組合載荷下單缺陷腐蝕海底管道的安全分析

黃宇立,楊東全,路 平,李學(xué)勛

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海口 570228)

組合載荷下單缺陷腐蝕海底管道的安全分析

黃宇立,楊東全,路 平,李學(xué)勛

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，?？?570228)

采用許用應(yīng)力法對腐蝕海底管道的安全性進(jìn)行評估，并通過有限元模擬對組合載荷(內(nèi)壓與軸向壓應(yīng)力疊加作用)下單缺陷腐蝕海底管道進(jìn)行應(yīng)力分析，探討了影響管道峰值應(yīng)力的缺陷幾何參數(shù)的敏感性。結(jié)果表明：軸向壓應(yīng)力一定時(shí)，隨內(nèi)壓不斷增加,管道有效應(yīng)力呈先下降后上升的變化趨勢，進(jìn)入屈服穩(wěn)定階段后,有效應(yīng)力繼續(xù)增大，直至管道破壞。

腐蝕海底管道；腐蝕評估；有限元分析；極限內(nèi)壓

隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)利用，海底管道在服役過程中的安全日益受到重視。海底管道在復(fù)雜工作環(huán)境中會出現(xiàn)腐蝕缺陷，這些缺陷會對海底管道的使用過程造成安全隱患。影響海底管道腐蝕的因素有溫度、海水沖擊、管道內(nèi)壓等，其中管道內(nèi)壓對海底管道腐蝕的影響最大[2]。研究表明，海底管道經(jīng)過長時(shí)間使用后會出現(xiàn)塑性變形并破壞[3-4]。另外，腐蝕缺陷位置會對海底管道的極限內(nèi)壓造成顯著影響[5]。合理的安全性評估能預(yù)測海底管道在服役過程中的極限內(nèi)壓，同時(shí)可為其安全運(yùn)行提供合理的依據(jù)[6]。

目前，在海底管道工程中應(yīng)用較為廣泛的腐蝕海底管道安全性評估的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)有挪威船級社DNV規(guī)范[1]、美國石油協(xié)會API標(biāo)準(zhǔn)[7]等。我國尚未制定相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，只有指導(dǎo)性文件，如《海底管道結(jié)構(gòu)分析指南》[8]，但該指導(dǎo)性文件對影響海底管道的敏感參數(shù)并未作深入分析。本工作參考挪威船級社DNV規(guī)范，考慮單缺陷(缺陷寬度、缺陷長度及內(nèi)壓)變化對內(nèi)壓與軸向壓應(yīng)力疊加作用下腐蝕海底管道的安全性進(jìn)行討論，同時(shí)分析了有效應(yīng)力在腐蝕海底管道軸向上的變化。

1 腐蝕管道強(qiáng)度評估的方法

受海洋環(huán)境的影響，管道腐蝕缺陷的形狀復(fù)雜多樣，且管道的加載路徑也會對管道評估的結(jié)果產(chǎn)生重要影響[9]。腐蝕缺陷的形狀一般情況下都是不規(guī)則的，挪威船級社通過大量的有限元分析以及管道爆裂試驗(yàn)，得出了簡化的矩形單缺陷腐蝕管道許用應(yīng)力計(jì)算公式，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：pcap為爆裂壓應(yīng)力；t為未腐蝕管壁的厚度；σu為管道抗拉強(qiáng)度；D為管道外直徑；d為管道缺陷深度；Q為缺陷長度系數(shù)。

許用應(yīng)力法是針對海底管道極限內(nèi)壓的計(jì)算方法。它忽略了評估過程中多種與概率統(tǒng)計(jì)相關(guān)的參數(shù)，較大程度地簡化了計(jì)算過程。通過許用應(yīng)力法對內(nèi)壓與軸向壓應(yīng)力疊加作用下單缺陷腐蝕海底管道進(jìn)行安全性評估的流程如圖1所示。

圖1 單缺陷腐蝕海底管道安全評估流程圖Fig. 1 Flow chart of safety assessment of single defect corroded pipe

