不同尺寸雙點(diǎn)蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度分析

崔銘偉，封子艷，韓建紅，曹學(xué)文

不同尺寸雙點(diǎn)蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度分析

崔銘偉1，封子艷1，韓建紅1，曹學(xué)文2

（1．陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安710075；2．中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)和建筑工程學(xué)院，山東青島266580）

現(xiàn)有的雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)規(guī)范大多以軸向均勻腐蝕為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)雙點(diǎn)蝕缺陷管道時(shí)結(jié)果偏保守，導(dǎo)致管材浪費(fèi)嚴(yán)重。利用非線性有限元分析方法，對(duì)含有交互影響雙點(diǎn)蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，驗(yàn)證了分析方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，研究軸向間距對(duì)帶有不同尺寸雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力的影響。分析表明：不同尺寸雙點(diǎn)蝕缺陷，可將ls作為交互影響的臨界間距，超過(guò)此間距，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用可以忽略；由于腐蝕坑形狀系數(shù)n的不同，相比直徑差距，雙點(diǎn)蝕缺陷深度差距對(duì)缺陷管道失效壓力的影響明顯增加；在雙點(diǎn)蝕缺陷交互作用區(qū)間0＜ld＜ls，雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化。

管道腐蝕；剩余強(qiáng)度；分析

國(guó)內(nèi)油氣集輸管線的腐蝕問(wèn)題非常突出，局部腐蝕數(shù)量比全面腐蝕要大得多。油氣集輸管線外部長(zhǎng)期受到土壤介質(zhì)、雜散電流的腐蝕，內(nèi)部受到含有H2S、CO2、Cl－等腐蝕性介質(zhì)的油、氣、水的侵蝕，極易發(fā)生以點(diǎn)蝕為代表的局部腐蝕，而且油氣集輸管線中的腐蝕大都由多個(gè)點(diǎn)蝕群組成，多個(gè)獨(dú)立點(diǎn)蝕構(gòu)成點(diǎn)蝕群，點(diǎn)蝕群中各個(gè)點(diǎn)蝕之間，點(diǎn)蝕群與點(diǎn)蝕群之間均會(huì)發(fā)生相互作用，從而影響腐蝕管道的破壞模式和極限內(nèi)壓載荷。如圖1所示。

針對(duì)點(diǎn)蝕群的相互作用機(jī)理，2001年，Coulson［1，2］等首次得出腐蝕缺陷之間的相互作用與點(diǎn)蝕的直徑、點(diǎn)蝕深度和點(diǎn)蝕間距等參數(shù)密切相關(guān)，并提出相互作用準(zhǔn)則；2006—2007年，Benjamin和Andrade等人［3-5］對(duì)雙點(diǎn)蝕缺陷和多點(diǎn)群腐蝕管道開(kāi)展一系列的爆破試驗(yàn)和非線性有限元分析，結(jié)論是將多點(diǎn)腐蝕簡(jiǎn)化考慮成單點(diǎn)腐蝕進(jìn)行評(píng)估，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守。2007年，Silva［6，7］等采用非線性有限元方法研究了腐蝕之間的相互作用規(guī)律，結(jié)果表明該方法可以很好預(yù)測(cè)多點(diǎn)腐蝕管道的極限內(nèi)壓荷載。董事?tīng)枺?］等于2005年采用非線性有限元法對(duì)不同剩余壁厚、不同內(nèi)壓和不同點(diǎn)蝕間距管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)管道剩余壁厚對(duì)點(diǎn)蝕之間的相互作用也有較大的影響。研究人員提出了一些雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用準(zhǔn)則，但這些準(zhǔn)則各不相同，大多為定性分析，甚至相互矛盾，其可靠性有待進(jìn)一步研究，還無(wú)法上升為規(guī)范并指導(dǎo)雙點(diǎn)蝕缺陷或點(diǎn)蝕群管道失效壓力的計(jì)算。

