腐蝕管道剩余強度仿真建模及試驗

趙洪洋，楊志國，梁 旭，朱賢輝

（浙江大學海洋學院，浙江舟山 316021）

0 引言

油氣資源及其產品廣泛應用于生產、生活的各個領域，對國民經濟發展具有重要作用［1］。在油氣資源的開采、集輸等環節使用大量鋼制管道，而利用管道運輸油氣的經濟性和安全性得到國內外學者的廣泛關注。由于油氣資源的特殊性，在管道運輸中一旦發生穿孔泄漏、爆破等事故，會造成一定的經濟損失和安全問題［2-3］。大量研究表明，管道周圍環境使其易發生腐蝕，腐蝕是導致管道失效破壞的主要原因［4-5］。因此，有必要對腐蝕管道剩余強度進行研究，以判斷管道是繼續服役、修復還是更換，既能避免管道提前退役造成經濟浪費和安全事故，又能科學地指導管道的維修計劃和安全生產管理［6-7］。

對于腐蝕管道剩余強度的研究，國外擁有一系列的評價準則，比較有代表性的有API579、DNV-RPF101、ASME B31G，然而這些腐蝕管道剩余強度評價方法在描述不同鋼級腐蝕管道失效壓力時具有一定局限性，在指導實際工程的管道運行維護上過于保守［8-12］，以至于管道提前檢修或更換。隨著計算機虛擬仿真技術和有限元理論的發展，研究者利用有限元分析軟件對腐蝕管道剩余強度進行研究，取得了不錯的效果［13-16］。但由于在虛擬仿真中對管道腐蝕區域邊界條件的處理以及對實際腐蝕情況的假設，使得仿真結果在描述實際腐蝕管道剩余強度存在一定誤差。

為精確評估腐蝕管道的剩余強度，本文基于有限元數值模擬方法，利用SolidWorks和ABAQUS 軟件建立含有腐蝕缺陷的油氣管道三維模型，根據腐蝕類型，設置腐蝕區域邊界條件以及合理假設，通過施加不同的壓強載荷，分析研究了模型長度及腐蝕區域結構參數對管道應力的影響規律；同時，搭建了含腐蝕缺陷的X120鋼級管道耐水壓試驗平臺，開展了腐蝕管道耐水壓試驗，實測腐蝕管道的剩余強度，對比驗證數值模擬結果。

1 失效準則及模型簡化

1.1 失效準則

管道失效的判斷標準是評估腐蝕管道剩余強度的重要基礎。一般情況下，油氣管道失效主要由腐蝕區域發生塑性失效導致，即在腐蝕區域的等效應力（Von Mises準則）達到管道材料的屈服強度，腐蝕區域發生塑性形變，管道面臨穿孔泄漏風險。根據Von Mises準則，管道失效準則：

1.2 模型簡化

根據油氣管道長距離輸運的特點以及管道工作環境的復雜性，管道不僅要承受內部油氣的壓力，還可能受到橫向集中載荷、軸向拉壓載荷、彎曲載荷以及各種載荷的耦合作用，其作用結果復雜難以預測。通常情況下，油氣管道設計施工環節應避免管道受內部油氣壓力以外的載荷，因此在仿真模擬時，僅考慮管道受內部油氣的壓力。由于大多油氣管道都深埋地下，在考慮管道和土壤及周圍環境之間相互作用時，只考慮管道受腐蝕作用，故只研究含腐蝕缺陷的管段。

腐蝕區域是管道最薄弱的位置，對腐蝕缺陷的模擬關系到管道應力水平模擬結果的準確性。由于管道長細結構的特點，其腐蝕區域多呈現軸向尺寸（腐蝕長度）大于環向尺寸（腐蝕寬度），徑向尺寸（腐蝕深度）最小的形狀。研究表明，局部及均勻腐蝕是管道失效的主要形式，仿真建模時可將腐蝕區域簡化為軸向同底方形凹槽，同底方形結構為圓環柱一部分與管道相交所得［13］。管道腐蝕是受周圍環境長時間作用效果，而非管道在短期內局部致損，腐蝕區域表面不會呈臺階變化，所以對管道模型凹槽結構面的相交處以圓角過渡，避免出現應力集中。

2 建模及仿真

2.1 建 模

在模型簡化的基礎上，利用SolidWorks軟件按1∶1的比尺完成含局部及均勻腐蝕缺陷的X120 鋼級管道三維實體建模，管道外徑325 mm，壁厚12 mm。為研究邊界條件對管道腐蝕區域應力的影響，建立4 個管道模型，模型1～4 的長度分別設為腐蝕長度的2、3、4、5 倍，各模型的腐蝕區域均設在模型中間位置。

