考慮內外壁腐蝕缺陷相互作用的油田注水管道失效壓力評估

陳麗娜,孫鑫寧,劉海波,楊 超,田 旺

(1. 中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司 技術檢測中心，東營 257000； 2. 中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司 采油工程處，東營 257000； 3. 勝利油田檢測評價研究有限公司，東營 257000)

壓力管道作為輸送流體介質的特種設備，在生產和生活中具有極其廣泛的應用。管道內部輸送介質的腐蝕性、內部流動液體循環加壓疲勞或者外部腐蝕等原因使碳鋼壓力管道在運行過程中不可避免地會出現腐蝕缺陷，造成管道壁厚減薄、管壁強度降低或者應力集中，嚴重時會造成管道泄漏或爆炸，影響油氣管線的正常輸送，甚至會威脅人民群眾的生命財產安全和生態環境[1-4]。因此，必須對含腐蝕缺陷管道的剩余強度進行評價，確定腐蝕缺陷對管道結構完整性的危害程度，確保管道在服役期間的安全，并為缺陷管線的維修計劃提供重要依據。

管道上缺陷的位置與分布往往具有一定的隨機性和不確定性。在實際工程中，管道上的缺陷通常不以單一形式存在，而是以兩個或者多個缺陷組合存在，由于這些缺陷間距比較近，彼此之間會產生相互影響，從而影響管道的破壞模式和失效壓力[5]。缺陷之間會產生影響的相鄰關系一般分為沿管道的軸向相鄰、環向相鄰以及復合相鄰排列[6]。實際工程中，管道剩余強度也不僅僅取決于單純內表面或外表面的缺陷，當內、外缺陷發展到一定程度時，它們之間可能存在某種相互關系，共同影響管道的剩余強度[7]。

為探究這一問題，蔡文軍等[8]驗證了非線性有限元方法計算腐蝕管道失效壓力的適用性和準確性，同時研究了腐蝕缺陷幾何尺寸的影響，認為根據相同尺寸的內缺陷和外缺陷計算得到的管道失效壓力相差不大。BENJAMIN等[9]通過非線性有限元方法對含不同排列方式腐蝕缺陷組合的管道失效壓力開展了研究，分析了腐蝕缺陷組合軸向間距變化對管道失效壓力的影響，并且分別對現有的相互作用準則和腐蝕管道失效壓力評估方法進行了對比。崔銘偉等[10]針對不同直徑、不同深度的雙點蝕缺陷開展了非線性有限元模擬，確定了雙點蝕缺陷間相互作用的臨界間距，認為雙點蝕缺陷深度差距對腐蝕管道失效壓力的影響明顯。曹學文等[11]利用非線性有限元方法分析了對稱雙點腐蝕缺陷環向間距和軸向間距對管道失效壓力的影響，結果表明：環向間距變化對雙點腐蝕缺陷間相互作用的影響不明顯；在一定的軸向間距范圍內，雙點腐蝕缺陷間的相互作用隨著軸向間距的變化呈對數變化關系。XU等[12]研究了X80鋼管內外表面的局部von Mises應力、應變隨內部壓力的變化，發現：當存在腐蝕缺陷時，缺陷底部管道的von Mises應力遠高于管道內表面的應力；塑性變形優先發生在外部缺陷上，并擴展到腐蝕缺陷的鄰近區域，管道內表面有一定的塑性變形，但強度較低。

目前,國內外對含多缺陷管道的破壞機理和失效壓力的研究仍處在起步階段，考慮缺陷間相互作用的評估方法還不夠完善。現有評估方法僅考慮單純外缺陷或者內缺陷的影響，沒有考慮到內、外缺陷間的相互作用。因此，在內壓荷載作用下開展含缺陷管道剩余強度評估的研究，特別是內、外多缺陷間相互作用對腐蝕管道失效壓力和破壞機理的影響分析顯得尤為重要和迫切，具有重要的理論意義和工程價值。本工作基于勝利油田某注水管道，采用ABAQUS有限元軟件計算含內、外腐蝕缺陷管道的失效壓力，根據5%判定準則[13-14]給出不同缺陷尺寸下極限影響距離，并對影響內外缺陷相互作用的因素進行分析，為管道運行安全提供全面保障。

