海底管道腐蝕剩余強度評價方法

于桂杰，段安琪，陳曉強

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)①

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海底管道腐蝕剩余強度評價方法

于桂杰，段安琪，陳曉強

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)①

海底油氣管道在內外環境下會不可避免地造成腐蝕，嚴重威脅海上生產的安全性。從海底管道腐蝕成因入手，展開對管道腐蝕剩余強度評價方法研究。驗證了有限單元法判斷管道剩余強度的可靠性，并找出影響管道強度的因素。通過建立海底管道內腐蝕有限元模型，分析了在無外部載荷的環境下均勻腐蝕坑長度、寬度和深度對管道強度影響的大小，以及點蝕的孔徑與孔深對管道強度影響的大小。討論了在內外壓聯合作用下，海洋拖曳力對腐蝕管道受力的影響以及外部集中載荷下腐蝕管道極限應力。所得結果與ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC方法進行比較，得出了有限元仿真海底管道腐蝕剩余強度評價方法是可靠的，腐蝕深度是影響管道強度的主要因素。

海底管道；腐蝕；剩余強度；模擬；評價標準

海底管道是海上油氣田的生命線，作為海上油氣運輸的大動脈，海底管道發揮著重要作用，其運行狀況直接關系到海上油氣田的安全[1]。與陸地管道不同，海底管道的服役條件更加苛刻，監測難度更大，其一旦發生事故將帶來海洋油氣田停產、水下維修、環境污染等諸多棘手問題。長時間的監測與試驗證明，腐蝕失效是海底管道失效的主要形式，所占比例達35%[2]，嚴重影響著海底管道的使用壽命。海底管道多使用鋼質材料，因其耐腐蝕性較差，隨著海上油氣生產年限的延長，海底管道損壞率逐年上升，泄漏和破裂事故逐漸增多。因此，評估海底管道腐蝕風險，對海底管道生命周期安全運行具有深遠的工程意義和社會效益。

1　海底管道腐蝕剩余強度理論基礎

本文研究海底管道腐蝕剩余強度的評價方法，選用規格為?711.2 mm(28 英寸)的我國南海某海底管道進行計算分析。

管道內壁施加內載荷，管道內應力的計算式為[3]：

(1)

式中：σ為管道的環向應力，MPa；D為管道內徑，mm；p為管道內壓，MPa；t為無缺陷時管道的壁厚，mm。

本文基于彈性失效，即腐蝕區Von Mises等效應力達到管材的屈服強度時，管道會發生失效[3-4]。根據Von Mises準則，保證管道安全的基本條件是[5]：

(2)

式中：[σ]為屈服應力，MPa；σ1、σ2、σ3分別為x、y、z方向上的主應力，MPa。

采用保守的評估方式，即當腐蝕區的VonMises等效應力滿足式(3)時管道處于危險狀態。

(3)

2　海底管道腐蝕剩余強度有限元分析

有限元方法不受模型的限制，可以有效分析含復雜缺陷管道的安全狀態，已經在工程領域得到廣泛的應用[6]。本文運用有限元模擬軟件ANSYS進行分析對比。

2.1無外載荷管道有限元計算結果分析

根據有限元軟件ANSYS計算結果，繪制腐蝕缺陷長度、缺陷圓心角、腐蝕深度與應力的關系圖。

2.1.1均勻腐蝕

1)腐蝕缺陷長度對應力的影響。

圖1給出了腐蝕缺陷長度對管道產生的影響。由圖1可知，3種不同的腐蝕深度，腐蝕缺陷長度對管道應力的影響發展趨勢相同：等效應力的大小均隨著長度的增加而上升，但上升幅度逐步減小，當腐蝕長度達到一定值時，應力幾乎不再變化。另外，不同深度腐蝕缺陷的等效壓力不同：深度越大，等效應力越大。

圖1　腐蝕缺陷長度對內應力的影響

2)腐蝕缺陷圓心角對應力的影響。

圖2給出了腐蝕缺陷圓心角對管道應力的影響。

圖2　腐蝕缺陷圓心角對內應力的影響

由圖2可知，3種不同的腐蝕深度下，腐蝕缺陷寬度的圓心角對管道應力的影響發展趨勢相同：等效應力的大小均隨著圓心角的增大而降低，當圓心角<20°時，等效應力減小的很快，當圓心角>20°時，等效應力基本不變。同樣，不同深度腐蝕缺陷的等效壓力不同：深度越大，等效應力越大。

3)腐蝕缺陷深度對應力的影響。

圖3給出了腐蝕缺陷深度對管道應力的影響。

圖3　腐蝕缺陷深度對內應力的影響

由圖3可知，3種不同的腐蝕長度下，腐蝕缺陷的深度對等效應力的影響均很大，等效應力與腐蝕缺陷深度之間存在一定的非線性增加關系，隨著深度的增加，等效應力快速增加，而且當深度較大時，等效應力增加明顯。

綜上，對于均勻腐蝕，深度、圓心角、長度是影響等效應力的主要幾何參數，而且影響權數依次遞減。因此，可以通過分析均勻腐蝕的深度、圓心角、長度參數初步判定管道腐蝕是否失效。