文獻(xiàn)［9］列舉了目前通用的管道缺陷評(píng)價(jià)方法，例如：腐蝕缺陷評(píng)價(jià)規(guī)范DNV-RP-F101［10，11］、修正的B31G規(guī)范［12-15］以及RSTRENG規(guī)范［14］；溝槽缺陷評(píng)價(jià)方法NG-18方程［16］、BS7910［17］、API579［18］；裂紋評(píng)價(jià)方法BS 7910（or API 579）等大都是以均勻的具有規(guī)則長(zhǎng)寬深的單腐蝕為研究對(duì)象，只有DNV-RP-F101評(píng)價(jià)方法考慮了相鄰均勻腐蝕之間的相互作用，得出的結(jié)果還非常保守。目前世界上還沒(méi)有一套適用點(diǎn)蝕油氣管道失效壓力的評(píng)價(jià)方法，更沒(méi)有適應(yīng)雙點(diǎn)蝕缺陷或者點(diǎn)蝕群的油氣管道失效壓力計(jì)算方法。因此，繼續(xù)開(kāi)展相鄰點(diǎn)蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)工作顯得十分必要［9］。

1　非線性有限元分析可靠性驗(yàn)證

1．1 失效準(zhǔn)則

失效準(zhǔn)則是評(píng)判失效的依據(jù)，它依失效模式而定，目前應(yīng)用比較廣泛的有兩種準(zhǔn)則：

1） 基于彈性失效的準(zhǔn)則［20，22］。即腐蝕區(qū)的等效應(yīng)力達(dá)到管材的屈服強(qiáng)度時(shí)，認(rèn)為管道失效。

2） 基于塑性失效的準(zhǔn)則［21-22］。即腐蝕區(qū)最小等效應(yīng)力（筆者采用Von Mises等效應(yīng)力）達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度σb時(shí)，管道發(fā)生失效。

油氣管道材料有較好的韌性，采用基于彈性失效的準(zhǔn)則將出現(xiàn)過(guò)大的保守性，因此采用基于塑性失效的準(zhǔn)則。在三維主應(yīng)力空間，Von Mises條件表示為：

式中：σv為Von Mises等效應(yīng)力，MPa；［σ］為許用應(yīng)力，MPa。

1．2 非線性有限元分析試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)文獻(xiàn)［23］中群腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用非線性有限元法預(yù)測(cè)失效壓力，計(jì)算結(jié)果與誤差如表1所示，表1“腐蝕類型”欄中黑白圖標(biāo)分別表示試驗(yàn)中的兩個(gè)腐蝕缺陷。從表1可以看出，計(jì)算誤差均較小，保持在4%以內(nèi)，絕大部分誤差保持在1%以內(nèi)，說(shuō)明應(yīng)用非線性有限元法研究群腐蝕管道失效壓力的計(jì)算方法是可行的。

表1　群腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

2　研究管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

X65管線鋼的性能數(shù)據(jù)如表2。

表2　X65管線鋼性能參數(shù)

假設(shè)X65管線鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合冪硬化應(yīng)力-應(yīng)變法則，其表達(dá)式為：

其中

式中：ε為不同內(nèi)壓荷載下的管道應(yīng)變；ε0為初始應(yīng)變；σ為不同內(nèi)壓荷載下的管道應(yīng)力，MPa；σs為屈服強(qiáng)度，MPa；E為彈性模量，MPa；α為硬化系數(shù)；n為冪硬化指數(shù)。

如不做特殊說(shuō)明，研究將采用DNV腐蝕評(píng)價(jià)規(guī)范中的腐蝕長(zhǎng)度、腐蝕軸向間距的計(jì)量方式，即選定單位長(zhǎng)度ls作為腐蝕軸向間距的計(jì)量值，l，式中：D為管道外徑，mm；t為管壁厚度，mm。表3列出了論文采用非線性有限元分析的部分?jǐn)?shù)據(jù)，包括管道雙點(diǎn)蝕缺陷的參數(shù)和數(shù)值仿真得到的失效壓力，表中管材為X65，表3中l(wèi)d表示軸向間距，mm。

