應力量化法分析管線局部金屬剝落的主要因素及解決方法

王磊（海洋石油工程股份有限公司維修公司，天津 300270）

周亞鵬（舟山中遠船務工程有限公司，浙江 舟山 316100）

應力量化法分析管線局部金屬剝落的主要因素及解決方法

王磊（海洋石油工程股份有限公司維修公司，天津 300270）

周亞鵬（舟山中遠船務工程有限公司，浙江 舟山 316100）

渤海某海上石油平臺開排泵出口管線在運行過程中局部管線表面銹蝕金屬層狀剝落嚴重，且伴有較大振動，影響系統的可靠性。現基于相關軟件的建模和計算，主要從分析管線局部應力的角度出發，判斷問題的主因，并對管線做相應改造，最終解決上述問題。

應力；振動；建模；計算分析

渤海某海上石油平臺開排泵出口管線在運行過程中發現局部銹蝕處表面金屬連帶油漆層狀剝落嚴重，經調研分析，把問題的主要原因限定在以下兩個：一、管線在安裝過程中形變量控制不足，加之管支架安裝位置和形式選擇不當等原因，引起局部應力過大；二、管線路徑冗長，彎頭過多，加劇振動，致使局部管線產生機械疲勞，在外部銹蝕的作用下加速老化、剝離。

判斷出哪個因素為主對施工方案的制定具有至關重要的意義，直接決定著改造思路和工程成本的高低：如果單一是應力引起的，那么可以通過改變管支架的位置和形式或者對變量過大的局部管線稍加改造以釋放應力，不必大范圍修改管線；如果單一是振動引起的，則需要在原有的管線基礎上優化路徑，而保留的部分不必再大范圍調整形變釋放應力；如果是兩個因素兼而有之，那么只能大范圍地改造管線并全部重新合理布置管支架。

然而憑借經驗和常規方法是無法判斷出主因的。所以我們先借助軟件分析其應力：選擇問題較為多發且嚴重的管線部分，用應力計算軟件建模，各項設置如下：在General Model Op?tions中Piping Code選B31.3 Process；環境溫度設為5℃；Material選擇CHINAGB；在Pipe Properties中通徑選DN50，壁厚選XXS；腐蝕余量設為3mm；Mill tolerance由壁厚的12.5%計算而得；保溫按30mm玻璃棉管外包0.5mm花紋鋁皮計；由于此路工質為原油和水的混合物，所以比重按照0.9計。經軟件計算，應力情況如圖1所示：

圖1

結合計算報告可以看出：最大位移為-0.01mm，出現在A12點，最大扭轉0.01deg，也出現在A12點，由重力產生的最大應力為10.85N/mm2，出現在A18處，最大環向應力為6.16N/mm2，出現在A00處。這些結果都在許用范圍以內，由此可以斷定所考察部分管線的問題主因不在應力方面。

那么問題的癥結就是管線過于冗長，存在過多彎頭，在工質被泵驅動時，管線振動劇烈，加之管支架對管線的固定作用不足，使管線局部產生機械疲勞，導致表面金屬和油漆層狀剝落現象嚴重。

于是，我們著手簡化和優化管線路徑，在不改變流程和原理的前提下盡量減少彎頭數量，并合理設置管支架的位置和形式。

經改造后管線長度由原來的55m縮短到27m，彎頭由原來的24個減少到10個，路徑優化顯著，管支架由原來的滑動式管鞋修改為固定式管卡，并適當增加密度，對管線的固定作用強化明顯。經開排泵實際運行時效試驗，改造后的管線振動消除，系統運行平穩流暢，原來的問題宏觀上得到解決。

接下來我們再從微觀上考察改造后的管線應力是否在許用范圍以內：建模的各項設置和改造前相同，由軟件應力分析得出改造后管線在正常運行工況下的應力情況如圖2所示：

圖2

結合計算報告可以看出：最大位移為4.46mm，出現在A07點，最大扭轉0.34deg，出現在A11點，由重力產生的最大應力為100.59N/mm2，出現在A09處，最大環向應力為13.56N/mm2，出現在A00處。這些結果都在許用范圍以內，由此可知改造后管線應力方面滿足要求。

利用應力量化的創新方法，我們在施工前已經排除了應力為產生管線金屬層狀剝落這一問題的主因，從而判斷出問題的主因是振動，進而明確了施工方向：即在原有的管線基礎上優化路徑，而保留的部分不必再大范圍調整形變和管支架以釋放應力，更有針對性地解決問題，免去不必要追加的成本，創造了更高的經濟效益。