓1楊志剛1崔銘偉1曹學(xué)文2

（1.陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院；2.中國石油大學(xué)（華東））

利用非線性有限元分析方法，對(duì)含有不同尺寸的雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了非線性有限元法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，分別研究了軸向間距對(duì)不同長(zhǎng)度、不同深度雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度的影響，計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)雙腐蝕缺陷軸向間距很小時(shí)，不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷之間存在完全相互作用，而不同深度雙腐蝕缺陷之間不存在完全相互作用；隨著雙腐蝕缺陷軸向間距系數(shù)的增加，不同長(zhǎng)度和深度雙腐蝕缺陷管道失效壓力均呈現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)函數(shù)變化形式；當(dāng)雙腐蝕軸向間距系數(shù)大于2.5ls后，不同長(zhǎng)度和深度雙腐蝕相互作用現(xiàn)象均消失。

雙腐蝕缺陷；軸向間距；交互影響；剩余強(qiáng)度；非線性有限元法

0 引 言

由于腐蝕缺陷造成油氣管道強(qiáng)度失效將引起油氣泄漏，泄漏的油氣揮發(fā)擴(kuò)散、燃燒將引發(fā)一系列環(huán)境污染問題，其污染范圍廣、危害程度大，是油氣田環(huán)境保護(hù)工作中迫切需要解決的問題，一直受到高度重視。

油氣管道泄漏會(huì)嚴(yán)重破壞陸地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)或海洋生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。陸上油氣泄漏會(huì)影響土壤中微生物的生存，破壞土壤結(jié)構(gòu)，改變地表生態(tài)，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)或死亡，受污染地區(qū)甚至可能在幾十年甚至上百年的時(shí)間內(nèi)寸草不生。海底油氣管道泄漏會(huì)影響海洋底棲生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致海洋中大量藻類和微生物死亡，厭氧生物大量繁衍，進(jìn)而導(dǎo)致海洋生態(tài)系統(tǒng)的失衡；更嚴(yán)重的是泄漏油氣形成油膜，影響了海洋對(duì)大氣中二氧化碳等溫室氣體的吸收，使溫室氣體增多，嚴(yán)重影響陸上生態(tài)環(huán)境。因此，研究評(píng)價(jià)腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度的方法，不僅有助于掌控油氣管道安全運(yùn)行，更有助于油氣管道周圍環(huán)境的保護(hù)。

1 腐蝕缺陷管道研究進(jìn)展

油氣管道中的腐蝕缺陷大都由多個(gè)腐蝕缺陷組成，多個(gè)獨(dú)立腐蝕缺陷構(gòu)成群腐蝕缺陷，群腐蝕缺陷中各個(gè)腐蝕缺陷之間、群腐蝕缺陷與群腐蝕缺陷之間，均會(huì)發(fā)生相互作用，從而影響腐蝕缺陷管道的破壞模式和極限內(nèi)壓荷載。當(dāng)前主要腐蝕缺陷評(píng)價(jià)規(guī)范ASME-B31G（修訂版）［1］、BS7910［2］、DNVRPF101［3］和PCORRC［4］方法等，大都以單腐蝕缺陷管道為研究對(duì)象，僅DNVRP-F101評(píng)價(jià)方法考慮了相鄰腐蝕缺陷之間的相互作用，但得出的結(jié)果也非常保守。O’Grady等［5-6］于1992年提出了多點(diǎn)腐蝕缺陷管道相互作用準(zhǔn)則。2001年，Bjsrney等［7-8］首次研究了雙點(diǎn)腐蝕缺陷之間的相互作用機(jī)理，并提出相互作用準(zhǔn)則。從20世紀(jì)90年代中期開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元理論的不斷成熟，以Benjamin和Andrade［9-12］、Silva［13］、Fu［14］、Batte［15］、Klever［16］以及西方的一些科研單位［17-21］為代表的科研人員紛紛開展了以有限元模擬為主試驗(yàn)為輔的腐蝕缺陷管道研究，證明了有限元理論的可靠性。研究采用三維非線性有限元方法，建立不同尺寸交互影響雙腐蝕缺陷管道失效的數(shù)值模型，研究軸向間距對(duì)不同長(zhǎng)度、不同深度雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度的影響，為進(jìn)一步提出雙腐蝕缺陷管道交互影響準(zhǔn)則建立基礎(chǔ)。2006年和2007年，Benjamin和Andrade等［9-11］對(duì)多點(diǎn)群腐蝕缺陷管道開展一系列的爆破實(shí)驗(yàn)和非線性有限元分析表明：如果根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范ASME-B31G和改進(jìn)的B31G等不考慮腐蝕缺陷損傷之間的相互作評(píng)估，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果過于保守。2007年，Silva等［12-13］結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用非線性有限元方法研究了腐蝕缺陷之間的相互作用規(guī)律，結(jié)果表明該方法可以很好預(yù)測(cè)多點(diǎn)腐蝕缺陷管道的極限內(nèi)壓荷載。董事爾等［22］于2005年采用非線性有限元法，發(fā)現(xiàn)管道剩余壁厚對(duì)點(diǎn)蝕之間的相互作用也有較大的影響。研究人員提出了一些雙腐蝕缺陷相互作用準(zhǔn)則，但這些準(zhǔn)則各不相同，大多為定性分析，甚至相互矛盾，其可靠性有待進(jìn)一步研究，因此，繼續(xù)開展相鄰腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)工作顯得十分必要。

