LNG接收站埋地管道腐蝕分析方法研究

王亞群 王少煒 范明龍

（中海石油氣電集團有限責任公司技術研發中心，北京 100028）

0 引言

目前，全球液化天然氣（LNG）資源需求迅速增加，我國對LNG這種清潔能源的消費也處于持續增長階段[1]。LNG接收站作為LNG遠洋貿易的終端設施，對LNG的儲存及轉運起著至關重要的作用。LNG接收站通常建設在沿海地區，沿海大氣環境含鹽量高，腐蝕風險很高[2]，因此LNG接收站在設計建設及運營過程中要充分考慮管道防腐等問題。對于發生腐蝕或破壞的管道，應及早對損傷區域進行修復，以避免后期因為腐蝕問題導致的更高的維護成本[3]。例如，海水管道易出現管道內部腐蝕和外部破損兩種形式[4]。對于已投用并存在管道腐蝕或破壞的LNG接收站消防水管道，需要對損傷區域進行修復。因此基于不同程度、不同狀態的腐蝕或破壞管道分析其繼續服役的可行性對項目公司來說具有重要意義。本文通過有限元方法，對不同形式的腐蝕及破損類型進行模擬分析，提出基于有限元分析的管道極限內壓評估方法，確定管道腐蝕及破損分析主要影響因素。

1 不同腐蝕方向對管道極限內壓的影響分析

本節以20#鋼工程實例，分別針對20”和24”，壁厚為9.53mm的管道進行三維有限元分析。重點分析單點腐蝕對管道極限內壓的影響。針對系列幾何尺寸的腐蝕缺陷，探究軸向、徑向及環向腐蝕缺陷條件下管道的極限內壓。

1.1 腐蝕缺陷軸向尺寸對極限內壓的影響

參數選取，腐蝕缺陷深度d取2mm、4mm、6mm，腐蝕長度L對應每個腐蝕深度取100～600mm（間隔100mm），腐蝕寬度W均取6°。

（1） 內腐蝕管道的極限內壓研究

管道上僅施加內壓載荷，分析不同腐蝕深度情況下，管道的極限內壓值隨著腐蝕的軸向長度改變而引起的變化。管道腐蝕缺陷處的應力大小和應力分布隨載荷增加而不斷產生變化。圖1為20寸管道（d=4mm、L=300mm、限拉伸強度bσ=390MPa）腐蝕區域的應力分布云圖。選取壁厚方向上由內到外三點，查看該載荷下三點的應力情況，如圖2所示。

圖1 內腐蝕區域應力云圖

由圖2可知，對于有腐蝕缺陷位置，外側應力大而內側應力小。根據塑性失效準則，當腐蝕缺陷區域沿管壁厚方向的最小等效應力與材料的極限拉伸強度 bσ相等時，管道發生失效[5,6]。由于管道上僅施加內壓載荷，所以有腐蝕缺陷管道能承受的內壓極限值即在該管道上施加的載荷。不同深度情況下，腐蝕缺陷管道的缺陷軸向長度與管道能承受的極限內壓的關系如圖3、圖4所示。

圖2 內腐蝕三點的等效應力情況

圖3 內腐蝕長度的影響（20”管道）

由圖3和圖4中可知，若管道的內腐蝕深度相同，缺陷區域管道的能承受的極限內壓隨著管道缺陷長度的增大而逐漸減小，而且隨著腐蝕長度的增加，極限內壓的下降趨勢也在慢慢減小。但當腐蝕缺陷長度增大到500mm之后，內腐蝕缺陷的長度對管道承受的極限內壓的影響速率放緩。同時，隨著內腐蝕缺陷深度的增加，極限內壓下降速率變快。同時壁厚保持不變，隨管道外徑增大，管道承受極限內壓會有所減小。腐蝕寬度是以角度來確定的，管徑的增大必然會帶動腐蝕寬度的變化，即24”管道實際寬度值比20”管道的實際寬度值要大，所以相同的腐蝕參數下24”管道的極限內壓更小；