2 案例分析

待評價(jià)管道參數(shù)：管道外徑D為400 mm；未腐蝕的管壁厚度t為15 mm；缺陷長度l為200 mm；缺陷寬度c為100 mm；缺陷處最大深度d為9 mm(管壁厚度60%)；定義最小抗拉強(qiáng)度σu為455.1 N/mm2(X52鋼)，管道最大軸向壓應(yīng)力σL為-200 N/mm2。

2.1 案例評估步驟

步驟一：判定缺陷腐蝕管道是否需要考慮外部載荷作用。通過式(3)計(jì)算約束極限的失效應(yīng)力σ1。

(3)

如果σL>σ1，則管道外載荷作用不能忽略。將待評價(jià)管道參數(shù)代入式(3)得σ1等于-138.45 N/mm2，所以不能忽略管道外載荷。

步驟二：按式(4)計(jì)算僅內(nèi)壓作用下的單缺陷腐蝕管道的極限內(nèi)壓ppress，為21.58 N/mm2。

(4)

步驟三：按式(5)～(8)計(jì)算內(nèi)壓和軸向壓力疊加作用下的單缺陷腐蝕管道的極限內(nèi)壓pcomp，為17.07 N/mm2。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：H1為縱向壓應(yīng)力影響系數(shù)；θ為缺陷的環(huán)向長度與名義外周長比率；Ar為缺陷的環(huán)向衰減系數(shù)。

步驟四：根據(jù)式(9)確定腐蝕管道的極限內(nèi)壓pf為17.07 N/mm2。

(9)

步驟五：按式(10)計(jì)算得到管道安全工作應(yīng)力pSW為11.06 N/mm2。

(10)

式中：F1和F2分別表示腐蝕管道的模型系數(shù)和操作使用系數(shù)，DNV規(guī)范中分別取0.9與0.72。

2.2 基于案例的有限元模擬

對缺陷腐蝕管道進(jìn)行有限元模擬，設(shè)置管道材料為低碳鋼，材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和泊松比分別為206.8 GPa，358 MPa，0.282。

相對于Tresca屈服準(zhǔn)則的保守性，有限元模擬所采用的Mises屈服準(zhǔn)則能更好地反映腐蝕海底管道工作的實(shí)際情況[10]。通過殼型3D拉伸模型對管道進(jìn)行非線性靜力分析，并對管道兩端的U2、UR1方向進(jìn)行約束，模型網(wǎng)格單元的類型采用二次單元的減縮積分(C3D20R)。趙東巖等[11]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道長度大于管道外徑時(shí)，管道缺陷評估的誤差變化很小。為了使誤差盡可能不影響模擬結(jié)果，本次模擬將管道長度設(shè)為管道外徑的2倍。在安全工作應(yīng)力下腐蝕管道缺陷處應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 腐蝕管道缺陷處應(yīng)力分布云圖Fig. 2 Cloud map of stress distribution near defect in pipe

由圖2可知：由于腐蝕缺陷的影響，海底管道的缺陷位置出現(xiàn)幾何特性突變，并出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，管道的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在缺陷的四周，且管道應(yīng)力從缺陷位置往周圍呈減小趨勢；安全工作應(yīng)力下腐蝕海底管道峰值應(yīng)力為259.9 MPa，未達(dá)到管道材料的屈服強(qiáng)度；而當(dāng)管道達(dá)到極限內(nèi)壓時(shí)，管道缺陷的峰值應(yīng)力為342.6 MPa，接近管道的屈服強(qiáng)度。圖3為內(nèi)壓遞增情況下腐蝕海底管道峰值應(yīng)力變化圖。其中，腐蝕管道內(nèi)壓p與完好管道極限內(nèi)壓p0的比值p/p0為無量綱變量。

圖3 腐蝕海底管道峰值應(yīng)力隨極限內(nèi)壓變化圖Fig. 3 Variations of peak stress with burst pressare in corroded submarine pipe