1 有限元模型的建立和驗證

1.1 幾何模型的建立

勝利油田現有注水管道近萬公里，其中使用超過20 a的管道占87%。由于注水管道工作壓力為10～45 MPa，內腐蝕及結垢情況嚴重(年結垢層可達8 mm厚)，注水管道腐蝕穿孔嚴重。以某采油廠為例，注水管道穿孔頻次為1 450次/a。注水管道腐蝕穿孔不僅會影響油田的正常生產，還會造成環境污染，在高壓環境下甚至會對操作人員的生命造成威脅。因此，以勝利油田某采油廠注水管道為原型，依據實際注水管道的規格建立有限元模型。其中直管段的外徑D為0.168 m、設計壁厚t為0.013 m，根據圣維南原理[15]，設定直管段長度L為2 m，排除端部效應影響。材料參數依據20號碳鋼直縫埋弧焊鋼管特性，材料服從各向同性和小變形假設，模型相關參數見表1。工程中，腐蝕缺陷無論是矩形、球形、橢球形還是梭形，均為局部減薄體積型缺陷。故以最具代表性的橢球型腐蝕缺陷為研究對象，ABAQUS軟件建模時,通過部件之間布爾減操作形成腐蝕凹坑，缺陷位置位于管段中部，幾何模型如圖1所示。

表1 管段幾何模型參數Tab. 1 Geometric model parameters of pipeline

圖1 含內外腐蝕缺陷管道幾何模型Fig. 1 Geometric model of pipeline with internal and external corrosion defects

1.2 載荷及邊界條件

通常情況下，管道受力來源于自重、周圍土壤的擠壓、運行壓力、交通荷載等。為了方便計算，對管道模擬提出以下規定：(1) 不考慮輸送介質發生的耦合反應；(2) 默認整個運行過程在恒溫條件下進行，不存在熱應力；(3) 載荷僅考慮內壓的作用，在管道內表面施加面載荷。實際管道很長，計算時僅取其中一小段，因此可以認為所取管段不發生軸向位移。分析模型具有對稱結構，因此選取1/2模型，在管道兩端面施加軸向約束(即約束UZ=0)，縱向剖開的管道截面上施加對稱約束，此約束對整個模型的應力應變狀態沒有影響。管道的載荷及邊界條件約束如圖2所示。

圖2 含缺陷管道的載荷和邊界條件Fig. 2 Load and boundary conditions of pipeline with defects

1.3 網格劃分

模擬的重點研究區域為缺陷區域及其周邊，因此在重點區域處進行網格細分，而在次要區域只粗略劃分網格。本模型選擇實體三維八節點縮減積分單元(C3D8R)劃分網格，這種單元避免了剪切“鎖閉問題”，具有計算精度較高、計算效率高的優點。圖3為含缺陷管段網格劃分示意圖。

(a) 模擬管段

(b) 局部缺陷圖3 含缺陷管段網格劃分示意圖Fig. 3 Schematic diagram of meshing of pipeline with defects: (a) simulated pipeline; (b) local defects

1.4 失效準則

管道承受載荷的情況較為復雜，管道上通常存在環向應力和軸向應力，若管道壁厚較大，還存在一定的徑向應力，即三向應力狀態。對含體積型缺陷管道進行分析時，需要建立屈服條件，常用的是Von Mises條件。含體積型缺陷管道是否發生失效，可以通過缺陷區域的Von Mises等效應力來判斷。當缺陷區域Von Mises應力達到管道屈服強度時，判定管道失效。