圖4 內腐蝕長度的影響（24"管道）

（2）外腐蝕管道的極限內壓研究

圖5為24”管道（d=4 mm、L=200mm、限拉伸強度bσ=390MPa）腐蝕區域的應力分布云圖，選取壁厚方向由內到外三點，查看該載荷步下三點的應力情況，如圖6所示。

圖5 外腐蝕區域應力云圖

圖6 外腐蝕三點的等效應力情況

由圖6可知，隨著施加內壓載荷的增加，外腐蝕缺陷管道對應的應力變化趨勢與內腐蝕缺陷管道相同。針對不同外腐蝕深度下，進行不同外腐蝕缺陷長度對管道極限內壓的影響的限元分析，結果如圖7、圖8所示。

圖7 外腐蝕長度的影響（20”管道）

圖8 外腐蝕長度的影響（24”管道）

對比分析內/外腐蝕對極限內壓的影響可知，外腐蝕與內腐蝕影響趨勢相同，在一定范圍內，腐蝕長度越大，對管道極限內壓的影響也會越大，但是超過500 mm后，腐蝕長度的影響就不再明顯。本次探究腐蝕長度對極限內壓影響規律中，內外腐蝕缺陷管道的極限內壓相差較小，外腐蝕缺陷的管道極限內壓比內腐蝕的稍小，說明管道外腐蝕缺陷比內腐蝕缺陷稍危險。

1.2 腐蝕缺陷徑向尺寸對極限內壓的影響

參數設置，腐蝕缺陷長度L分別取100mm、250mm、400mm，針對每個腐蝕缺陷長度值，分別研究腐蝕深度d為2～6mm（間隔1mm），腐蝕寬度W均為6°。

（1）內腐蝕管道的極限內壓研究

圖9、圖10為內腐蝕徑向深度的影響，腐蝕缺陷管道徑向深度對管道極限內壓影響較大，在相同的內腐蝕缺陷長度下，缺陷管道所能承受的極限內壓隨著腐蝕徑向長度的增加而迅速下降。且隨著內腐蝕缺陷長度的增大，管道極限內壓曲線的斜率也明顯增大，但斜率并不是一直增大，當達到一定腐蝕長度后，極限內壓下降趨勢變化不大。這一分析結果表明，當腐蝕區域軸向長度到達某一特定值后，管道上腐蝕缺陷的徑向深度是影響腐蝕缺陷管道所能承受的極限內壓的一個重要影響因素；

圖9 內腐蝕徑向深度影響（20"管道）

圖10 內腐蝕徑向深度影響（24"管道）

（2） 外腐蝕管道的極限內壓研究

外腐蝕與內腐蝕分析采用相同的管徑、壁厚以及腐蝕缺陷工況。外腐蝕對極限內壓的影響如圖11、圖12所示。

圖11 外腐蝕徑向深度影響（20”管道）

圖12 外腐蝕徑向深度影響（24"管道）

由圖11、圖12可以看出，外腐蝕缺陷徑向深度對管道的極限內壓的影響趨勢與內腐蝕相似。腐蝕管道的極限內壓隨腐蝕徑向深度增加而下降，且該種下降并沒有衰減平穩的趨勢，因為隨著腐蝕深度的增加，管道壁厚逐漸減小，管道極限內壓也會急劇減小，極限情況為腐蝕深度與壁厚一樣徹底洞穿管道，管道破裂，極限內壓降為0。外腐蝕缺陷長度對分析曲線的斜率的影響同內腐蝕，當達到一定的外腐蝕長度值時，腐蝕深度成為影響管道能承受的極限內壓的一個重要因素。同時無論外腐蝕還是內腐蝕，隨著管道腐蝕徑向深度的增大，管道能承受的極限內壓呈現線性減小的趨勢，影響明顯且沒有隨著腐蝕徑向深度的增加而衰減。本次分析腐蝕深度對管道極限內壓影響規律中，外腐蝕缺陷的管道極限內壓比相同腐蝕參數的內腐蝕稍小，即管道外腐蝕稍危險，應予以注意。

1.3 腐蝕缺陷環向尺寸對極限內壓的影響

參數設置，缺陷深度d為2mm、3mm、4mm，對應每種腐蝕徑向深度工況，選擇環向腐蝕寬度W為10°、30°、50°、80°、110°、140°、180°，腐蝕長度均為200 mm。