通過ABAQUS模擬結(jié)果可知完好海底管道的極限內(nèi)壓p0為27.37 MPa。由圖3可以看出，純內(nèi)壓作用下，隨腐蝕管道在內(nèi)壓的不斷增大，峰值應(yīng)力線性增加；且當(dāng)內(nèi)壓增大到管道極限內(nèi)壓時(shí)，峰值應(yīng)力剛好達(dá)到管道屈服強(qiáng)度。純內(nèi)壓作用的腐蝕管道在服役過程中經(jīng)歷了彈性變形階段、非彈性擴(kuò)展階段和屈服強(qiáng)化階段。內(nèi)壓與軸向壓力疊加作用的腐蝕管道在內(nèi)壓增加的過程中，峰值應(yīng)力先下降后升高。組合載荷的部分應(yīng)力相互抵消使管道的彈性階段線性特征不明顯，當(dāng)腐蝕管道峰值應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，管道也進(jìn)入非彈性擴(kuò)展階段。且當(dāng)p/p0大于0.4時(shí)，軸向壓應(yīng)力的存在減小了腐蝕管道峰值應(yīng)力，使管道使用的安全性有適當(dāng)?shù)奶岣摺?/p>

3 腐蝕海底管道的有限元分析

3.1 缺陷寬度對腐蝕管道極限內(nèi)壓的影響

考慮缺陷寬度對腐蝕管道進(jìn)行ABAQUS有限元分析，圖4為ABAQUS模擬的缺陷寬度對無量綱極限內(nèi)壓的影響曲線(圖中t，l保持不變)。

圖4 缺陷寬度對極限內(nèi)壓的影響Fig. 4 Influence of defect width on burst pressure

純內(nèi)壓作用的腐蝕管道的極限內(nèi)壓隨腐蝕寬度的增加震蕩減小，當(dāng)缺陷寬度增大到一定值時(shí)其對極限內(nèi)壓的影響變小，可忽略不計(jì)。

由圖4可知，當(dāng)缺陷深度較小時(shí)，如d/t為0.3和0.5時(shí)，最不利的c/l為0.4或1.0；當(dāng)腐蝕深度較深時(shí)，最不利的c/l為0.6或1。圖中不同缺陷深度及腐蝕寬度對應(yīng)的腐蝕管道極限內(nèi)壓與完好管道極限內(nèi)壓比值模擬結(jié)果與Netto[12]的研究結(jié)果相符合。內(nèi)壓與軸向壓應(yīng)力疊加作用下腐蝕管道的極限內(nèi)壓隨著缺陷寬度的增大發(fā)生輕微波動(dòng)，但總體影響不大。內(nèi)壓保持不變，缺陷寬度達(dá)到缺陷長度時(shí)腐蝕管道的極限內(nèi)壓最小。

3.2 內(nèi)壓對腐蝕缺陷峰值應(yīng)力的影響

腐蝕缺陷造成局部海底管道的壁厚減小，從而引起管道安全使用性能的降低。圖5為腐蝕管道在不同缺陷深度下峰值應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化。由圖5可以看出：腐蝕深度對管道峰值應(yīng)力有顯著影響；內(nèi)壓和軸向壓應(yīng)力疊加影響下的腐蝕管道峰值應(yīng)力變化曲線沒有明顯線性特征，不同深度的管道缺陷在內(nèi)壓遞增初期，峰值應(yīng)力都發(fā)生不同程度的降低；隨著內(nèi)壓的持續(xù)增大，腐蝕管道的峰值應(yīng)力停止下降并逐漸增大，達(dá)到屈服應(yīng)力后繼續(xù)增加且增速逐漸加快，最終導(dǎo)致管道破壞。圖5同時(shí)顯示了當(dāng)管道缺陷過大時(shí)，純軸向壓應(yīng)力作用已使管道發(fā)生了非彈性形變，因此對缺陷深度的控制是保證管道安全工作的關(guān)鍵。

圖5 不同缺陷深度下峰值應(yīng)力隨極限內(nèi)壓的變化Fig. 5 Variations of peak stress with burst pressure in different defect depths

