基于應(yīng)力分析的含腐蝕缺陷管道安全評價研究*

唐興亮,西文喜,吳鵬飛,曹 孔

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

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基于應(yīng)力分析的含腐蝕缺陷管道安全評價研究*

唐興亮,西文喜,吳鵬飛,曹 孔

(中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

為分析腐蝕缺陷對油氣管道安全性的影響，對常用腐蝕管道規(guī)范進行研究，并利用有限元軟件ADINA完成腐蝕管道有限元分析，通過有限元結(jié)果與規(guī)范對比驗證了模型的可信性。研究發(fā)現(xiàn)：管道的環(huán)向應(yīng)力隨腐蝕深度的增加而增加；當外腐蝕深度超過壁厚的40%，或內(nèi)腐蝕深度超過壁厚的50%時，管道有破壞風險；當腐蝕深度小于壁厚的60%時，有限元模型因考慮應(yīng)力集中現(xiàn)象，計算結(jié)果比規(guī)范法偏大，差值率在15%以內(nèi)，當腐蝕深度大于壁厚的60%時，有限元模型因考慮破壞變形影響，計算結(jié)果比規(guī)范法偏小，差值率超過50%。

腐蝕缺陷 架空管道 應(yīng)力分析 安全評價

隨著油氣管道服役年限的增加，管道自身出現(xiàn)老化、腐蝕等現(xiàn)象，管道事故頻繁發(fā)生，嚴重影響了管道的正常使用，管道的安全可靠性及其完整性問題日益突出[1]。產(chǎn)生腐蝕缺陷的管線，其強度變化較大，因此必須對管道腐蝕區(qū)域進行應(yīng)力分析和剩余強度評價。隨著斷裂力學研究的不斷深入，帶有腐蝕缺陷管道缺陷位置處的應(yīng)力分析的評價方法也日臻完善 ,具有代表性的有：含有缺陷的結(jié)構(gòu)完整性的評價、體積型腐蝕缺陷評價規(guī)范、焊接結(jié)構(gòu)缺陷可接受性評價方法指南以及日本的壓力容器安全評定規(guī)范等[2-4]。早期的管道應(yīng)力分析基于經(jīng)驗與半經(jīng)驗關(guān)系，隨著對腐蝕管道的深入研究，正逐漸趨向于以J積分為理論基礎(chǔ)的FAD失效評價圖技術(shù)。國內(nèi)在剩余強度評價方面的規(guī)范有CVDA—1984和SAPV—1995，SAPV—1995規(guī)范以確定性斷裂力學為基礎(chǔ)，采用了失效評價圖的失效評價技術(shù)[5]。現(xiàn)階段的這些規(guī)范標準或者關(guān)系式都是結(jié)合當?shù)靥攸c，在特定的條件下得到的，因此都有各自的適用范圍。該文對國內(nèi)采用較多的規(guī)范準則計算腐蝕區(qū)域管道的應(yīng)力，同時對含腐蝕缺陷管段區(qū)域進行了數(shù)值模擬分析，并將結(jié)果與規(guī)范標準對比分析。

1 所用腐蝕評價標準

1.1 根據(jù)我國的CVDA規(guī)范分析

最大環(huán)向應(yīng)力σR

(1)

式中：Ri為管道腐蝕缺陷處的最大內(nèi)半徑，mm；P為管道工作壓力，MPa；t為管道腐蝕缺陷處的剩余壁厚，mm。

1.2 根據(jù)ASME-B31G標準分析

最大環(huán)向應(yīng)力σR

(2)

1.3 根據(jù)凈截面準則分析

對于表面腐蝕缺陷或埋藏腐蝕缺陷,最大環(huán)向應(yīng)力σR

(3)

1.4 油氣管道的許用應(yīng)力

油氣管道的許用應(yīng)力是指油氣管道在工作狀態(tài)下允許承受的最大應(yīng)力值,凡是管道中的工作應(yīng)力不超過許用應(yīng)力時，管道的工作狀態(tài)是安全的，否則就是不安全的。油氣管道許用應(yīng)力按下式計算[2]59:

[σ]=Fφσs

(4)

