沖擊載荷下含腐蝕缺陷的海底管道損傷分析

基金項目：陜西省自然科學基礎研究計劃“墜物沖擊下在役水下管匯競爭失效機理及剩余壽命預測研究”（2022JM-213）;陜西省自然科學重點研發計劃“基于數字孿生的抽油機井系統關鍵技術研究與原型系統研發”（2023-YBGY-068）;西安石油大學研究生創新與實踐能力培養項目“沖擊載荷下腐蝕性海底油氣管道的剩余壽命預測”（YCS22214262）。

針對海底油氣管道因沖擊和腐蝕易造成管道損傷破壞的問題，基于耦合歐拉-拉格朗日算法（CEL）建立墜物-腐蝕管道-海床土體沖擊有限元模型，分析了墜物質量、速度、埋深和腐蝕深度對含腐蝕缺陷管道損傷的影響，并與未腐蝕的完整管道進行了對比。以此為基礎，分析了內壓和腐蝕深度對撞擊后的腐蝕管道應力的影響規律。研究結果表明：含腐蝕缺陷管道受沖擊損傷程度均大于完整管道，同等撞擊速度、質量和埋深下，沖擊損傷值最大分別相差68.6%、14.3%和194.7%；撞擊后的腐蝕管道和完整管道最大等效應力均隨內壓增加而增大，同等內壓等效應力值最大相差50.4%；同等腐蝕深度下，未撞擊腐蝕管道和撞擊后腐蝕管道等效應力值最大相差11.7%。這表明海底油氣管道沖擊損傷分析應考慮腐蝕缺陷的影響。研究方法及結果可為海底油氣管道沖擊損傷分析與評價提供參考。

海底管道；腐蝕管道；沖擊載荷；沖擊損傷；管道損傷；有限元模型

TE988

A

009

Damage Analysis of Submarine Pipelines with

Corrosion Defects Under Impact Load

Ren Tao Zheng Jilin Zeng Wei Liu Qiang

（Mechanical Engineering College，Xi’an Shiyou University）

Considering that submarine oil and gas pipelines are susceptible to damage and destruction caused by impact and corrosion，based on the Coupled Euler-Lagrange （CEL） algorithm，a finite element model of falling object-corroded pipeline-seabed soil impact was built to analyze the influence of falling object mass，velocity，buried depth and corrosion depth on the damage of pipeline containing corrosion defects，and a comparison was made with uncorroded intact pipelines. Then，the influence of internal pressure and corrosion depth on the stress of corroded pipelines after impact was analyzed. The results show that the impact damage values of pipelines with corrosion defects are greater than that of intact pipelines. Under the same impact speed，mass and buried depth，the maximum difference in impact damage values is 68.6%，14.3% and 194.7% respectively. The maximum equivalent stress of corroded pipeline and intact pipeline after impact increases with the increase of internal pressure，and the maximum difference in equivalent stress value of the same internal pressure is 50.4%. At the same corrosion depth，the maximum difference in equivalent stress value of non-impacted corroded pipelines and impacted corroded pipelines is 11.7%. This indicates that corrosion defects should be considered when conducting impact damage analysis of submarine oil and gas pipelines. The research method and results provide reference for the impact damage analysis and evaluation of submarine oil and gas pipelines.

submarine pipeline; corroded pipeline; impact load; impact damage; pipeline damage; finite element model

0 引 言

海底油氣管道服役過程中，不但受到因海水、油氣介質等產生的腐蝕作用，而且容易受到墜物、漁網拖掛等沖擊載荷影響，導致其工況較為惡劣^［1］。據統計，因腐蝕導致的管壁變薄甚至破裂^［2］和墜物撞擊海底管道導致管壁產生凹痕或裂縫是我國海底管道發生失效的主要原因^［3］。

為得到不同沖擊條件下海底管道的沖擊損傷，DNV規范給出了管道受墜物撞擊后所產生凹痕深度的經驗公式^［4］。P.E.CHARLES^［5］及M.ZEINODDINI等^［6］對海底管道沖擊損傷破壞的經驗公式進行了分析，但對沖擊過程過于簡化，導致分析結果不夠精準。李效民等^［7］采用三維非線性動態有限元法分析了不同撞擊能量下裸置海底管道受墜物撞擊的凹坑損傷變化規律。TIAN Y.H.等^［8］開展了考慮海床土體影響的海底管道墜物沖擊損傷評估。姜逢源等^［9］通過建立墜落物-管道-海床土體的有限元模型，開展了海底管道受墜物沖擊的損傷分析。上述研究均以完整管道為研究對象，沒有考慮腐蝕對管道沖擊損傷的影響。針對腐蝕管道，T.A.NETTO等^［10］通過內壓爆破試驗及非線性數值分析，研究了腐蝕幾何尺寸及材料特性對腐蝕管道極限內壓承載能力的影響。H.M.MOHD等^［11］研究了內壓和彎矩共同作用下腐蝕海底管道的剩余強度特性，建立了不同腐蝕損傷下海底管道內壓與彎矩的極限強度相互作用關系。于桂杰等^［12］通過建立海底管道內腐蝕有限元模型，開展對管道腐蝕剩余強度評價方法研究，分析了在無外部載荷工況下均勻腐蝕坑長度、寬度和深度對管道強度的影響。熊春寶等^［13］研究了具有雙腐蝕缺陷的海底管道的失效壓力變化規律。謝鵬等^［14］建立了橢圓度+腐蝕缺陷海底管道模型，分析了不同橢圓度以及內腐蝕缺陷長度、寬度和深度對管道壓潰壓力和壓潰模式的影響。

