基于隨機(jī)腐蝕分布的海底管道延壽評(píng)估方法

徐志剛

1中國(guó)石油大學(xué)（華東）2中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

基于隨機(jī)腐蝕分布的海底管道延壽評(píng)估方法

徐志剛1；2

1中國(guó)石油大學(xué)（華東）2中國(guó)石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

當(dāng)海底管道與海床間距大于管道直徑后，其下游尾跡的周期性開(kāi)始顯現(xiàn)，水動(dòng)力出現(xiàn)脈動(dòng)幅值，此時(shí)海管在脈動(dòng)水動(dòng)力作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)成為影響其安全性的重要因素。針對(duì)渤海灣淺灘海油田服役后期的海底管道，采用隨機(jī)腐蝕分布的有限元方法，改變海底管線(xiàn)端部約束條件及與海床間隙，根據(jù)載荷和應(yīng)力的連續(xù)性質(zhì)，考慮諸多不確定因素（海況、隨機(jī)腐蝕分布）的存在，將各類(lèi)不確定因素和服役后期海底管道疲勞壽命作隨機(jī)變量處理，得到各種不確定因素影響下的管道疲勞壽命，較合理地評(píng)估了服役后期海底管道在役狀態(tài)及延壽可行性。

海底輸油管道；隨機(jī)腐蝕；分布；模型；應(yīng)力計(jì)算

位于渤海灣的淺灘海油田經(jīng)過(guò)多年開(kāi)發(fā)，海底鋪設(shè)各類(lèi)管線(xiàn)300多公里，且大部分已運(yùn)行十幾年，逐漸接近設(shè)計(jì)壽命并進(jìn)入超期服役階段，這些復(fù)雜的海底管網(wǎng)肩負(fù)著油田原油外輸及油田注水的重要使命。該海域油田地理位置特殊，海域水深3～20 m，屬極淺海海域，波浪、潮流作用明顯。10～15m等深線(xiàn)為強(qiáng)流區(qū)，主流流速?gòu)?qiáng)，流向穩(wěn)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，呈明顯的不對(duì)稱(chēng)分布，有較強(qiáng)的沖刷能力[1]。另外該海域海底不穩(wěn)定，有些區(qū)域海底淤泥層厚度達(dá)到3m以上，存在相對(duì)滑移變遷的趨勢(shì)。這類(lèi)海底管道長(zhǎng)期處在惡劣的海洋環(huán)境中，受到不同海洋環(huán)境荷載的共同作用，不可避免地產(chǎn)生各種腐蝕、變形、裂紋、損傷甚至造成結(jié)構(gòu)破壞。因此，對(duì)于達(dá)到設(shè)計(jì)期限后擬進(jìn)入超期服役階段的海底管道，為滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的需要，對(duì)其結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行延壽安全評(píng)估是非常必要的。

1 模型假設(shè)

對(duì)于處于服役后期海管的建模，以往的有限元研究大多在確定位置之后，再確定形狀的缺陷。本文在給定位置處建立了四個(gè)相同尺寸的橢球形點(diǎn)腐蝕，通過(guò)對(duì)腐蝕處的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化后，模型可以較準(zhǔn)確地反映海管腐蝕中心處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為貼切而高效地描述海管的表面形貌和力學(xué)行為，將被腐蝕后的內(nèi)徑和外徑作為表征含海管腐蝕程度的主要變量，應(yīng)用隨機(jī)函數(shù)，建立具有一定統(tǒng)計(jì)參數(shù)的服役后期海管的模型[2]。對(duì)海管模型作以下假設(shè)：

（1）環(huán)向均勻單元假設(shè)。外徑沿管軸線(xiàn)方向隨機(jī)分布，但在同一單元內(nèi)，橫截面依然保持平面圓形，海管模型的復(fù)雜程度主要取決于有限元網(wǎng)格密度。

（2）水動(dòng)力學(xué)假設(shè)。海管的水動(dòng)力與表觀尺寸直接相關(guān)，海管腐蝕后外徑有所減小，因此水動(dòng)力載荷參數(shù)采用腐蝕后的平均外徑。

2 幾何模型

應(yīng)用隨機(jī)函數(shù)生成一系列具有一定均值和方差的偽隨機(jī)數(shù)，但生成的樣本中可能有超出完好海管壁厚的數(shù)據(jù)，所以需限定樣本極值。如可限定極小值為一半壁厚對(duì)應(yīng)的直徑，極大值為完好海底管道外徑，這樣生成的隨機(jī)數(shù)樣本就可用來(lái)創(chuàng)建服役后期海底管道的幾何模型了[3]。圖1顯示的是腐蝕隨機(jī)分布的海底管道表面形貌，虛線(xiàn)表示無(wú)缺陷的完好海底管道外徑邊緣，灰色區(qū)域表示含缺陷海底管道材料物質(zhì)的剩余部分。

圖1 隨機(jī)腐蝕分布的海底管道表面形貌

3 應(yīng)力計(jì)算方法與模態(tài)分析

腐蝕海底管道同樣受到浮重、水動(dòng)力的作用，由于表面出現(xiàn)小尺度的凹凸，這些地方會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，需進(jìn)行應(yīng)力修正[4]。根據(jù)Tipton(1996)對(duì)軸肩處應(yīng)力集中的有限元計(jì)算研究，采用其擬合的應(yīng)力集中系數(shù)公式計(jì)算名義應(yīng)力