式中:[σ]為油氣管道的許用應(yīng)力；F為強度設(shè)計系數(shù)，輸油管道站外一般地段管道取0.72，輸氣管道按表 1選取；σs為鋼管的屈服強度；φ為焊縫系數(shù)，取值0.8～1.0。

2 有限元模型的建立

采用Parasllid建模方式分別利用Pipe體元和Cylinder體元建立帶有不同腐蝕深度(10%～90%)模型，研究的管道為某輸油管線中帶有腐蝕缺陷的架空管段，采用API5L X52鋼管，內(nèi)部原油采用ADINA-CFD材料模型[6]。管道模型一端施加全部位移約束，另一端施加除軸向外的位移約束；對流體模型一端無約束，另一端施加除軸向外的位移約束。管道和原油材料性質(zhì)以及管道幾何參數(shù)如表1所示[7]。

表1 管道和原油參數(shù)

根據(jù)管道腐蝕缺陷的性質(zhì)特點，選用3D solid單元和3D fluid單元完成帶有腐蝕缺陷輸 油管道及內(nèi)部原油的有限元模型的建立[3]25。建立的管道及含腐蝕管段的模型見圖1。

圖1 管道及含腐蝕管段有限元模型

3 規(guī)范與有限元結(jié)果對比分析

在有限元分析過程中，分別研究管道內(nèi)外在不同腐蝕深度情況下腐蝕區(qū)域最大環(huán)向應(yīng)力，并將結(jié)果與國內(nèi)CVDA規(guī)范、ASME B31G標準、凈截面準則計算得出的管道應(yīng)力峰值相比較，結(jié)果見圖2和圖3。管道為API 5L X52鋼管，其屈服強度為358 MPa，所計算管段為輸油管道站外一般地段管道，強度設(shè)計系數(shù)取0.72，焊縫系數(shù)取1.0，故其許用應(yīng)力為257.76 MPa。

由圖2和圖3可以看出，在管道腐蝕缺陷區(qū)域，管道的環(huán)向應(yīng)力隨腐蝕缺陷深度的增加而增加，當外部腐蝕缺陷深度超過管道壁厚的40%，內(nèi)部腐蝕缺陷的腐蝕深度超過管道壁厚的50%時，管道腐蝕區(qū)域的最大環(huán)向應(yīng)力接近其許用應(yīng)力，此時管道有破壞風險。

對比規(guī)范計算結(jié)果與有限元計算的內(nèi)腐蝕和外腐蝕兩種模型的計算結(jié)果可以看出，規(guī)范計算結(jié)果與有限元計算的內(nèi)腐蝕的結(jié)果差值率更小，說明規(guī)范法用于計算內(nèi)部腐蝕缺陷的管道缺陷處的應(yīng)力時比計算外部腐蝕缺陷的管道缺陷處的應(yīng)力時誤差要小。

圖2 不同腐蝕深度管道應(yīng)力峰值

圖3 規(guī)范計算值與有限元計算值對比

當腐蝕缺陷深度小于壁厚的60%時，有限元模型計算結(jié)果比規(guī)范計算結(jié)果偏大，這是因為在有限元模型計算時考慮了腐蝕缺陷區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，模擬了實際工況中的應(yīng)力不均勻分配現(xiàn)象，而規(guī)范計算方法沒有考慮應(yīng)力不均勻分配對腐蝕缺陷處管道應(yīng)力的影響；當腐蝕缺陷深度小于壁厚的60%時，有限元計算結(jié)果與規(guī)范計算結(jié)果差值率大部分在15%以內(nèi)，根據(jù)前人研究結(jié)果[8-11]可以驗證建立的有限元模型的正確性；當腐蝕缺陷深度超過壁厚的60%時，管道已經(jīng)發(fā)生變形或者早已破壞，而規(guī)范法并沒有考慮這種變形，因此兩種算法所得到的結(jié)果相差很大。

4 結(jié) 論

(1)三種常用規(guī)范準則與有限元計算結(jié)果均顯示出，隨著管道腐蝕缺陷深度的增加，管道腐蝕缺陷區(qū)域的最大環(huán)向應(yīng)力逐漸增加，而且隨著腐蝕深度越深，其應(yīng)力增加越快，說明隨著管道腐蝕深度的增加，腐蝕缺陷區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，管道破壞的風險越大。