（1）內腐蝕管道的極限內壓研究

腐蝕缺陷管道極限內壓在各腐蝕缺陷深度工況下，隨著腐蝕寬度的增加而產生的變化如圖13、圖14所示。

圖13 內腐蝕環向尺寸影響（20”管道）

圖14 內腐蝕環向尺寸影響（24"管道）

由圖13、圖14可知，腐蝕缺陷環向尺寸（寬度）對管道極限內壓的影響不明顯，不同腐蝕深度下，寬度的變化對腐蝕管道極限內壓的影響不同。d=2mm時，寬度的變化對腐蝕管道極限內壓的影響很小，d=4mm時，寬度在5～80°時對腐蝕管道極限內壓的影響相對明顯。當內腐蝕環向尺寸（寬度）超過110°后，再增加環向尺寸已幾乎不會影響腐蝕管道極限內壓。相比腐蝕深度、腐蝕長度對管道極限內壓較為明顯的影響，腐蝕寬度對管道極限內壓的影響是微弱的；

（2）外腐蝕管道的極限內壓研究

外腐蝕分析時采用與內腐蝕相同的管徑、壁厚以及腐蝕工況參數。外腐蝕下條件下，極限內壓變化情況如圖15、圖16所示。

圖15 外腐蝕環向尺寸影響（20”管道）

圖16 外腐蝕環向尺寸影響（24”管道）

由圖15、圖16可知，外腐蝕環向尺寸（寬度）的變化對管道極限內壓的影響趨勢與內腐蝕相似，相同工況下，內外腐蝕對應的管道極限內壓數值也接近相同。因此，相對腐蝕長度、腐蝕深度對管道極限內壓更為直接的影響，腐蝕寬度對管道極限內壓的影響相對微弱。

2 結語

本文以LNG接收站埋地管道為背景，提出基于有限元分析的管道極限內壓評估方法，考慮了管道內腐蝕和外腐蝕兩種情況，進行大量有限元數值模擬計算及對比分析，得出以下結論：

（1）在分析腐蝕管道極限內壓時，管道腐蝕缺陷的軸向尺寸是一個重要參數。腐蝕深度相同的前提下，內腐蝕與外腐蝕情況相同，管道腐蝕缺陷長度越大，管道極限內壓越小，隨著缺陷軸向尺寸增加，極限內壓變化逐漸平緩。且腐蝕深度小，軸向尺寸影響較小，反之亦然；

（2）腐蝕缺陷的徑向長度（腐蝕深度）對腐蝕管道極限內壓的影響最為明顯。外腐蝕缺陷的管道極限內壓比相同腐蝕參數的內腐蝕稍小，即管道外腐蝕更為危險。徑向長度越大，管道極限內壓越小，當長度達到一定值以后，腐蝕管道極限內壓則主要受腐蝕深度的影響；

（3）腐蝕缺陷環向尺寸（腐蝕寬度）影響較為微弱。當腐蝕徑向長度較大（腐蝕較深）時，腐蝕寬度變化的影響相對明顯。因此在進行管道腐蝕缺陷失效分析時，對于深度腐蝕，應適當考慮腐蝕寬度的影響；

（4）相同條件下，外腐蝕比內腐蝕影響更大。在研究腐蝕缺陷軸向長度對管道極限內壓的影響時，提取了管道臨近腐蝕區極限拉伸強度 bσ，同一徑向的內壁面點、中間點、外壁面點的應力大小，發現無論內腐蝕，還是外腐蝕都是外壁面點所受應力最大，內壁面點所受應力最小，即管道腐蝕區外壁面最先達到失效。從對比軸向、徑向、環向尺寸對管道極限內壓的影響來看，外腐蝕下的管道極限內壓要比內腐蝕下的管道內壓稍微小一些，由于環向尺寸對管道極限內壓影響較小，所以在環向尺寸上內外腐蝕的微弱差距不是很明顯，這也說明，在相同的管道腐蝕尺寸下外腐蝕比內腐蝕更危險。