1.5 有限元模型驗證

收集了文獻[16]中管道爆破試驗的失效壓力數據，再利用所建模型在所有腐蝕缺陷工況下進行有限元模擬，并將模擬結果與試驗值進行比較，驗證模型的準確性。由圖4可以看出，缺陷管道的有限元計算數據與爆破試驗數據吻合度很好，說明該有限元模型的準確性較高。

2 單腐蝕缺陷對管道失效壓力的影響

研究表明[17-20]，腐蝕缺陷的深度和長度對管道失效壓力有較大影響，而腐蝕寬度影響較小可以忽略。因此，在后續進行的研究中，忽略腐蝕寬度的影響。

圖4 有限元計算值與試驗值的比較Fig. 4 Comparison between calculated values by finite element method and experimental values

2.1 腐蝕缺陷深度的影響

設置腐蝕缺陷長度為28.04 mm，寬度為10.55 mm，用腐蝕缺陷相對深度(腐蝕深度與壁厚的比值,d/t)表征缺陷深度對失效壓力的影響，分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，在ABAQUS中分別計算含單腐蝕缺陷管道在不同缺陷深度下的失效壓力。由圖5可以看出，在含腐蝕缺陷管道腐蝕區域，內應力關于缺陷長軸對稱分布，整個管道上應力較大區域大致分布在腐蝕缺陷的軸向中心位置，且等效應力最大點(最危險點)始終位于腐蝕缺陷最深處及其周邊區域。當腐蝕缺陷深度較小時，應力較大區域在腐蝕缺陷范圍內分布較廣，且腐蝕缺陷區域與缺陷周圍區域的應力相差較小。當腐蝕缺陷深度增大時，在沿長軸對稱的腐蝕缺陷區域整體應力急劇增大，管道可靠性顯著降低。并且對比內外單腐蝕缺陷區域應力分布可知，含內腐蝕缺陷管道的等效應力大于含外腐蝕缺陷管道的等效應力，說明含內腐蝕缺陷管道的危險性更大。

(a) 外腐蝕，d/t=0.1 (b) 內腐蝕，d/t=0.1

(c) 外腐蝕，d/t=0.4 (d) 內腐蝕，d/t=0.4圖5 含不同深度內外單腐蝕缺陷管道的應力分布Fig. 5 Stress distribution in pipelines with external (a, c) or internal (b, d) single corrosion defect at different defect depth

圖6為含不同深度內外單腐蝕缺陷管道的失效壓力曲線。由圖6可見，含單腐蝕缺陷管道的失效壓力均隨缺陷深度的增加而減小，并且減小速率逐漸變大。在相同腐蝕深度下，腐蝕缺陷在管道內部時，失效壓力小于腐蝕缺陷在管道內部時，即內腐蝕缺陷對管道失效壓力的影響更大。同時可以看到，在缺陷深度較小時，失效壓力曲線差距較大，即在該范圍內，腐蝕位置對失效壓力的影響差異較大。

2.2 腐蝕缺陷長度的影響

設置內外腐蝕缺陷深度為5.2 mm，寬度為10.55 mm，用腐蝕缺陷相對長度即缺陷長度與壁厚的比值，表征缺陷長度對失效壓力的影響，分別為0.6，1.0，1.5，2.0，2.5，在ABAQUS中分別計算含內外單腐蝕缺陷管道在不同缺陷長度下的失效壓力。圖7為不同缺陷長度下含腐蝕缺陷管道的失效壓力曲線。由圖7可見，失效壓力隨腐蝕缺陷長度的增加而減小，并且減小速率逐漸變小，直至最后達到定值。對比內外腐蝕缺陷，失效壓力在腐蝕缺陷長度影響下有相似的變化趨勢。當腐蝕缺陷長度較小時，在相同腐蝕缺陷長度下，腐蝕缺陷在管道內部時失效壓力小于腐蝕缺陷在管道外部時，即內腐蝕缺陷對管道失效壓力的影響更大。同時可以看到，腐蝕缺陷長度較小時，失效壓力曲線差距較大，即在該范圍內，腐蝕位置對失效壓力的影響差異較大。但當腐蝕缺陷長度增大到一定程度后，腐蝕缺陷長度對管道失效壓力無影響，且腐蝕位置對管道失效壓力的影響也不明顯。