將SolidWorks軟件中建立的管道模型保存step文件類型，導入ABAQUS 軟件，模型實體采用四面體單元類型，并將X120 管線鋼材料屬性賦予仿真模型，其材料屬性如下：密度ρ ＝7 850 kg／m3，彈性模量E＝210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為996 MPa，抗拉強度為1 115 MPa，屈強比＝0.89（Y／T）。然后進行實體裝配，建立分析步，設置模型初始約束條件和壓強載荷。

對管道非腐蝕區域采用自由網格劃分方式，設置網格單元尺寸為6 mm，對腐蝕區域網格劃分需進行加密細化處理，其網格單元尺寸設為4 mm，以提高腐蝕區域應力水平仿真精度，劃分后模型如圖1 所示；由于仿真模擬只研究了含腐蝕缺陷的管段，所以對管道模型一端軸向位移進行約束，其他5 個自由度不約束，以避免管道模型約束端應力集中。

圖1 管道模型網格劃分示意圖

2.2 仿真結果分析

（1）模型長度對應力影響。各模型腐蝕區域結構參數均設為：腐蝕長度300 mm，腐蝕寬度32 mm，腐蝕深度9 mm，對模型1 施加5 MPa 的內部壓強載荷，其等效應力仿真結果如圖2 所示。由圖2 可知，模型1腐蝕區域中間位置的等效應力最大，為491.6 MPa，位置為模型的1 019 節點，最小等效應力為6.655 MPa，位置為模型的122 669 節點。

圖2 載荷5 MPa時模型1應力分布圖

采用同樣的仿真方法對其余模型施加5 MPa內部壓強載荷，應力仿真結果如表1 所示。由表1 可知，不同長度的管道模型等效應力絕對偏差不大，最大等效應力的最大偏差僅為1.7%；最小等效應力的最大偏差為27%。這是由于最小等效應力值過小導致，并且位置遠離腐蝕區域，對管道剩余強度影響不大。因此，當被研究管段長度與腐蝕長度比＞2 時，可忽略管段長度對腐蝕區域應力的影響，在仿真模擬和試驗時，盡量縮短研究管段的長度，降低仿真模擬計算難度和試驗研究成本。

表1 最大／最小等效應力仿真值

（2）應力-腐蝕長度間關系。在軟件中設置模型長度1 m，腐蝕寬度32 mm，腐蝕深度9 mm，在腐蝕長度50～500 mm 范圍間隔50 mm 建立10 個腐蝕管道三維實體模型。對管道模型加載1～10 MPa內部壓強載荷，研究不同載荷下腐蝕長度對管道應力的影響，仿真結果如圖3 所示。

圖3 最大等效應力與腐蝕長度的關系

由圖3 可知，管道腐蝕區域最大等效應力與內部壓力p呈線性正相關；在不同載荷下，腐蝕長度l對管道應力的影響規律一致，隨著腐蝕長度的增加，應力先是顯著增加，而當腐蝕長度與模型長度比達到0.3 后，隨著腐蝕長度繼續增加，應力增幅很小。這是由于腐蝕長度增加到一定值時，腐蝕區域的應力分布更加均勻所致。因此，當腐蝕寬度和深度不變時，腐蝕長度增加導致管道剩余強度降低。等效應力隨腐蝕長度的變化關系可通過多項式擬合得出：

（3）應力-腐蝕寬度間關系。在軟件中設置模型長度1 m，腐蝕長度300 mm，腐蝕深度9 mm，在腐蝕寬度12～122 mm 范圍間隔10 mm 建立12 個腐蝕管道三維實體模型，對管道模型加載1～8 MPa內部壓強載荷，研究不同載荷下腐蝕寬度對應力的影響，仿真結果如圖4 所示。

圖4 最大等效應力與腐蝕寬度的關系

由圖4 可知，在不同載荷下，腐蝕寬度b對管道應力的影響規律一致，隨著腐蝕寬度增加，應力先是顯著減小，而當腐蝕寬度與管道外徑比達到0.19 后，隨著腐蝕寬度繼續增加，應力降幅很小。這是由于腐蝕寬度越小，腐蝕區域應力愈加集中，反之，腐蝕區域的應力分布更加均勻。因此，當腐蝕長度和深度不變時，腐蝕寬度增加使管道剩余強度增大。等效應力隨腐蝕寬度的變化關系可通過多項式擬合得出：

（4）應力-腐蝕深度間關系。在軟件中設置模型長度1 m，腐蝕長度300 mm，腐蝕寬度62 mm，在腐蝕深度d＝1～10 mm 范圍間隔1 mm 建立10 個腐蝕管道三維實體模型，對管道模型加載1～10 MPa 內部壓強載荷，研究不同載荷下腐蝕深度對應力的影響，仿真結果如圖5 所示。