綜上，在以往海底油氣管道的沖擊損傷研究中，主要是以完整管道為研究對象，分析沖擊速度、質量及埋深等參數對沖擊損傷的影響，能夠為海底油氣管道鋪設與維護提供參考。而實際工程中，管道在長期的油氣輸送后出現腐蝕的現象客觀存在，會導致海底管道強度下降，而目前對于管道沖擊損傷的研究幾乎沒有考慮腐蝕對海底管道的影響，一定程度上影響了沖擊損傷分析的準確度。針對該問題，本文開展了沖擊載荷下含腐蝕缺陷的海底管道損傷分析，得到含腐蝕管道在不同沖擊條件下的損傷規律，以期為海底油氣管道的維護與壽命設計等提供參考。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型及材料參數

海底管道作為海上經濟可靠的油氣運輸方式（見圖1），其表面涂敷一層混凝土配重層，當管道受到落物沖擊載荷時可發揮一定的保護作用。這海底管道外徑D=0.400 m，壁厚t=0.012 7 m。管道材料為X65鋼，其應力應變關系使用雙線性各向同性強化模型進行描述，如表1所示。根據圣維南原理，在管道跨中產生D/2的準靜態塑性變形時，管道兩端節點垂向位移幾乎為0^［15］，確定管道長度L=20D。

考慮海底管道腐蝕工況，由于管道腐蝕過程隨機且復雜，實際海底管道腐蝕缺陷多為不規則的幾何形狀，為簡化計算，工程中的腐蝕缺陷通常可簡化為矩形腐蝕缺陷^［16］。建立如圖2所示的含有腐蝕缺陷的海底管道模型，腐蝕深度為d=4 mm，長度為L=200 mm，寬度為C=50 mm。

海底管道的混凝土配重層由鋼筋和混凝土構成，鋼筋采用應力-應變強化的二折線模型，無剛度退化。這里縱筋為HRB335鋼筋，屈服強度為335 MPa；箍筋為HPB235鋼筋，屈服強度為235 MPa，泊松比均為0.3。混凝土的本構關系采用《混凝土結構設計規范》中的單軸受壓應力-應變曲線和單軸受拉應力-應變曲線^［17］。混凝土厚度為40 mm，以C25混凝土材料為例，混凝土相關材料參數見表2。

選用球體形狀來模擬墜物，其材料特性為：密度7 850 kg/m³、彈性模量210 GPa、泊松比0.3。將附加水質量以密度的形式加到墜物上，計算得出其等效密度為8 875 kg/m³。海床選取Mohr-Coulomb （MC）模型來描述土體的本構關系。海床的材料參數如表3所示。為消除邊界對計算結果的影響，土體模型選取長為20D，寬為20D，高為10D。

1.2 有限元模型建立

含腐蝕缺陷管道在墜物沖擊過程中涉及到土體的大變形，為避免因出現嚴重的網格畸變而造成的數值不穩定，這里采用CEL構建海底管道碰撞模型，以避免出現顯式算法不收斂的問題，從而保證計算結果的準確性和高效性^［18］。更進一步地，考慮結構對稱性，為節約計算成本，采用1/2模型簡化計算。模型中海底管道、墜物和混凝土采用C3D8R實體單元模擬，鋼筋箍采用T3D2桁架單元，海床土體采用歐拉單元EC3D8R模擬；墜物撞擊點位于管道模型的跨中頂端位置，假設墜物剛好撞擊到管道腐蝕缺陷處。單元網格劃分時對管道跨中區域及管土接觸部分進行了適當的網格加密，實現模型計算精度與時間成本的均衡。腐蝕管道末端完全固定約束，海床上表面自由不定義約束，其下表面完全固定約束，側面約束其軸向位移。墜物與管道、海床之間接觸的摩擦因數均為0.35。鋼筋混凝土模型采用分離式模型，其能夠充分考慮鋼筋和混凝土之間的黏結和滑移作用。