圖6 含不同深度內外單腐蝕缺陷管道的失效壓力曲線Fig. 6 Failure pressure curves of pipelines with internal or external single corrosion defect at different defect depth

圖7 含不同長度內外單腐蝕缺陷管道的失效壓力曲線Fig. 7 Failure pressure curves of pipelines with internal or external single corrosion defect at different defect length

3 管道內外雙腐蝕缺陷相互作用分析

3.1 內外雙腐蝕缺陷相互作用表征方法

為了直觀表達內外腐蝕缺陷間的相互作用對管道失效壓力的影響，對含內外腐蝕缺陷管道失效壓力與含單缺陷管道失效壓力進行對比，采用5%判定準則[13-14]判斷內外腐蝕缺陷是否產生相互作用，如式(1)所示。

(1)

式中：ω為相互作用系數；pi為含內外雙缺陷管道失效壓力的有限元計算值，MPa；p0為含單缺陷管道失效壓力的有限元計算值，MPa。

當相互作用系數小于5%時，在工程上可認為內外腐蝕缺陷不存在相互影響，可以看作相互獨立的單缺陷。

3.2 基于內外腐蝕缺陷深度的相互作用分析

為便于研究，內外腐蝕缺陷取相同尺寸。采用控制變量法，設置內外腐蝕缺陷長度為28.04 mm，寬度為10.55 mm，腐蝕缺陷相對深度分別為0.1，0.2，0.3，0.4，設置缺陷軸向間距SL分別為0，10，20，30，40，50，70，100，150 mm。基于以上軸向間距和判定標準，利用ABAQUS有限元軟件計算得到不同缺陷深度下含內外腐蝕缺陷管道的失效壓力。

圖8為不同缺陷軸向間距下含雙腐蝕缺陷管道的壓力分布。在對管道進行加壓過程中，管道內部腐蝕缺陷區域等效應力大于管道外部的，且內部腐蝕缺陷區域最先達到屈服。隨著內外腐蝕缺陷軸向間距的增大，內外腐蝕缺陷間相互影響減小，直至沒有相互作用。內外腐蝕缺陷位置相對(間距為0)時管道缺陷部位等效應力最大，是最危險點。

(a) SL=0

(b) SL=50 mm圖8 不同缺陷軸向間距下含內外雙腐蝕缺陷管道壓力分布(腐蝕缺陷相對深度0.1)Fig. 8 Pressure distribution of pipelines with internal and external double corrosion defects at different axial spacing (corrosion defect relative depth of 0.1)

圖9為含不同深度、軸向間距內外腐蝕缺陷管道的失效壓力曲線。由圖9可以看出，隨著內外腐蝕缺陷軸向間距的增大，含腐蝕缺陷管道的失效壓力增大，最后趨于恒定。腐蝕缺陷深度越大，管道整體失效壓力越小，受內外腐蝕缺陷軸向間距的影響越小，失效壓力曲線表現為增長趨勢變緩。

圖9 含不同深度、軸向間距內外雙腐蝕缺陷管道的失效壓力曲線Fig. 9 Failure pressure curves of pipelines with internal and external double corrosion defects with different depth and axial spacing

為深入探究內外腐蝕缺陷間相互作用距離變化情況，對不同深度腐蝕缺陷在不同軸向間距下的相互作用系數進行分析，繪制SL-ω圖，如圖10所示，以5%判定準則[13-14]為標準求得極限作用距離Llim。當內外腐蝕缺陷相對深度為0.1，0.2，0.3，0.4時，求得極限作用距離分別為39.8，65.7，98.2，117.6 mm，這說明隨著雙腐蝕缺陷深度的增加，內外腐蝕缺陷極限作用距離顯著增大。