2.1.2點蝕

1)孔徑對應力的影響。

圖4給出點蝕孔徑對管道應力的影響。

圖4　點蝕孔徑對應力的影響

由圖4可知，隨著孔徑的不斷增加，缺陷處所受的等效應力也不斷增加，但增加的幅度無明顯特點。當孔徑<8 mm時，孔深的增加對等效應力的影響不大，當孔徑>8 mm時，孔徑的增加對等效應力的影響效果較為明顯。

2)孔深對應力的影響

圖5給出點蝕孔深對管道應力的影響。

圖5　點蝕孔深對應力的影響

由圖5可知，等效應力隨點蝕孔深的加深而增大。當點蝕孔深<6 mm，孔深對點蝕管道的影響很小。當點蝕孔深>6 mm時，對點蝕管道的影響較為明顯。內腐蝕管道所受的等效應力與點蝕孔深呈近似線性關系。當點蝕孔徑為20 mm、孔深10 mm時，管道可初步認定為失效。

2.2內外壓聯合作用下管道有限元計算結果分析

外載荷對管道各處的影響不盡相同，因此腐蝕位置的改變也作為考慮的影響因素之一，建立完整的管道模型進行分析。

2.2.1海洋拖曳力

海底管道在潮流、波浪等水動力的作用下，懸跨段因渦激振動等作用會造成管道損壞。海水由于黏性在繞流時會使海底管道受力，當海水運動的雷諾數很大時，邊界層會沿管壁產生分離，分離的水流形成紊動在管道后方產生漩渦，形成負壓區，如圖6。

圖6　管道繞流分離示意

1950年Morison等人提出了波浪力方程[7-8](即Morison公式)，其適用條件為D/L≤0.15。顯然，海底管道的直徑遠小于波長，滿足該條件。在管道截面直徑D處，Morison公式為：

f=fD+fI

(4)

(5)

(6)

式中：fD為作用在單位高度管道上的拖曳力；fI為慣性力；f為波浪力；ρ為海水的密度；CD和CM分別為阻力系數和慣性力系數；u和α分別為管道截面處水質點水平方向的速度和加速度。

管道參數與前例相同，所處海洋環境參數如表1。

表1　海洋環境參數

本文依據《海港水文規范》[9]來確定CD、CM的值，如表2。

文中只考慮海水拖曳力，并且為了使得CD值對應相應的波浪理論，綜合考慮這里取CD=1.2作為拖曳力系數。

表2　CD和CM推薦值

根據海水流動的不同速度，運用Morison公式求得海水拖曳力和各節點所受拖曳力大小如表3。

表3　不同流速的海水拖曳力

1)海水流速對管道等效應力的影響。

當腐蝕長度為1 000 mm，圓心角為20°時，令腐蝕位置面對海水流向，分別討論3種不同腐蝕深度的情況下，海水流速的改變對管道產生的影響。結果如表4所示。

通過表4可知，在3種不同的腐蝕深度下，海水流速的增加會一定程度上減小管道最大等效應力，但與無海水流速影響時所計算得到的等效應力值相比其影響很小，可忽略不計。通過變形放大100倍的Von Mises圖可以看出，雖然海洋拖曳力對管道腐蝕的影響很小，但會造成管道的整體形變，產生疲勞損傷，如圖7。

表4　流速對管道等效應力的影響

圖7　拖曳力對管道形變的影響

2)內腐蝕相對位置對管道等效應力的影響。

管道所處環境包含正壓區和負壓區，因此內腐蝕所在位置的不同對整體管道的受力也會產生影響。為了方便描述，這里規定海水拖曳力沿x軸的正方向為0°，沿y軸的正方向為90°，θ角即表示腐蝕所在的位置與x軸所呈的角度，如圖8。

圖8　拖曳力矢量角示意

當腐蝕長度為1 000 mm，圓心角為20°時，取海水流速為2.26 m/s，分別討論5種腐蝕深度的情況下，腐蝕位置的改變對管道產生的影響。結果如表5所示。

表5　腐蝕位置對等效應力的影響

注：θ為腐蝕所在的位置與x軸所呈角。

通過對比無外載荷的情況可知，當腐蝕位置與流速呈180°時，拖曳力對管道等效應力的影響最大；當腐蝕位置與流速呈0°時，拖曳力對管道等效應力的影響最小；當腐蝕位置與流速呈90°和270°時，拖曳力對管道等效應力的影響是等效的。腐蝕位置與流速呈0°和180°時，拖曳力對管道等效應力有降低的效果；腐蝕位置與流速呈90°和270°時，拖曳力對管道等效應力有增加的效果。

