基于隨機腐蝕分布的海底管道延壽評估方法

徐志剛

1中國石油大學（華東）2中國石化石油工程設計有限公司

基于隨機腐蝕分布的海底管道延壽評估方法

徐志剛1；2

1中國石油大學（華東）2中國石化石油工程設計有限公司

當海底管道與海床間距大于管道直徑后，其下游尾跡的周期性開始顯現，水動力出現脈動幅值，此時海管在脈動水動力作用下的動態響應成為影響其安全性的重要因素。針對渤海灣淺灘海油田服役后期的海底管道，采用隨機腐蝕分布的有限元方法，改變海底管線端部約束條件及與海床間隙，根據載荷和應力的連續性質，考慮諸多不確定因素（海況、隨機腐蝕分布）的存在，將各類不確定因素和服役后期海底管道疲勞壽命作隨機變量處理，得到各種不確定因素影響下的管道疲勞壽命，較合理地評估了服役后期海底管道在役狀態及延壽可行性。

海底輸油管道；隨機腐蝕；分布；模型；應力計算

位于渤海灣的淺灘海油田經過多年開發，海底鋪設各類管線300多公里，且大部分已運行十幾年，逐漸接近設計壽命并進入超期服役階段，這些復雜的海底管網肩負著油田原油外輸及油田注水的重要使命。該海域油田地理位置特殊，海域水深3～20 m，屬極淺海海域，波浪、潮流作用明顯。10～15m等深線為強流區，主流流速強，流向穩，持續時間長，呈明顯的不對稱分布，有較強的沖刷能力[1]。另外該海域海底不穩定，有些區域海底淤泥層厚度達到3m以上，存在相對滑移變遷的趨勢。這類海底管道長期處在惡劣的海洋環境中，受到不同海洋環境荷載的共同作用，不可避免地產生各種腐蝕、變形、裂紋、損傷甚至造成結構破壞。因此，對于達到設計期限后擬進入超期服役階段的海底管道，為滿足安全生產的需要，對其結構狀態進行延壽安全評估是非常必要的。

1 模型假設

對于處于服役后期海管的建模，以往的有限元研究大多在確定位置之后，再確定形狀的缺陷。本文在給定位置處建立了四個相同尺寸的橢球形點腐蝕，通過對腐蝕處的網格進行局部細化后，模型可以較準確地反映海管腐蝕中心處的應力集中現象。為貼切而高效地描述海管的表面形貌和力學行為，將被腐蝕后的內徑和外徑作為表征含海管腐蝕程度的主要變量，應用隨機函數，建立具有一定統計參數的服役后期海管的模型[2]。對海管模型作以下假設：

（1）環向均勻單元假設。外徑沿管軸線方向隨機分布，但在同一單元內，橫截面依然保持平面圓形，海管模型的復雜程度主要取決于有限元網格密度。

（2）水動力學假設。海管的水動力與表觀尺寸直接相關，海管腐蝕后外徑有所減小，因此水動力載荷參數采用腐蝕后的平均外徑。

2 幾何模型

應用隨機函數生成一系列具有一定均值和方差的偽隨機數，但生成的樣本中可能有超出完好海管壁厚的數據，所以需限定樣本極值。如可限定極小值為一半壁厚對應的直徑，極大值為完好海底管道外徑，這樣生成的隨機數樣本就可用來創建服役后期海底管道的幾何模型了[3]。圖1顯示的是腐蝕隨機分布的海底管道表面形貌，虛線表示無缺陷的完好海底管道外徑邊緣，灰色區域表示含缺陷海底管道材料物質的剩余部分。

圖1 隨機腐蝕分布的海底管道表面形貌

3 應力計算方法與模態分析

腐蝕海底管道同樣受到浮重、水動力的作用，由于表面出現小尺度的凹凸，這些地方會出現應力集中現象，需進行應力修正[4]。根據Tipton(1996)對軸肩處應力集中的有限元計算研究，采用其擬合的應力集中系數公式計算名義應力