表3　雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用分析案例

3　計(jì)算結(jié)果分析

3．1 不同直徑雙點(diǎn)蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度分析

圖2～4分別表示點(diǎn)蝕深度系數(shù)為0．5，點(diǎn)蝕半徑不同的雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效應(yīng)力云圖，該數(shù)據(jù)源自表3中的1～30號(hào)數(shù)據(jù)。從圖2～4可以看出，隨著雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷之間的相互作用越來(lái)越弱，當(dāng)軸向腐蝕間距l(xiāng)d＞ls，軸向腐蝕相互影響已經(jīng)非常微弱；隨著小點(diǎn)蝕半徑的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用的軸向臨界間距有逐漸增大的跡象，但雙點(diǎn)蝕缺陷交互作用范圍均未超過(guò)ls；點(diǎn)蝕深度系數(shù)為0．5，點(diǎn)蝕半徑不同的雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效點(diǎn)更多的分布在小點(diǎn)蝕附近，這與通常認(rèn)為的雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在失效壓力較小的點(diǎn)蝕附近不同，原因主要與文獻(xiàn)［23-24］研究雙點(diǎn)蝕缺陷管道所采用的球底柱形點(diǎn)蝕形貌有關(guān)，應(yīng)力更容易在小半徑球底柱形點(diǎn)蝕附近集中。

圖2　R1＝11．28 mm，R2＝2．82 mm雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效應(yīng)力云圖

圖3　R1＝11．28 mm，R2＝4．51 mm雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效應(yīng)力云圖

圖4　R1＝11．28 mm，R2＝6．77 mm雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效應(yīng)力云圖

圖5～7分別表示點(diǎn)蝕深度系數(shù)為0．5，點(diǎn)蝕半徑不同的雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓載荷的變化，該數(shù)據(jù)源自表3中的1～30號(hào)數(shù)據(jù)。從圖5a、圖6a、圖7a可以看出，隨著雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距的增加雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用減弱；隨著小點(diǎn)蝕半徑的增加，遠(yuǎn)端管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力不發(fā)生變化的點(diǎn)蝕間距越來(lái)越小，小點(diǎn)蝕半徑分別為2．82、4．51、6．77 mm的管道管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力不發(fā)生變化的軸向間距分別為：0．7ls、0．5ls、0．5ls。

從圖5b、圖6b、圖7b可以看出，隨著雙點(diǎn)蝕缺陷間距的逐漸增加，缺陷管道失效壓力逐漸有規(guī)律的增加，直到雙點(diǎn)蝕缺陷交互影響消失；隨著雙點(diǎn)蝕直徑差距的變大，缺陷管道失效壓力變化不大。

圖5　R1＝11．28 mm，R2＝2．82 mm雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓力的變化

圖6　R1＝11．28 mm，R2＝4．51 mm雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓力的變化

圖7　R1＝11．28 mm，R2＝6．77 mm雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓荷載的變化

綜上所述，可以將ls作為雙點(diǎn)蝕缺陷交互影響的臨界間距，超過(guò)此間距，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用可以忽略；雙點(diǎn)蝕直徑差距對(duì)缺陷管道失效點(diǎn)等效應(yīng)力的影響較小，因此對(duì)其失效壓力的影響也就不明顯。

圖8所示不同直徑雙點(diǎn)蝕缺陷失效壓力變化曲線，數(shù)據(jù)源自表3中的1～30號(hào)數(shù)據(jù)。從圖8可以看出，當(dāng)雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距較小時(shí)，即ld＜0．1ls時(shí)，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用非常明顯；當(dāng)ld達(dá)到0．5ls后，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用已經(jīng)不明顯，但從對(duì)圖2～圖7的分析，以及評(píng)價(jià)的安全性，仍需將0＜ld＜ls作為不同直徑雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用區(qū)間。從圖8可以看出，在此區(qū)間內(nèi)雙腐蝕管道失效壓力隨軸向間距呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖8　不同直徑雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距的變化

3．2 不同深度雙點(diǎn)蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度分析

圖9～10分別表示點(diǎn)蝕半徑為6．77 mm，點(diǎn)蝕深度系數(shù)不同的雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效應(yīng)力云圖，數(shù)據(jù)源自表3中的31～70號(hào)數(shù)據(jù)。從圖9～10可以看出，隨著淺點(diǎn)蝕深度的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用的軸向臨界間距有逐漸增大的跡象；點(diǎn)蝕半徑為6．77 mm，點(diǎn)蝕深度系數(shù)不同的雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效點(diǎn)分布在深點(diǎn)蝕附近，這與通常的認(rèn)識(shí)一致。

圖9　d1＝0．3 t，d2＝0．7 t雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效應(yīng)力云圖

圖10　d1＝0．5 t，d2＝0．7 t雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效應(yīng)力云圖