(2)當腐蝕深度小于壁厚的60%時，有限元模型考慮應(yīng)力集中現(xiàn)象計算結(jié)果比規(guī)范計算結(jié)果偏大， 當腐蝕深度大于壁厚的60%時，考慮破壞變形影響，有限元結(jié)果比規(guī)范計算結(jié)果偏小。

(3)當外部腐蝕缺陷深度超過管道壁厚的40%，內(nèi)部腐蝕缺陷的腐蝕深度超過管道壁厚的50%時，管道腐蝕區(qū)域的最大環(huán)向應(yīng)力接近其許用應(yīng)力，此時管道有破壞風險，應(yīng)注重環(huán)向強度的修復。

(4)下一步研究在規(guī)范等簡化計算方法的基礎(chǔ)上，利用最小二乘法原理對有限元的計算結(jié)果進行擬合，通過簡化得到的擬合公式對腐蝕管道的安全性進行評價。

[1] 楊雪,吳先策.液體石油管道內(nèi)腐蝕直接評價方法[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2011(2):48-51.

[2] 王亞洲,管友海,西文喜，等.基于規(guī)范法的腐蝕管道應(yīng)力及剩余強度分析[J].化工設(shè)備與管道,2016,53(2):58-62.

[3] 李志安.壓力容器斷裂理論與缺陷評定[M].大連:大連理工大學出版社,1994:20-25.

[4] 趙金洲,喻西崇,李長俊,等.缺陷管道適用性評價技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2005:117-125.

[5] 馬廷霞,茍文婷,唐愚,等.X52管線鋼的本構(gòu)關(guān)系及失效判據(jù)研究[J].西南石油大學學報(自然科學版),2014,36(4):162-167.

[6] 馬野,袁志丹,曹金鳳,等.ADINA有限元經(jīng)典實例分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011:112-166.

[7] 管友海,王亞洲,賈娟娟,等.含點蝕缺陷輸油管道復前后的抗震性能[J].油氣儲運,2015,34(11):1185-1188.

[8] 王阿敏,單點腐蝕管道在內(nèi)壓作用下的極限承載力[D].大連:大連理工大學,2012.

[9] 張足斌,王海琴,銀永明,等.油氣管道與儲罐設(shè)計[M].東營:中國石油大學出版社,2011:30-90.

[10]GB50316-2000:工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2001.

[11]吳曉丹.含缺陷輸油管道的抗震完整性研究[D].大慶:東北石油大學,2012.

(編輯 王維宗)

Study on Safety Evaluation of Pipeline with Corrosion Defects Based on Stress Analysis

TangXingliang,XiWenxi,WuPengfei,CaoKong

(CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao266580,China)

In order to analyze the impact of corrosion defects on the safety of oil and gas pipelines, common specifications of corroded pipeline are studied and finite element analysis of corroded pipeline is completed by using the finite element software-ADINA. Reliability of the model is proved through the comparison between simulation results and specification standards. The results show that the circumferential stress of the pipe increases with the increase of the corrosion depth; the pipeline may be destroyed when the external corrosion depth is more than 40% of the wall thickness, or the internal corrosion depth is more than 50% of the wall thickness; when the corrosion depth is less than 60% of the wall thickness, calculation results of the finite element model are larger than those of specification standards, the difference rate of which is less than 15%, due to the consideration of the stress concentration phenomenon; When the corrosion depth is more than 60% of the wall thickness, calculation results of the finite element model are smaller, with a difference rate over 50%, than those of specification standards because of the consideration of damage deformation effect.

Corrosion defects, Overhead pipeline, Stress analysis, Safety evaluation

2016-05-08；修改稿收到日期：2016-09-08。

唐興亮(1990-)，碩士，從事管道安全性研究。E-mail:18765921836@163.com

國家自然科學基金青年科學基金項目(51408609)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(15CX02044A)，中國石油大學(華東)學術(shù)碩士點建設(shè)項目(XWS130005)。