腐蚀海底管道剩余强度分析

卢盛灿,张　军,龚　翔，臧晓刚，陈怀民

(集美大学 a.机械与能源工程学院；b.福建省能源清洁利用与开发重点实验室,福建 厦门 361021)



腐蚀海底管道剩余强度分析

卢盛灿,张军,龚翔，臧晓刚，陈怀民

(集美大学 a.机械与能源工程学院；b.福建省能源清洁利用与开发重点实验室,福建 厦门 361021)

采用挪威船级社规范和美国工程师协会规范对管道各腐蚀点的剩余强度进行计算,结合弹塑性力学的相关理论，在考虑管道及土壤耦合的基础上采用ABAQUS有限元软件，再次计算管道腐蚀的剩余强度。对比分析两种方法计算结果的差异，认为规范计算比有限元方法更保守。

腐蚀管道；剩余强度；现役管道；有限元

随着海底管道在役年限的增长，管道的腐蚀现象日益严重，导致其壁厚减薄，最大安全承压能力降低，管道失效的可能性逐渐增大。若不及时检修维护或更换，可能造成局部管道穿孔渗漏甚至爆裂事故的发生。一旦发生事故，将造成巨大的经济损失及相应的次生灾害。因此，为了预测整个管道的腐蚀情况，确定腐蚀对管道结构完整性的危害程度，确保管道在服役期限内的安全使用，有必要检测管道当前的腐蚀情况，评估管道的剩余强度，进而评价海管的安全工作压力。同时，还需要根据海底管道的运行情况和服役期，预测管道的最终腐蚀情况，确保管道安全，必要时应采取相应措施，如维修或更换。

对于管道腐蚀的定量评估的研究，国内外学者做了一部分工作[1-4]，有通过对比一系列的实验结果，基于非线性有限元方法模型，确定腐蚀管道的失效压力[5]。也有通过建立管道有限元模型，评估管道的失效压力[6]。在现有的关于腐蚀管道在役评估中，多数的研究仅考虑了内压对管道的作用，忽视了管道与土壤之间的耦合作用。为此，考虑管道与土壤的耦合，基于规范的计算，以弹塑性理论分析方法为基础，进行有限元建模计算。根据对腐蚀管道与土壤接触的特点，采用ABAQUS软件，建立管土耦合的模型[7]，计算出腐蚀管道的剩余强度。

1　剩余强度评估方法

1.1ASME-B31G-2009标准方法

ASME-B31G标准是评估腐蚀管道的原始和最常用方法，评估方法主要基于断裂力学的NG-18表面缺陷计算公式。安全准则涉及屈服强度和流变应力。对于简单的孤立缺陷，管道的内部破坏压力可以通过下式进行计算[2]。

(1)

式中：PF——管道内部失效压力；

Sflow——材料的流变应力；

t——管道的名义壁厚；

D——管道的外径；

A——沿管壁总相平面内腐蚀缺陷的投影面积；

A0——腐蚀缺陷的初始面积，A0=Lt；

Folias 因子是关于z的函数。

根据ASME B31G-2009[3]的要求，选取合适的安全系数SF，利用下式可以计算出管道的安全工作压力PS：

PS=PF/SF

(2)

1.2DNV-RP-F101-2010标准方法

DNV-RP-F101-2010标准中采用的失效模型也是断裂力学中的NG-18，其安全准则是根据极限拉伸强度制定的。此规范中包含两种评估方法：分项安全系数法和许用应力法。分项安全系数法基于DNV-OS-F101海底管道系统的安全准则，考虑腐蚀深度和材料性质的不确定性因素，能客观地反应各个因素的影响；许用应力法基于许用应力设计(ASD)法，安全工作压力为计算得到的失效压力乘以安全系数。对于包括缺陷尺寸在内的不确定性，需要评估人员自行判断和确定相应的安全系数。

1.2.1分项安全系数法

单独缺陷作用的腐蚀管道在仅考虑纵向腐蚀和内压作用的情况下的许用压力为下式[1]。

式中：Q——长度修正系数。

(4)

