復(fù)合材料修復(fù)含腐蝕管道的變形量預(yù)測

徐時(shí)賢，段夢蘭，張　玉，何　同

(1.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京 100029)①

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復(fù)合材料修復(fù)含腐蝕管道的變形量預(yù)測

徐時(shí)賢1，段夢蘭1，張玉1，何同2

(1.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249；2.中國石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京 100029)①

采用復(fù)合材料修復(fù)管道的技術(shù)比其他傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)更有優(yōu)勢，而且還能降低成本。因?yàn)閺?fù)合材料的變形量決定了修復(fù)管道的承載內(nèi)壓能力，因此計(jì)算了兩種情況下的復(fù)合材料變形量，即，單一腐蝕和兩處腐蝕。建立帶缺陷管道的三維模型，對腐蝕的深度、寬度和缺陷的距離進(jìn)行研究。130個(gè)有限元模型通過Python語言進(jìn)行了參數(shù)化建模。分析結(jié)果證明腐蝕長度對復(fù)合材料的變形量影響比較大。而且，對于兩處腐蝕的情況，當(dāng)它們的軸向距離參數(shù)大于2時(shí)，由具有最大尺寸缺陷的腐蝕決定復(fù)合材料變形量。

管道維修；復(fù)合材料；腐蝕；徑向變形

管道腐蝕失效排在管道失效原因的前3位，在記載的管道失效案例中該失效模式約占15%～27%。事實(shí)上，管道壁厚上的材料損失是一個(gè)很常見的情況[1]，管道的修復(fù)工作已經(jīng)成為油氣輸送中的一個(gè)非常重要的工作[2]。

復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)相對于傳統(tǒng)的修復(fù)海洋結(jié)構(gòu)的方法有很多優(yōu)勢，例如，可以避免焊接方法中的熱效應(yīng)，而且有對裂紋進(jìn)行密封的效果[3]。另外，復(fù)合材料修補(bǔ)能夠增強(qiáng)含裂紋結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，或者起到增強(qiáng)被腐蝕結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度的作用[4]。因?yàn)閺?fù)合材料修復(fù)技術(shù)的這些優(yōu)勢，學(xué)者們開展了眾多研究，并且對這種修補(bǔ)技術(shù)制定了一些標(biāo)準(zhǔn)[5-9]。基于這些標(biāo)準(zhǔn)，也有學(xué)者進(jìn)行更精確的計(jì)算[10]。

Alexander對復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。試驗(yàn)中，彎曲載荷、軸向載荷和內(nèi)壓都進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明這種技術(shù)可以增強(qiáng)含缺陷的管道的機(jī)械強(qiáng)度[11]。為了研究幾何特征的影響，Shouman進(jìn)行了有限元模型和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：纖維冉超長度能夠增強(qiáng)修復(fù)管道的軸向性能；纏繞厚度不能夠增強(qiáng)管道軸向的強(qiáng)度，但是，增強(qiáng)厚度可以阻止缺陷區(qū)域的屈服[12-13]。為了提高含腐蝕缺陷的管道的失效壓力的預(yù)測精度，有學(xué)者提出了MTI(Mixed Type of Interaction)法[14]。Benjamin建立了有限元模型來計(jì)算22個(gè)腐蝕區(qū)域的失效壓力，通過MTI法和其他6種方法得出來的壓力進(jìn)行了對比[15]。

雖然一些針對被修復(fù)結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)開展，但是大多數(shù)研究都是針對外腐蝕。在管道運(yùn)行過程中，內(nèi)腐蝕更容易發(fā)生。復(fù)合材料也有其極限應(yīng)變，周向應(yīng)變可以通過徑向變形量求出。因此，本文采用有限單元法計(jì)算復(fù)合材料的徑向變形量，從而研究內(nèi)腐蝕的影響。

1　有限元模型

本文中管道采用的API X65鋼的成分如表1。鋼和復(fù)合材料的材料屬性如表2。表3為管道的幾何尺寸。材料腐蝕的周向角度是5°，其長度為30 mm，其厚度是9.54 mm。在管道內(nèi)施加的內(nèi)壓是40 MPa。