3.3 缺陷長度對腐蝕管道極限內(nèi)壓的影響

圖6為極限內(nèi)壓隨腐蝕缺陷長度的變化曲線(圖中D，t保持不變)。在腐蝕管道缺陷長度較小情況下，缺陷面積較小，管壁厚度變化較大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，腐蝕管道極限內(nèi)壓隨缺陷長度增大迅速下降。當(dāng)缺陷長度增大時(shí)，應(yīng)力集中逐漸減小，缺陷長度的增加對極限內(nèi)壓的影響逐漸減小，最終保持穩(wěn)定。

圖6 缺陷長度對極限內(nèi)壓的影響Fig. 6 Influence of defect length on burst pressure

3.4 腐蝕管道軸向有效應(yīng)力的變化

圖7 不同缺陷深度下軸向有效應(yīng)力變化Fig. 7 Variations of equivalent stress along longitudinal axis in different defect depths

圖7為不同缺陷深度下軸向有效應(yīng)力變化。由圖7可見，不同缺陷深度下腐蝕管道軸向峰值應(yīng)力都出現(xiàn)在缺陷位置。腐蝕海底管道的破壞一般分為整體破壞和局部垮塌破壞[3]。當(dāng)腐蝕深度較小，如d/t=0.3和d/t=0.5時(shí)，極限內(nèi)壓下管道峰值應(yīng)力出現(xiàn)在缺陷中心，管道腐蝕區(qū)域和未腐蝕區(qū)域的有效應(yīng)力比較接近，管道發(fā)生整體破壞的可能性較大。當(dāng)管道腐蝕深度較大，如d/t=0.7時(shí)，缺陷處的有效應(yīng)力與非缺陷位置的有效應(yīng)力大小相差較大，深度較大處的腐蝕缺陷管道圣維南效應(yīng)明顯，管道的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在缺陷區(qū)域的邊界，并在腐蝕區(qū)域邊界處的未腐蝕區(qū)域有明顯的有效應(yīng)力突降現(xiàn)象。因此，缺陷深度大的腐蝕管道易發(fā)生局部坍塌破壞。

4 結(jié)論

(1) 在缺陷寬度小于缺陷長度的情況下，內(nèi)壓與軸向壓應(yīng)力疊加作用的腐蝕管道缺陷寬度對管道極限內(nèi)壓影響不大。

(2) 缺陷深度過大會導(dǎo)致腐蝕海底管道在內(nèi)壓極小的工作環(huán)境下峰值應(yīng)力過大，因此嚴(yán)格控制缺陷深度有利于提高海底管道服役過程的安全性。

(3) 缺陷長度較小的海底管道，其極限內(nèi)壓隨缺陷長度增大而減??；而當(dāng)海底管道腐蝕缺陷長度較大時(shí)，缺陷長度對極限內(nèi)壓影響不大。

(4) 缺陷深度越大，內(nèi)壓與軸向壓應(yīng)力疊加作用的腐蝕管道圣維南效應(yīng)越明顯，腐蝕海底管道更容易發(fā)生局部垮塌破壞。

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Safety Analysis of Single Defect Corroded Submarine Pipe under Combining Load

HUANG Yu-li, YANG Dong-quan, LU Ping, LI Xue-xun

(Department of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

The safety of corroded submarine pipe was assessed according to allowable stress approach. The stress in single defect corroded pipe under combining load (internal pressure and compressive load along longitudinal axis) was analyzed through finite element simulation. The sensibility of geometry parameters that affected the maximum pressure of pipe was studied. The results show that effective stress of pipe displayed a tendency of increase first and then decrease with the increase of internal pressure, as the value of compressive longitudinal stress of corroded pipe kept stable. Then the pipe reached stable yielding stage until failure.

corroded submarine pipe; corrosion assessment; finite element analysis; burst pressure

10.11973/fsyfh-201704014

2016-11-21

楊東全(1967-)，教授，博士，從事海洋工程研究，15595829089，784306631@qq.com

P751

A

1005-748X(2017)04-0311-05