(5)

(6)

(8)

式中：D——管道外径；

t——管道壁厚；

l——腐蚀长度；

d——腐蚀深度；

StD[d/t]——d/t的标准偏差，StD[d/t]=acc_rel/NORMSINV(0.5+conf/2)；

acc_rel——相对深度精确度；

H1——纵向压应力系数；

Ar——环向面积折减系数；

θ——腐蚀区域环向长度与管道外周长的比，θ=c/(πD)；

FX——轴向力；

MY——弯矩；

γd——裂纹深度的子安全系数；

γm——纵向腐蚀预测的子安全系数；

fu——设计中使用的拉伸强度，若不考虑温度对其的影响，即为SMYS。

1.2.2许用应力计算步骤

许用应力计算步骤如下。

步骤1。计算组合纵向名义应力σL，计算公式同式(7)。

步骤2。判断外部纵向压力载荷是否对孤立缺陷的爆破压力Ppress造成影响：若满足式(9)，则可以跳过步骤4。

(9)

(10)

步骤3。计算只受内压作用的爆破压力Ppress。

(11)

步骤4。计算考虑纵向压应力的爆裂压力Pcomp。

(12)

(13)

步骤5。腐蚀管道的破裂压力为

(14)

步骤6。腐蚀管道的安全工作压力为

(15)

式中：F——安全系数,由F=F1F2计算得出。

其中：F1——模型安全系数，取0.9；

F2——操作安全系数,通常取管道原设计时的值。

1.3基于弹塑性有限元评估方法

管道受到较复杂的载荷作用，主要有管道的重力、土壤应力、管道压力、静水压力及集中载荷等。不同的管道跨越形式使得载荷类型有所不同，埋设的位置和角度都会对其计算结构产生影响。有限元计算主要是基于弹塑性力学的基本理论，利用ABAQUS有限元软件,建立管道与土壤耦合有限元分析模型[9-10]，模拟腐蚀后海管工况，进行应力、应变等静力学分析,通过数值模拟得到腐蚀海底管道的剩余强度,评估海底管道的工作状况和安全可靠性。

弹塑性失效准则认为，在管道受到内压的作用下，管道内壁首先出现屈服，管道外壁还处在弹性阶段，而管道内部材料在外部材料的约束下，不至于使管道发生破坏，故只要管道的等效应力处在某一应力值以内都认为是安全的，这个应力一般为材料屈服强度与抗拉强度和的一半。即管道发生破坏的条件为

(16)

塑性失效准则认为当管道在内压的作用下，只有管道内外壁等效应力均到达材料的抗拉强度时，则管道发生破坏，即管道发生破坏的条件为

(17)

2　算例分析

采用规范对腐蚀海底管道进行剩余强度分析，其中DNV-RP-F101-2010规范中，分为两部分计算：安全系数法(SCF法)；许用应力法(ASA)。有限元方法计算也分两个工况计算：正常作业工况，极限作业工况。管道所受的载荷包括重力、内压、外压、铺设残余弯矩及温度，管道两端采用的约束类型为全固定约束，采用静态加载方式。在不断加大管道内压，计算当管道最大应力为材料最小拉伸应力时，管道对应的内压，即腐蚀管道的极限压力。并综合比较其计算结果。管道及腐蚀点的基本参数见表1、2。

表1　管道主要参数

表2　腐蚀点的基本参数

建立实体管土耦合模型。见图1、2。

图1　管道有限元模型

图2　管道与土壤装配有限元模型

腐蚀管道直接计算结果和管土耦合结果见图3、4。

图3　腐蚀管道与土壤耦合结果

图4　腐蚀管道直接载荷结果

正常工况和极限工况应力云图见图5、6。

图5　管段正常工况应力云图

图6　管段极限工况应力云图

采用ASME-B31G-2009、DNV-RP-F101-2010和有限元计算结果对比见图7、8。

图7　4种标准计算的结果与腐蚀深度关系

图8　4种标准计算的结果与腐蚀长度关系

3　评估方法结果分析

1)根据图7、8可知，ASM-B31G-2009标准计算的结果与DNV-RP-F101-2010标准和有限元方法计算的结果有较大的偏差，ASM-B31G-2009标准产生偏差的主要原因是视腐蚀长度与工作压力无关，对环向缺陷不进行评估，只对单个腐蚀评价，这显然是不合理的。