其中σ1為名義應(yīng)力；σ1c為修正后的應(yīng)力；Kt,bend是應(yīng)力集中系數(shù)。

由于海底存在沖刷，海底管道平管段運(yùn)行多年后產(chǎn)生懸空。當(dāng)海底管道與海床間距大于管道直徑后，其下游尾跡的周期性開(kāi)始顯現(xiàn)，水動(dòng)力出現(xiàn)脈動(dòng)幅值，此時(shí)海管在脈動(dòng)水動(dòng)力作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)成為影響其安全性的重要因素。對(duì)于自由振動(dòng)的海管，其本征方程為

在流體中，結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)周?chē)牧黧w一起運(yùn)動(dòng)，所以結(jié)構(gòu)沿振動(dòng)方向受到的非定常阻力與其排開(kāi)流體的質(zhì)量有關(guān)，因此該阻力又稱(chēng)為附加質(zhì)量力，它會(huì)影響結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性。海管動(dòng)態(tài)失效行為的表現(xiàn)形式為疲勞失效，動(dòng)應(yīng)力則是用來(lái)考察疲勞失效的主要力學(xué)參數(shù)。采用三維有限元方法，考慮水動(dòng)力荷載、自重及隨機(jī)腐蝕對(duì)海底管道進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算。

將模態(tài)分析得到的升力脈動(dòng)幅值分布作為初始條件，采用中心差分格式和直接數(shù)值積分方法，進(jìn)行動(dòng)態(tài)位移和應(yīng)力計(jì)算。圖2為服役后期海底管道應(yīng)力軸向分布隨時(shí)間的變化，其軸向分布仍大致呈中間大、兩端小。但由于腐蝕的影響，應(yīng)力分布出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)的現(xiàn)象。對(duì)每一節(jié)點(diǎn)求計(jì)算時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的均方根，完好海底管道的最大值位于跨中位置，而服役后期海底管道的最大值則偏離跨中。

圖2 服役后期海底管道應(yīng)力軸向分布隨時(shí)間的變化

4 疲勞損傷壽命

用確定性的方法進(jìn)行疲勞分析，通常認(rèn)為結(jié)構(gòu)在疲勞壽命內(nèi)是承受單一的恒定幅值的交變載荷或多級(jí)的恒幅載荷作用，對(duì)于結(jié)構(gòu)受單一恒幅載荷作用的情況，簡(jiǎn)單的從S—N曲線(xiàn)就可得到疲勞壽命[5-6]。海底管道結(jié)構(gòu)所受的是多級(jí)恒幅載荷，例如計(jì)算出動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間歷程多為變幅值的應(yīng)力循環(huán)。將最大應(yīng)力的時(shí)程曲線(xiàn)作為疲勞載荷樣本，應(yīng)用線(xiàn)性累計(jì)損傷理論和S—N曲線(xiàn)，計(jì)算海底管道的疲勞壽命。在S—N曲線(xiàn)中，設(shè)置參數(shù)A為一個(gè)隨機(jī)變量，它反映了疲勞強(qiáng)度的不確定性。其次，在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)海況的描述、海底管道模型的簡(jiǎn)化、應(yīng)力分析等方面采取了種種基本假設(shè)，使得計(jì)算得到的應(yīng)力范圍與真實(shí)應(yīng)力范圍之間必然存在誤差，這種誤差是隨機(jī)的、不確定的，可用隨機(jī)變量來(lái)描述。計(jì)算出海底管道疲勞壽命后，可準(zhǔn)確、快速地評(píng)估其可靠度。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際工程，針對(duì)渤海灣淺灘海油田的服役后期海底管線(xiàn)，基于隨機(jī)腐蝕建立有限元模型，與海底管道的實(shí)際檢測(cè)狀態(tài)較為接近。該方法可以合理估算出海底管道的剩余壽命，為海底管道的延壽評(píng)估及工程運(yùn)行管理提供依據(jù)。

[1]ChenYanfei，LiXin，ZhouJing，etal．Studyoninteraction relationshipforsubmarinepipelinewithaxialcorrosiondefects[J]．ChinaOceanEngineering，2008，22（3)）：359-370.

[2]CarberryJr，SheridanJr，RockwellD．Forcesandwakemodes ofanoscillatingcylinder[J]．JournalofFluidsandStructures，2001，15（2）：523-532.

[3]DetNorskeVeritas．DNV-RP-F101Corrodedpipelines-RecommendedPractice[S]．Oslo：DNV，2010.

[4]DetNorskeVeritas．DNV-RP-C203Fatiguedesignofoffshoresteel structures-RecommendedPractice[S]．Oslo：DNV，2012.

[5]DetNorskeVeritas．DNV-RP-F105Freespanningpipelines-RecommendedPractice[S]．Oslo：DNV，2006.

[6]FurnesGK，BerntsenJ．Ontheresponseofafreespanpipeline subjectedtooceancurrents[J]．OceanEngineering，2002，30（9）：1553-1577.

13963352116、xuzhigang.osec@sinopec.com

（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.004

徐志剛：中國(guó)石油大學(xué)（華東）博士研究生，現(xiàn)為中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ笫凸こ獭?/p>