2.2.2外部集中力

對管道模型中某一節點施加集中力，探討集中力位置改變對管道失效的影響，以及腐蝕深度對集中力極限值的影響。設加載在腐蝕面上的集中力角度α=0°，逆時針方向增大角度。

1)缺陷深度對集中力極限值的影響。

取缺陷長度為1 000 mm，圓心角為20°的情況進行分析，如圖9。

圖9　缺陷深度對集中力極限值的影響

由圖9知，缺陷深度對引起失效的集中力極限值影響明顯，缺陷越深，失效集中力越小。當腐蝕達到9 mm時，僅需12 kN就可造成管道失效。當α=90°，α=180°時，引起管道失效的極限集中力明顯增大，且3個位置上的極限值基本相等，均不隨缺陷深度的改變而變化。

2)缺陷長度對集中力極限值的影響

取缺陷深度為7 mm，圓心角為20°的情況進行分析，如圖10。

圖10　缺陷長度對集中力極限值的影響

由圖10知，當α=0°時，缺陷長度對引起失效的集中力極限值影響有限，在長度為500～2 000 mm時，極限值隨長度的增加而增加，當長度>2 000 mm后，極限值基本保持不變，缺陷長度的改變不會對極限值造成影響。當α=90°，α=180°，α=270°時，引起管道失效的極限集中力明顯增大，均隨缺陷長度的增加而增加，且3個位置上的極限值基本相等。

3)缺陷圓心角對集中力極限值的影響。

取缺陷深度為7 mm，缺陷長度為1 000 mm的情況進行分析，如圖11。

圖11　缺陷圓心角對集中力極限值的影響

由圖11可知，當α=0°時，圓心角的大小對引起失效的集中力極限值影響明顯，集中力極限值隨圓心角的增加而增加，基本呈線性關系。當α=90°，α=180°，α=270°時，3個位置上的極限值基本相等。當圓心角<15°時，極限值隨圓心角的增加而增加。當圓心角>15°時，極限值隨圓心角的增加略有下降。

3　海底管道剩余強度其他評價方法比較

針對腐蝕管道的剩余強度，多個國家均已出臺了相關的評價標準和規范，其中應用較多的為：ASME-B31G[10]、DNV-RP-F101[11]、PCORRC[3]、有限元分析方法。對前3種剩余強度評價方法的比較如表6。

表6　剩余強度評價方法比較

為了更直觀地反應各種剩余強度評價的特點，針對海底管道參數，取腐蝕長度為200 mm，圓心角為20°，通過改變腐蝕深度將此3種工程標準與有限元分析的方法進行計算比較，結果如表7。

表7　幾種方法的計算比較

通過以上的數據顯示，ASME B31G相較于DNV RP-F101標準與PCORRC方法來說具有較大的保守性，說明了B3lG標準的安全可靠性。與PCORRC方法相比，DNV RP-F101計算后得到的結果差別不大，且DNV保守性小，但是也可能使預測偏于危險。通過有限元分析得出失效壓力值均ASME B31G與DNV RP-F101、PCORRC計算值之間，處于合理的區間內，由此可知，運用有限元方法進行管道剩余強度分析是可行的。

4　結論

1)均勻腐蝕坑的深度和孔徑是影響管道安全性的重要因素。深度越深，管道的等效應力越大；孔徑越大，管道的等效應力也越大。腐蝕長度和圓心角對等效應力增加幾乎無影響，因此腐蝕面積對管道安全性影響很小。

2)海水拖曳力對腐蝕管道安全性影響很小。但是，當腐蝕深度增加時，海水拖曳力是引起安全失效的主要因素。

3)集中力位置的改變對管道的安全性有很大影響。當集中力作用于腐蝕面時失效的概率增大，作用于其他位置時管道失效概率變化不大。腐蝕的深度、長度、圓心角均對集中力情況下失效有較大影響。

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[3]帥健，張春娥，陳福來.非線性有限元法用于腐蝕管道失效壓力預測[J].石油學報，2008，29(6)：933-937.

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[11]DNV-RP-F101，Corroded Pipeline[S].1999.

Evaluation Method of Residual Strength of Corrosion Submarine pipelines

YU Guijie，DUAN Anqi，CHEN Xiaoqiang

(CollegeofPipelineandCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

The effects of internal and external environment cause corrosion inevitably，which threaten the operation safety of submarine oil.From the causes of submarine pipeline corrosion，the evaluation method of pipeline corrosion residual strength is studied.The purpose of this study is to verify the reliability of the finite element method in residual strength evaluation and to find influence factors of pipeline strength.With submarine pipeline internal corrosion finite element model，it was concluded that the length，width and depth of uniform corrosion pit size how to affect pipeline strength in the absence of any external load.In internal and external pressure situation，drag force and external concentrated load were discussed about how to affect corrosion pipelines.The data for finite element method was compared with three evaluation standard of residual strength (ASME B31G，DNV RP-F101，PCORRC).The results show that the finite element method is verified in residual strength assessment and the depth of pipeline is the greatest influence factor in pipeline strength.

submarine pipeline；corrosion；residual strength；simulation；evaluation standard

1001-3482(2016)09-0012-06

2016-03-22

于桂杰(1962-)，男，山東招遠人，教授，博士，目前主要從事工程力學方面的教學與科研工作，長期從事結構強度及可靠性、機械工程、油氣管柱等安全評價與研究，E-mail：yuguijie@upc.edu.cn。

TE952

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.003