2 非線性有限元分析方法

2.1 失效準(zhǔn)則

失效準(zhǔn)則是評(píng)判失效的依據(jù)，目前應(yīng)用較廣泛的有兩種準(zhǔn)則［23-26］：①基于彈性失效的準(zhǔn)則，即腐蝕區(qū)的等效應(yīng)力達(dá)到管材的屈服強(qiáng)度時(shí)，管道發(fā)生失效。②基于塑性失效的準(zhǔn)則，即腐蝕區(qū)最小等效應(yīng)力（采用VonMises等效應(yīng)力）達(dá)到管材的抗拉強(qiáng)度時(shí)，管道發(fā)生失效。

油氣管道管材有較好的韌性，采用基于彈性失效的準(zhǔn)則過于保守，因此采用基于塑性失效的準(zhǔn)則。在三維主應(yīng)力空間，VonMises條件表示為：式中，σv為VonMises等效應(yīng)力，MPa；［σ］為許用應(yīng)力，MPa。

2.2 模型結(jié)構(gòu)及邊界條件

圖1表示網(wǎng)格密度對(duì)模型失效壓力的影響，從圖1中可看出，采用1層模型對(duì)管道失效壓力的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)網(wǎng)格層數(shù)達(dá)到4層以后，網(wǎng)格層數(shù)不對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，采用4層網(wǎng)格研究雙腐蝕缺陷（雙腐蝕缺陷指管道中存在兩個(gè)腐蝕缺陷，且這兩個(gè)腐蝕缺陷是軸向均勻腐蝕）管道的剩余強(qiáng)度。

圖1 網(wǎng)格密度對(duì)模型失效壓力的影響

圖2顯示了一組非軸對(duì)稱模型管道外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力隨軸向位置的變化。從圖2可看出，管道外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力隨軸向位置距離腐蝕越來越遠(yuǎn)而趨于穩(wěn)定，說明當(dāng)模型長(zhǎng)度達(dá)到1600mm之后，模型軸向長(zhǎng)度已不會(huì)對(duì)非線性有限元的仿真結(jié)果產(chǎn)生影響，因此選擇1600mm軸向長(zhǎng)度模型進(jìn)行仿真研究。

圖2 長(zhǎng)度對(duì)模型失效壓力的影響

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)文獻(xiàn)［27］中群腐蝕缺陷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用非線性有限元法預(yù)測(cè)失效壓力，計(jì)算結(jié)果與誤差如表1所示。從表1可看出，計(jì)算誤差均在4%以內(nèi)，絕大部分誤差保持在1%以內(nèi)，說明應(yīng)用非線性有限元法研究群腐蝕缺陷管道失效壓力的計(jì)算方法是可行的。