根據DNV規范，墜物在靜水中墜落一段距離后其速度將會達到一個固定值，墜物在海水中的最終速度可由力學平衡方程求得：

v_s=2m1-ρ_w/ρ_dg/Aρ_wC_d（1）

式中：g為重力加速度，m/s²；m為掉落物體質量，kg；A為掉落物體的擋水面積，m²；ρ_d為掉落物體密度，kg/m³；v_s為物體墜落臨界速度，m/s；ρ_w為海水密度，kg/m³；C_d為拖曳力系數。

同時墜物在水中下落過程中會受到水動力因素的影響，作用在墜物上而產生一個額外的附加質量。對此，采用等效密度的方法對其進行處理^［19］。

ρ_e=ρ_d1+ρ_wρ_dC_a（2）

式中：C_a為附加質量系數；ρ_e為等效密度，kg/m³。

最終，建立的海底腐蝕管道碰撞模型如圖3所示。

基于構建的海底腐蝕管道碰撞模型，當墜物質量為1 000 kg，埋深為0.4 m，速度為8 m/s時，得到墜物沖擊載荷下含腐蝕缺陷管道的計算結果，其等效應力云圖如圖4所示。由圖4可知，最大等效應力為479 MPa。

1.3 有限元模型驗證

為驗證有限元模型的準確性和可靠性，根據文獻［20］中墜物撞擊完整管道的有限元數值模擬結果，建立相同條件下墜物撞擊含腐蝕缺陷管道的有限元模型，并以最大等效應力變化規律為指標與文獻［20］模型進行對比分析，得到的對比結果如圖5所示。

分析圖5可知：管道頂部受到墜物沖擊，管道應力驟然上升，隨后管道回彈，應力開始下降；當管道趨于穩定之后，應力大小也逐漸趨于穩定，整個仿真過程符合實際的碰撞變化規律，驗證了模型的有效性。與文獻［20］相比，沖擊腐蝕管道的最大等效應力隨時間變化規律與其基本一致，并且沖擊腐蝕管道時，在腐蝕缺陷處會產生應力集中；管道趨于穩定后，腐蝕管道的最大等效應力要大于完整管道，進一步驗證了本文有限元模型的準確性和可靠性。

2 腐蝕管道受撞擊損傷分析

2.1 墜物撞擊腐蝕管道影響因素分析

海底管道受墜物撞擊損傷的影響因素有很多，這里主要研究墜落物速度及質量、海床埋深以及管道腐蝕深度等主要參數對海底管道損傷的影響，并以管道受墜物撞擊處的凹痕深度與管徑比δ/D作為衡量管道損傷指標。

2.1.1 撞擊速度對管道損傷的影響

由于海域水深和地形的差異，使得墜物在撞擊海底管道時速度不同。基于建立的有限元模型，用1 000 kg球體以不同的撞擊速度對埋深為0.4 m的含腐蝕缺陷管道進行撞擊分析，設置墜物速度v分別為8、9、10、11以及12 m/s，得到分析結果如圖6所示。為體現含腐蝕缺陷管道損傷的差異，采用完整管道在相同條件下進行對比，結果如圖7所示。

分析圖6可知，腐蝕管道在撞擊過程中，管道的凹陷逐漸增大，當達到最大值時，管道開始回彈并最終趨于穩定，管道的損傷程度隨著墜物沖擊速度的增加而增大。由圖7可知，含腐蝕管道和完整管道的損傷程度均隨沖擊速度的增加而增大，且與完整管道相比，含腐蝕缺陷管道的損傷程度更大，最大相差68.6%。

2.1.2 墜物質量對管道損傷的影響

為分析撞擊物質量對含腐蝕缺陷管道損傷的影響，以5 m/s的撞擊速度對埋深0.4 m的含腐蝕缺陷管道進行撞擊分析，設撞擊物質量分別為1 000、1 500、2 000、2 500和3 000 kg，得到不同撞擊質量下的沖擊損傷，并與同等條件下完整管道的損傷結果進行對比，結果如圖8所示。

由圖8可知，隨著墜物質量的不斷增加，含腐蝕管道和完整管道的損傷均不斷增大，并且增大的幅度呈非線性，與完整管道相比，含腐蝕缺陷管道的損傷程度更大，最大相差14.3%。由此可見，隨著墜物質量的增大，更多的能量在碰撞過程中傳遞給管道，導致管道的變形增大，且含腐蝕管道更容易損傷破壞。

2.1.3 海床埋深對管道損傷的影響

海底管道的埋深對于土體吸收墜物的撞擊能量尤為重要。如何確定管道的合理埋深是保證管道工程安全的關鍵問題。采用1 000 kg球體以8 m/s的撞擊速度對不同埋深的含腐蝕缺陷管道進行撞擊分析，設置埋深d分別為0.2、0.3、0.4、0.5以及0.6 m，并與同等條件下完整管道的損傷結果進行對比，得到損傷分析結果如圖9所示。