圖11～12分別表示點(diǎn)蝕半徑為6．77 mm，點(diǎn)蝕深度系數(shù)不同的雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓載荷的變化，數(shù)據(jù)源自表3中的31～70號(hào)數(shù)據(jù)。從圖11a、圖12a可以看出，隨著雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用減弱；隨著淺點(diǎn)蝕深度系數(shù)的增加，遠(yuǎn)端管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力不發(fā)生變化的點(diǎn)蝕間距越來(lái)越大，淺點(diǎn)蝕深度系數(shù)分別為0．3、0．5的管道管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力不發(fā)生變化的軸向間距分別為：0．1ls、0．5ls。

從圖11 b、圖12b可以看出，缺陷管道失效壓力隨雙點(diǎn)蝕缺陷間距的變化與圖5b、圖6b、圖7b相似；隨著雙點(diǎn)蝕缺陷深度差距的變大，缺陷管道失效壓力逐漸變小。

綜上所述，可以知道，相比不同雙點(diǎn)蝕缺陷直徑，不同雙點(diǎn)蝕缺陷深度對(duì)缺陷管道失效壓力的影響更大，這主要與文獻(xiàn)［24］中所描述的腐蝕缺陷形貌有關(guān)，尤其與腐蝕坑形狀系數(shù)n有關(guān)，詳細(xì)分析可參考文獻(xiàn)［23］。

圖11　d1＝0．3 t，d2＝0．7 t雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓力的變化

圖12　d1＝0．5 t，d2＝0．7 t雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓力的變化

圖13中的數(shù)據(jù)源自表3中的31～70號(hào)數(shù)據(jù)。從圖13可以看出，仍可將0＜ld＜ls作為不同深度雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)雙腐蝕管道失效壓力隨軸向間距呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖13　不同深度雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距的變化

4　結(jié)論

1） 采用基于塑性失效準(zhǔn)則的三維非線性有限元法研究雙軸向腐蝕管道剩余強(qiáng)度，可以得到可靠的研究結(jié)果。

2） 針對(duì)不同直徑、不同深度雙點(diǎn)蝕缺陷，可將ls作為雙點(diǎn)蝕缺陷交互影響的臨界間距，超過(guò)此間距，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用可以忽略。

3） 由于腐蝕坑形狀系數(shù)n的不同，相比雙點(diǎn)蝕缺陷直徑差距，雙點(diǎn)蝕缺陷深度差距對(duì)缺陷管道失效壓力的影響明顯增加。

4） 在雙點(diǎn)蝕缺陷交互作用區(qū)間0＜ld＜ls，雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化。

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Remaining Strength of Pipeline with Different Size Double Pitting Corrosion Defects

CUI Mingwei1，F(xiàn)ENG Ziyan1，HAN Jianhong1，CAO Xuewen2
（1．Research Institute，Shaanxi Yanchang Petroleum（Group）Company Limited，Xi’an 710075，China；2．College of Pipeline and Ciuil Engineering，China Uniuersity of Petroleum，Qingdao 266580，China）

The evaluation specifications of pipeline with double corrosion defects makes axial uniform corrosion as the research object，mostly the conservative results on double pipeline pitting defects，leading to serious pipe material waste．Using nonlinear finite element analysis method，to analyze the residual strength of pipeline with double pitting defects，and compared with the experimental data，the reliability analysis method was verified．On this basis，studying the impact of the axial spacing on failure pressure of pipeline with different size double pitting corrosion defect，the analysis shows lscan be as critical spacing of pitting corrosion defect interaction for different size double pitting defects，more than this distance，double pitting corrosion defect interaction can be ignored；Compared with the two pitting corrosion defect diameter difference，double pitting corrosion defect depth gap has greater influence on pipeline failure stress，because of the difference of corrosion pit shape factor n；The changing of double pitting defects pipeline failure stress is a logarithmic function with axial spacing within the range of 0＜ld＜lswhich is the interaction interval．

pipeline corrosion；residual strength；analysis

TE973．1

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．02．004

1001-3482（2015）02-0014-08

2014-08-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“音速噴嘴中氣液兩相流臨界分配特性及相分離控制理論”（51006123）資助

崔銘偉（1983-），男，山東膠南人，博士，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），現(xiàn)從事油氣田地面集輸技術(shù)研究，E-mail：cuimingwei1＠163．com。