圖5 最大等效應力與腐蝕深度的關系

由圖5 可知，在不同載荷下，腐蝕深度對管道應力的影響規律一致，隨著腐蝕深度的增加，應力顯著增加，且增幅越來越大。這是由于隨著腐蝕深度增加，腐蝕區域管道壁厚減小，使應力完全集中于薄壁處所致。因此，當腐蝕長度和寬度不變時，腐蝕深度增加導致管道剩余強度急劇下降。在腐蝕區域結構參數中，腐蝕深度對管道剩余強度影響最大。等效應力隨腐蝕深度的變化關系可通過指數式擬合得出。

3 試驗及結果分析

3.1 試驗模型設計

為對比驗證仿真結果，試驗研究了腐蝕管道剩余強度。采用超高強度X120 管線鋼的無縫輸油管道設計制造試驗管道模型，進行4 次含腐蝕缺陷的X120鋼級管道耐水壓破壞試驗，試驗管道外徑325 mm，壁厚12 mm，試驗管道模型長1.2 m，通過機械加工方法，在管道外壁上開設軸向同底方形凹槽代表管道發生局部及均勻腐蝕，各模型腐蝕情況如表2 所示。表中數據為加工后實測值。

表2 試驗模型腐蝕區域結構參數 mm

在試驗模型一端焊接圓形鋼板作為平底封頭，另一端焊接法蘭盤作為連接裝置與法蘭蓋連接，法蘭盤和法蘭蓋之間通過8 個螺栓連接固定，通過一個O 型橡膠圈密封，在法蘭蓋端面上設置兩個通孔用于加壓注水和排氣，其結構組成如圖6 所示。

圖6 腐蝕管道試驗模型結構示意圖

3.2 試驗平臺及方法

X120 鋼級腐蝕管道耐水壓試驗平臺主要由腐蝕管道試驗模型、水壓試驗加卸載及控制系統、上位機、數據采集系統、壓力表、壓力傳感器和模型爆破防護裝置等設備組成，如圖7 所示。加卸載及控制系統由麥格思維特（上海）流體工程有限公司生產，最大加載能力為60 MPa，控制精度及壓力傳感器分辨率為10 kPa，加卸載速度在0.1～0.6 MPa／min連續可調。

圖7 X120鋼級腐蝕管道耐水壓試驗平臺

對各腐蝕管道試驗模型分別進行耐水壓試驗。待試驗模型裝配完畢，各管路連接完成并保證密封良好，加卸載及控制系統準備就緒，設定目標加載壓力為60 MPa，加載速度為0.5 MPa／min，壓力傳感器采樣頻率設為1，在整個加載過程中，對試驗模型內部壓力進行實時監測，以準確獲取腐蝕管道發生穿孔泄漏時耐壓值。

3.3 結果分析

通過管道模型耐水壓試驗實測各模型發生穿孔泄漏時的耐壓值。由圖8 可知，當模型1 試驗壓力加載到11.4 MPa 時發生泄漏；其穿孔泄漏效果如圖9 所示。由圖9 可知，破裂發生在腐蝕區域，且裂痕沿軸向排列，這是因為對軸向局部及均勻腐蝕而言，其環向應力較軸向和徑向應力更大，環向應力先達到抗拉強度發生破壞所致。

圖8 模型1水壓加載情況

圖9 試驗后發生穿孔的腐蝕管道

采用同樣的試驗方法可測得模型2、3、4 極限耐壓值，并與仿真結果進行比較，如表3 所示。由表3 可知，X120 鋼級腐蝕管道模型極限耐壓值的仿真和試驗結果最大偏差僅為3.5%，說明仿真對腐蝕管道的模型簡化和邊界條件處理是可行的，能準確預測腐蝕管道的剩余強度。

表3 腐蝕管道極限耐壓仿真／試驗結果對比______

對比模型1、2 的腐蝕參數和試驗結果發現，模型1 腐蝕長度較大，剩余強度較小；對比模型2、3 的腐蝕參數和試驗結果發現，模型2 腐蝕深度較大，剩余強度較小；對比模型3、4 的腐蝕參數和試驗結果發現，模型4 腐蝕寬度較大，剩余強度較大。與仿真中腐蝕區域結構參數對管道剩余強度影響規律一致。

4 結語

利用SolidWorks 和ABAQUS 軟件建立了不同腐蝕程度的管道仿真模型，仿真結果可較為準確地模擬腐蝕區域結構參數對管道等效應力的影響規律，開展的X120 鋼級腐蝕管道耐水壓試驗結果與仿真結果具有較好的一致性。腐蝕長度和深度的增加導致管道剩余強度降低，腐蝕寬度的增加導致管道剩余強度增大，腐蝕深度相較長度和寬度對管道剩余強度的影響更大；腐蝕長度和寬度對剩余強度影響可用多項式描述，腐蝕深度對剩余強度的影響可用指數描述，擬合相關系數達0.99。對含腐蝕缺陷的油氣管道剩余強度準確預估非常重要，建立的腐蝕管道仿真模型可有效預測管道剩余強度，對實際工程中油氣管道安全集輸和運行維護具有重要意義。