表1 群腐蝕缺陷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

3 管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

研究以X65管線鋼管道為研究對(duì)象，其性能參數(shù)如表2所示。

假設(shè)X65管線鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合冪硬化應(yīng)力-應(yīng)變法則，其表達(dá)式為：式中，ε0=σs／E；ε為不同內(nèi)壓荷載下的管道應(yīng)變；ε0為初始應(yīng)變；σ為不同內(nèi)壓荷載下的管道應(yīng)力，MPa；σs為屈服強(qiáng)度，MPa；E為彈性模量，MPa；α為硬化系數(shù)；n為冪硬化指數(shù)。

表2 X65管線鋼性能參數(shù)

式中，D為管道外徑，mm；t為管壁厚度，mm。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度分析

圖3和圖4表示腐蝕缺陷長(zhǎng)度分別為35.56mm和106.68mm的雙腐蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓荷載的變化，研究分別選擇具有代表性的短腐蝕缺陷（腐蝕缺陷長(zhǎng)度和寬度一致）35.56mm和長(zhǎng)腐蝕缺陷106.68mm（DNV規(guī)范中超過1.5lS，即106.68mm，腐蝕缺陷長(zhǎng)度對(duì)腐蝕管道失效壓力的影響已經(jīng)較小）作為雙腐蝕缺陷。l表示兩個(gè)不同長(zhǎng)度腐蝕缺陷之間的軸向間距。從圖3可看出，短腐蝕缺陷附近管道外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力的變化完全落后于長(zhǎng)腐蝕缺陷附近管道外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力的變化，這樣雙腐蝕缺陷相互作用會(huì)因?yàn)槎谈g缺陷沒有完全發(fā)展，而導(dǎo)致相互作用減弱。從圖4可看出，腐蝕缺陷長(zhǎng)度分別為35.56mm和106.68mm的雙腐蝕缺陷相互作用臨界點(diǎn)為2lS，即雙腐蝕缺陷軸向間距大于2lS之后，腐蝕缺陷長(zhǎng)度分別為35.56mm和106.68mm的雙腐蝕管道失效壓力與腐蝕缺陷長(zhǎng)度為106.68mm的單腐蝕管道失效壓力一樣，相當(dāng)于腐蝕缺陷長(zhǎng)度分別為35.56mm和106.68mm的腐蝕缺陷之間不發(fā)生相互作用。

圖3 管道等效應(yīng)力隨軸向位置的變化

圖4 管道等效應(yīng)力隨內(nèi)壓荷載的變化

當(dāng)雙腐蝕軸向間距小于0.1lS時(shí)，雙腐蝕管道等效應(yīng)力變化曲線幾乎與長(zhǎng)度為142.24mm的單腐蝕管道（即長(zhǎng)度為兩個(gè)單腐蝕缺陷35.56mm與106.68mm之和）等效應(yīng)力變化曲線重合，本文稱這種雙腐蝕相互作用為完全相互作用，即雙腐蝕相互作用所能達(dá)到的最大值，完全相互作用導(dǎo)致的管道失效壓力不會(huì)超過、最多只能等于腐蝕長(zhǎng)度為雙腐蝕長(zhǎng)度之和的單腐蝕管道失效壓力。DNV和其他研究人員的研究結(jié)果的保守性可能源于此，即相互作用腐蝕長(zhǎng)度不應(yīng)包括雙腐蝕之間的未腐蝕區(qū)域；當(dāng)雙腐蝕軸向間距大于完全相互作用臨界點(diǎn)、小于2lS時(shí)，雙腐蝕管道等效應(yīng)力變化曲線位于長(zhǎng)腐蝕長(zhǎng)度管道和長(zhǎng)度為兩個(gè)單腐蝕缺陷之和的單腐蝕管道等效應(yīng)力變化曲線之間。