圖10 極限作用距離計算方法示例Fig. 10 Example of calculation method of limit operating distance

3.3 基于內外腐蝕缺陷長度的相互作用分析

設置內外缺陷深度為5.2 mm，寬度為10.55 mm，缺陷相對長度分別為0.6，1.0，1.5，2.0，設置缺陷軸向間距分別為0，10，20，30，40，50，70，100，150 mm，計算管道的失效壓力。

圖11為含不同長度、軸向間距內外雙腐蝕缺陷管道的失效壓力曲線。由圖11可以看出，隨著內外腐蝕缺陷軸向間距的增大，管道失效壓力增大直至趨于定值。腐蝕缺陷長度越長，管道整體失效壓力越小，受內外缺陷軸向間距的影響越小，失效壓力曲線表現為增長趨勢緩慢。

圖11 含不同長度、軸向間距內外雙腐蝕缺陷管道的失效壓力曲線Fig. 11 Failure pressure curves of pipelines with internal and external double corrosion defects with different length and axial spacing

為深入探究內外腐蝕缺陷間相互作用距離變化情況，對不同長度腐蝕缺陷在不同軸向間距下的相互作用系數進行分析，繪制SL-ω圖，以5%為標準求得極限作用距離。當內外腐蝕缺陷相對長度為0.6，1.0，1.5，2.0時，分別求得極限作用距離為64.5，86.86，98.73，107.12 mm，這說明隨著腐蝕缺陷長度的增加，內外腐蝕缺陷極限作用距離顯著增大。

將求得內外腐蝕缺陷極限作用距離應用于工程上，可判斷內外腐蝕缺陷是否產生干涉作用。由于內外腐蝕缺陷相互作用的影響，管道失效壓力的計算值相對于不考慮內外腐蝕缺陷相交互作用影響時偏小，進而影響安全評價的結果。對于具有嚴重內外腐蝕問題的注水管道，在管道檢測中應對內、外腐蝕缺陷的尺寸及間距進行統計。考慮到內外腐蝕缺陷之間存在的相互作用會對管道整體的失效壓力產生影響，參照本工作提出的內外腐蝕缺陷極限作用距離，合理劃分存在相互作用的內外腐蝕缺陷，為后續缺陷的特征尺寸提供基礎，有助于開展注水管道失效壓力計算等安全評估工作，為管道的檢測維修提供建議。

4 結論

(1) 隨著內外腐蝕缺陷深度增加，管道失效壓力減小，并且減小速率逐漸變大。在相同腐蝕深度下，內腐蝕缺陷管道的失效壓力小于外腐蝕缺陷管道的失效壓力，即內腐蝕缺陷對管道失效壓力的影響更大。

(2) 隨著內外腐蝕缺陷長度增加，管道失效壓力減小，并且減小速率逐漸變小，直至最后達到定值。當腐蝕缺陷長度較小時，在相同缺陷長度下，內腐蝕缺陷比外腐蝕缺陷對管道失效壓力的影響更大。但當腐蝕缺陷長度增大到一定程度后，腐蝕缺陷長度對管道失效壓力無影響，且腐蝕位置對管道失效壓力的影響也不明顯。

(3) 隨著內外腐蝕缺陷軸向間距的增大，不同腐蝕缺陷深度管道的失效壓力增大直至趨于定值。隨著腐蝕缺陷深度的增大，內外腐蝕缺陷極限作用距離顯著增大。

(4) 隨著內外腐蝕缺陷軸向間距的增大，不同腐蝕缺陷長度管道的失效壓力增大直至趨于定值。隨著腐蝕缺陷長度的增加，內外腐蝕缺陷極限作用距離增大。

(5) 內外腐蝕缺陷尺寸及間距是影響內外腐蝕缺陷間相互作用的重要因素，結合極限作用距離能夠有效合理地分析計算油田實際注水管道的失效壓力。