分析圖9可知：隨著管道埋深d的增加，土體吸收的沖擊能量增加，含腐蝕管道和完整管道的損傷明顯降低；對比完整管道，含腐蝕缺陷管道的損傷程度降低更加明顯，最大相差194.7%。當埋深為0.6 m時，管道基本不會發生損傷，因此確定安全埋深為0.6 m。顯然，增加埋深可以有效減少墜物對海底管道的破壞。

2.1.4 腐蝕深度對管道損傷的影響

服役年限直接影響海底管道的腐蝕程度，考慮腐蝕程度對沖擊損傷的影響，分析不同腐蝕深度下海底管道的沖擊損傷變化規律，采用1 000 kg球體以8 m/s的撞擊速度對埋深為0.4 m的不同腐蝕深度缺陷管道進行撞擊分析，結果如圖10所示。

由圖10可知，隨著管道腐蝕深度不斷增加，管道的損傷程度不斷加深，但由于沖擊過程對管道的損傷遠大于腐蝕，在撞擊過程中，墜物速度及質量、埋深對管道損傷程度的影響遠遠大于管道的腐蝕深度的影響。

2.2 撞擊后的腐蝕管道應力分析

2.2.1 管道內壓的影響

為研究撞擊后腐蝕管道的服役能力，以墜物撞擊腐蝕管道后的模擬結果為初始條件，對沖擊之后的腐蝕管道再進行顯式動力學分析。以5 mm腐蝕缺陷管道為例，在埋深為0.6 m的情況下，設管道內壓分別為6、8、10、12以及14 MPa，分析撞擊后含腐蝕缺陷管道的應力變化規律，并與同等條件下的完整管道進行對比，結果如圖11所示。

根據圖11分析結果，在彈性范圍內，隨著管道內壓的不斷增大，腐蝕管道和完整管道的最大等效應力均不斷增大；與完整管道相比，腐蝕管道最大等效應力增大程度大于完整管道，最大相差50.4%。這是由于在管道正常工作時，內壓直接作用于管道內壁，管道內壓在腐蝕缺陷處產生應力集中，使管道更容易發生破壞。

2.2.2 腐蝕深度的影響

海底管道的腐蝕加深會導致管道的壁厚局部區域變薄，直接影響管道的安全運行。為研究撞擊后腐蝕管道的腐蝕深度與應力的變化規律，在10 MPa內壓下，對比分析未撞擊腐蝕管道和撞擊后的腐蝕管道在不同腐蝕深度下的應力變化規律，結果如圖12所示。

由圖12可知，隨著腐蝕深度的增加，未撞擊腐蝕管道和撞擊后腐蝕管道的最大等效應力均不斷增大。對比未撞擊腐蝕管道，撞擊后腐蝕管道的最大等效應力增大程度大于未撞擊腐蝕管道的最大等效應力，最大相差11.7%。這是由于腐蝕管道在撞擊的過程中，已經對管道產生了一定的應力影響，所以，受過撞擊之后的腐蝕管道隨著腐蝕程度加深直接影響管道的承載能力，導致管道更容易發生破壞。

3 結 論

（1）與完整管道相比，含腐蝕缺陷管道受沖擊損傷程度更大，同等撞擊速度下管道損傷程度最大相差68.6%；同等撞擊質量下管道損傷程度最大相差14.3%，埋深影響最為顯著；同等埋深下管道損傷程度最大相差194.7%，腐蝕深度對管道沖擊損傷影響小于撞擊質量、速度及埋深等因素。

（2）撞擊后的腐蝕管道的最大等效應力隨管道內壓的增大而增大，與完整管道相比，最大等效應力增大程度最大相差50.4%，且最大等效應力集中在管道腐蝕區域處；相同內壓下，撞擊后腐蝕管道的最大等效應力隨管道腐蝕深度的加深而增大，與未撞擊的腐蝕管道相比，最大等效應力增大程度最大相差11.7%，撞擊后的腐蝕管道更容易發生失效破壞。

（3）根據上述分析結果，腐蝕缺陷對海底管道強度有直接影響，為保證分析結果的準確度，在管道的沖擊損傷分析中應該根據實際服役工況考慮管道的腐蝕情況。

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第一作者簡介：任濤，教授，生于1963年，碩士研究生導師，1990年畢業于西安交通大學機械學專業，獲碩士學位，現從事石油鉆采機械的教學與研究工作。地址：（710065）陜西省西安市。

通信作者：曾威，副教授。email：wzeng@xsyu.edu.cn。