不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距系數(shù)的變化如圖5所示。軸向間距系數(shù)表示ld（軸向間距）與lS的比值，人為定義“-1”為雙腐蝕缺陷完全相互作用位置，從圖5可看出，當(dāng)不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷軸向間距很小時(shí)（圖5所示為0.0075），不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷之間存在完全相互作用，隨著不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷軸向間距系數(shù)的增加，腐蝕管道失效壓力呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化形式。

4.2 不同深度雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度分析

圖6和圖7表示腐蝕缺陷深度系數(shù)分別為0.35，0.65的雙腐蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓荷載的變化。研究分別選擇具有代表性的淺腐蝕缺陷和深腐蝕缺陷（DNV規(guī)范中規(guī)定，缺陷深度超過0.8倍的壁厚，管道需要檢修）作為雙腐蝕缺陷。l表示兩個(gè)不同深度腐蝕缺陷之間的軸向間距。從圖6可看出，淺腐蝕缺陷附近管道外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力的變化完全落后于深腐蝕缺陷附近管道外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力的變化，這樣雙腐蝕缺陷相互作用會(huì)因?yàn)槎谈g缺陷沒有完全發(fā)展，而導(dǎo)致相互作用減弱，另外當(dāng)腐蝕缺陷間距達(dá)到2.5lS后，雙腐蝕缺陷之間出現(xiàn)明顯的低等效應(yīng)力區(qū)，說明當(dāng)腐蝕缺陷間距達(dá)到2.5lS后，雙腐蝕相互作用已經(jīng)不明顯。從圖7也可看出，腐蝕缺陷深度系數(shù)分別為0.35，0.65的雙腐蝕缺陷相互作用臨界點(diǎn)為2.5lS。

圖5 不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距系數(shù)的變化

圖6 管道等效應(yīng)力隨軸向位置的變化

圖7 管道等效應(yīng)力隨內(nèi)壓荷載的變化

不同深度雙腐蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距的變化如圖8所示。從圖8可看出，不同深度雙腐蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距系數(shù)的變化曲線與不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷管道失效壓力變化曲線有一定區(qū)別，主要表現(xiàn)在軸向間距系數(shù)較小時(shí)，其失效壓力與雙腐蝕缺陷完全相互作用失效壓力相差較大，說明不同深度雙腐蝕缺陷之間不存在完全相互作用，但是隨著軸向間距系數(shù)的增加，雙腐蝕管道失效壓力仍然呈現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)函數(shù)變化形式。

圖8 不同深度雙腐蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距系數(shù)的變化

5 結(jié) 論

采用基于塑性失效的準(zhǔn)則的三維非線性有限元法研究雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度，可以得到可靠準(zhǔn)確的研究結(jié)果。

當(dāng)雙腐蝕軸向間距很小時(shí)，不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷之間存在完全相互作用；隨著不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷軸向間距系數(shù)的增加，雙腐蝕管道失效壓力呈現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)函數(shù)變化形式；當(dāng)不同長(zhǎng)度雙腐蝕軸向間距系數(shù)大于2lS后，雙腐蝕相互作用現(xiàn)象消失。

不同深度雙腐蝕缺陷相互作用規(guī)律與不同長(zhǎng)度雙腐蝕缺陷有所不同，主要表現(xiàn)在：①不同深度雙腐蝕缺陷之間不存在完全相互作用；②不同深度雙腐蝕相互作用現(xiàn)象消失時(shí)的軸向間距系數(shù)要稍大一些，達(dá)到2.5lS。但隨著雙腐蝕缺陷軸向間距系數(shù)的增加，不同深度雙腐蝕管道失效壓力仍然呈現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)函數(shù)變化形式。

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10.3969／j.issn.1005-3158.2015.03.002

：1005-3158（2015）03-0004-05

2014-08-19）

（編輯 石津銘）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51006123）“音速噴嘴中氣液兩相流臨界分配特性及相分離控制理論”。

封子艷，2013年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程與工藝專業(yè)，博士，現(xiàn)在陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院從事油氣田化學(xué)研究工作。

通信地址：陜西省西安市科技二路75號(hào)陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，710075