其中σ1為名義應力；σ1c為修正后的應力；Kt,bend是應力集中系數。

由于海底存在沖刷，海底管道平管段運行多年后產生懸空。當海底管道與海床間距大于管道直徑后，其下游尾跡的周期性開始顯現，水動力出現脈動幅值，此時海管在脈動水動力作用下的動態響應成為影響其安全性的重要因素。對于自由振動的海管，其本征方程為

在流體中，結構振動會帶動周圍的流體一起運動，所以結構沿振動方向受到的非定常阻力與其排開流體的質量有關，因此該阻力又稱為附加質量力，它會影響結構的模態特性。海管動態失效行為的表現形式為疲勞失效，動應力則是用來考察疲勞失效的主要力學參數。采用三維有限元方法，考慮水動力荷載、自重及隨機腐蝕對海底管道進行動態響應計算。

將模態分析得到的升力脈動幅值分布作為初始條件，采用中心差分格式和直接數值積分方法，進行動態位移和應力計算。圖2為服役后期海底管道應力軸向分布隨時間的變化，其軸向分布仍大致呈中間大、兩端小。但由于腐蝕的影響，應力分布出現隨機波動的現象。對每一節點求計算時長內的均方根，完好海底管道的最大值位于跨中位置，而服役后期海底管道的最大值則偏離跨中。

圖2 服役后期海底管道應力軸向分布隨時間的變化

4 疲勞損傷壽命

用確定性的方法進行疲勞分析，通常認為結構在疲勞壽命內是承受單一的恒定幅值的交變載荷或多級的恒幅載荷作用，對于結構受單一恒幅載荷作用的情況，簡單的從S—N曲線就可得到疲勞壽命[5-6]。海底管道結構所受的是多級恒幅載荷，例如計算出動應力響應時間歷程多為變幅值的應力循環。將最大應力的時程曲線作為疲勞載荷樣本，應用線性累計損傷理論和S—N曲線，計算海底管道的疲勞壽命。在S—N曲線中，設置參數A為一個隨機變量，它反映了疲勞強度的不確定性。其次，在計算過程中，對海況的描述、海底管道模型的簡化、應力分析等方面采取了種種基本假設，使得計算得到的應力范圍與真實應力范圍之間必然存在誤差，這種誤差是隨機的、不確定的，可用隨機變量來描述。計算出海底管道疲勞壽命后，可準確、快速地評估其可靠度。

5 結語

結合實際工程，針對渤海灣淺灘海油田的服役后期海底管線，基于隨機腐蝕建立有限元模型，與海底管道的實際檢測狀態較為接近。該方法可以合理估算出海底管道的剩余壽命，為海底管道的延壽評估及工程運行管理提供依據。

[1]ChenYanfei，LiXin，ZhouJing，etal．Studyoninteraction relationshipforsubmarinepipelinewithaxialcorrosiondefects[J]．ChinaOceanEngineering，2008，22（3)）：359-370.

[2]CarberryJr，SheridanJr，RockwellD．Forcesandwakemodes ofanoscillatingcylinder[J]．JournalofFluidsandStructures，2001，15（2）：523-532.

[3]DetNorskeVeritas．DNV-RP-F101Corrodedpipelines-RecommendedPractice[S]．Oslo：DNV，2010.

[4]DetNorskeVeritas．DNV-RP-C203Fatiguedesignofoffshoresteel structures-RecommendedPractice[S]．Oslo：DNV，2012.

[5]DetNorskeVeritas．DNV-RP-F105Freespanningpipelines-RecommendedPractice[S]．Oslo：DNV，2006.

[6]FurnesGK，BerntsenJ．Ontheresponseofafreespanpipeline subjectedtooceancurrents[J]．OceanEngineering，2002，30（9）：1553-1577.

13963352116、xuzhigang.osec@sinopec.com

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.004

徐志剛：中國石油大學（華東）博士研究生，現為中石化石油工程設計有限公司高級工程師，研究方向為海洋石油工程。