表1　API X65 材料的成分　wB%

由于模型較多，研究中采用Python語言實(shí)現(xiàn)有限元模型的參數(shù)化，模型中被腐蝕的管線和修復(fù)用的復(fù)合材料都進(jìn)行了創(chuàng)建。計(jì)算時(shí)，管道一端完全約束 (Ux，UyandUz= 0)。因?yàn)槟Ｐ褪菍ΨQ的，所以管道模型可以創(chuàng)建1/2。模型的網(wǎng)格如圖1所示，網(wǎng)格劃分采用的是三維二次單元(C3D8R)。此修復(fù)模型中包含85 690個(gè)模型，有93 276個(gè)節(jié)點(diǎn)。從圖1中可以顯示出此模型的網(wǎng)格和腐蝕區(qū)域的加密網(wǎng)格。

表2　接頭材料性能

表3　被修復(fù)管道的幾何尺寸　mm

圖1　含腐蝕缺陷的被修復(fù)管道的1/2模型

2　結(jié)果分析

2.1腐蝕尺寸的影響

管道修復(fù)之后，結(jié)構(gòu)的承載能力取決于復(fù)合材料的變形量。此計(jì)算中腐蝕尺寸的深度、長度和寬度都考慮在內(nèi)。計(jì)算結(jié)果可以作為衡量管道承載能力的依據(jù)。

1)腐蝕深度的影響。

圖2是不同腐蝕深度下計(jì)算出來的結(jié)果，隨著腐蝕深度的增加變形量增加。而且，腐蝕寬度增加，變形量也會(huì)成一定比例增加。但是，隨著腐蝕深度的變化，復(fù)合材料的變形量變化比較小。所以，腐蝕深度對變形量的影響很小。

2)腐蝕長度的影響。

針對管道外腐蝕，有學(xué)者對軸向的腐蝕長度對復(fù)合材料變形量的影響進(jìn)行了計(jì)算[16]。圖3是針對管道內(nèi)腐蝕的計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，徑向變形和腐蝕長度幾乎成正比例增長。而且，對于不同寬度的模型，變形量之間的差別不大。所以，管道環(huán)空方向的抵抗變形的能力比較小。

圖2　腐蝕深度對修復(fù)層變形量的影響

圖3　腐蝕長度對修復(fù)層變形量的影響

3)腐蝕周向?qū)挾鹊挠绊憽?/p>

對于外部腐蝕的管道，變化腐蝕寬度對有限元估算出來的失效壓力影響比較小[16]。圖4是不同內(nèi)腐蝕寬度的計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，腐蝕周向?qū)挾葘?fù)合材料的變形量的影響不大。這是因?yàn)楣艿篱L度方向?qū)艿赖牡挚棺冃蔚哪芰Ρ容^強(qiáng)。

圖4　腐蝕寬度對修復(fù)層變形量的影響

2.2軸向距離參數(shù)的影響

當(dāng)管道在腐蝕環(huán)境下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多的腐蝕點(diǎn)。所以在計(jì)算時(shí)，軸向距離參數(shù)也需要考慮在內(nèi)，因此需要?jiǎng)?chuàng)建帶有兩個(gè)腐蝕區(qū)域的模型。單位長度[17]為

式中：D 是管道直徑；t是管道的壁厚。

軸向距離參數(shù)就是兩個(gè)腐蝕區(qū)域的中心距離與單位長度的比值。

1)腐蝕深度的影響。

兩個(gè)區(qū)域的腐蝕深度選定9.54mm和 4.5mm。在圖5中，腐蝕深度9.54mm的線表示管道上有一個(gè)深度為9.54mm的腐蝕區(qū)域情況下的計(jì)算結(jié)果。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的尺寸比較小時(shí)，腐蝕深度越深，相互作用的影響越大。如果腐蝕深度相同，變形量是含一個(gè)腐蝕區(qū)域的變形量的1.2倍。當(dāng)軸向距離參數(shù)大于2時(shí)，兩個(gè)實(shí)例的徑向變形量趨于相同。這說明兩個(gè)區(qū)域相互不影響。

圖5　不同腐蝕深度時(shí)軸向間距與修復(fù)層變形量關(guān)系曲線

2)腐蝕長度的影響。

兩個(gè)區(qū)域的腐蝕長度選為30mm和15mm。在圖6中，長度60、長度45 和長度 30的線表示含有腐蝕長度60mm，45mm和30mm的單一腐蝕區(qū)域情況下的計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果可以看出當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的距離比較小時(shí)，兩個(gè)區(qū)域情況下的變形量幾乎相當(dāng)于兩個(gè)單一區(qū)域情況下的變形量之和。當(dāng)軸向距離參數(shù)大于2時(shí)，兩個(gè)例子的徑向變形量的值趨向于單一區(qū)域的徑向變形量。

3)腐蝕周向?qū)挾鹊挠绊憽?/p>

兩個(gè)區(qū)域的腐蝕周向角度選為5°和2.5 °。在圖7中，寬度5°的線表示含有腐蝕寬度為5°的單一腐蝕區(qū)域情況下的計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果可以看出，兩個(gè)例子的變形量幾乎相同。當(dāng)軸向距離參數(shù)大于2mm，兩個(gè)例子的變形量趨向于含有單一腐蝕區(qū)域情況的變形量。

圖7　不同腐蝕寬度時(shí)軸向間距與修復(fù)層變形量關(guān)系曲線

3　結(jié)論

1)復(fù)合材料粘結(jié)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)中。復(fù)合材料的變形量可以反映出粘結(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。在本文中，對腐蝕尺寸的影響都進(jìn)行了研究。

2)對于含單一腐蝕區(qū)域的情況，內(nèi)外腐蝕的尺寸對變形量大小的影響是相同的。環(huán)空方向的腐蝕寬度影響比較小，而軸向方向的腐蝕長度影響比較大。腐蝕深度增加，復(fù)合材料變形量增大，這說明，管道抵抗變形的能力主要由管道長度方向決定。

3)對于含兩個(gè)腐蝕區(qū)域的情況，當(dāng)軸向距離參數(shù)大于2時(shí)，它們中最大腐蝕尺寸決定了復(fù)合材料的變形量。當(dāng)參數(shù)比較小時(shí)，得出的結(jié)果與兩個(gè)腐蝕區(qū)域長度之和得到的結(jié)果相等。

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Prediction of Composite Deformation in Pipelines with Repaired Defects

XU Shixian1，DUAN Menglan1，ZHANG Yu1，HE Tong2

(1.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing102249，China；2.ResearchInstituteofPetroleumEngineering，SINOPEC，Beijing100029，China)

Repairs made with composite patches on pipes offer distinct advantages over traditional repairs in addition to reduced cost.The object of this study was to calculate amount of deformations of composite in repaired pipelines under two conditions：single corrosion defect and two corrosion defects.The three-dimensional finite element model (FEM) was built.The effects of corroded depth，length，width and distance of defects were investigated.Besides，130 finite element models of thick-walled pipes with practical configurations were constructed and analyzed using Python (the programming language within the finite element software package ABAQUS).The obtained results indicated that the length of defect has a great influence on the deformation.In addition，for two corrosion defects，when the axial spacing factor is more than 2，the maximum deformation depends on the maximum dimension of them.

pipe line maintenance；composite material；corrosion；radial deformation

1001-3482(2016)09-0071-04

2016-03-13

國家自然科學(xué)基金“深海極端環(huán)境下復(fù)合材料立管粘結(jié)接頭的強(qiáng)度及斷裂研究”(No.11302264)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973 計(jì)劃)“深海工程結(jié)構(gòu)的極端環(huán)境作用與全壽命服役安全”(2011CB013702)

徐時(shí)賢(1986-)，男，河北高碑店人，博士研究生，研究方向?yàn)楹毕莨艿赖膹?fù)合材料修復(fù)，E-mail：xushixian1986@sina.com。

TE973

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.016