2)由DNV-RP-F101-2010标准计算结果可知，安全系数(CSF)方法计算的海底管道腐蚀后的许用压力大于海底管道正常工作压力17.5 MPa，且均有一定的安全裕度。许用应力(ASA)方法计算出的海底管道腐蚀后的许用压力同样大于海底管道正常工作压力。相同情况下，仅考虑腐蚀和内压作用时，ASA法计算的结果比CSF法结果偏小，且ASA法的结果受腐蚀点几何尺寸影响较小。对于两种方法计算结果的分析可知，CSF方法考虑了检测的精度与置信度，当认为检测精度很高，即标准偏差为0时，CSF与ASA两种方法计算的管道失效压力值是一样的。

3)根据管道应力结果云图(见图3～6)可知，管道的最大应力基本都集中在该管段腐蚀缺陷最严重的地方。进一步分析各腐蚀坑处的应力云图可知，腐蚀坑深度对该处管道应力影响较大。腐蚀坑越深，该处应力越大。而腐蚀坑长度和宽度对管道应力集中影响不大。且当腐蚀坑面积较大而深度较小时，因腐蚀坑周围管道厚度变化较为均匀，反而该处不易发生应力集中。

4　结论及建议

4.1评估结论

对比分析以上各表结果，得到以下结论:采用ASME B31G—2009准则计算管道剩余强度时，其剩余强度约为23.971 MPa，采用DNV-RP-F101-201中的安全系数计算的平均剩余强度为24.217 MPa，许用应力计算的平均剩余强度为24.108 MPa，管土耦合法中管道最大应力位置位于腐蚀缺陷处，应力值为24.530 MPa。结果表明采用ASME B31G—2009准则计算结果保守性较高，采用DNV-RP-F101-201准则及有限元法计算结果保守性较低，其中许用应力计算方法的结果与安全系数计算方法的结果较为接近。

4.2评估方法使用范围及建议

4.2.1DNV规范的适用范围

1)基础管材的内腐蚀、外腐蚀；纵焊缝及环焊缝的腐蚀缺陷。

2)中高强度钢(建议X64～X80钢)。

3)孤立缺陷、交互缺陷或复杂缺陷。

4)任意形状。

5)需要考虑内压和轴向压力。

6)应考虑缺陷模型不确定性(许用应力法)。

4.2.2ASME规范适用范围

1)中低强度钢。

2)孤立缺陷或相邻缺陷视为一个缺陷。

3)任意腐蚀形状。

4)仅考虑内压。

5)不考虑缺陷模型不确定性。

4.2.3有限元方法适用范围

有限元方法适用于任何类型管道和多种缺陷形式的分析计算。关键是管道材料的选取，若材料非线性，则需提供材料应力应变曲线；不同缺陷几何形状要合理模拟，不要在缺陷处出现网格划分不合理和计算不收敛。对不同管道加载状况，要合理进行加载和边界条件选取。

4.2.4建议

本文计算评估仅考虑了腐蚀、弯曲应力及轴向压力等，但是没有考虑悬空后管道的涡激振动影响。研究表明，涡激振动对于管道的剩余强度影响很大[11]，所以在评估管道剩余强度时，应综合考虑腐蚀、弯曲应力、轴向压力及涡激振动等因素。

[1] DNV Recommended Practice, RP-F101.Corroded pipelines. Det Norske Veritas,2010.

[2] ASME B31G-2009. Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines[R].

[3] API 579: Fitness-for-service[S].2007.

[4] DNV Of shore Standard OS-F101 Submarine pipelines systems[S]. DNV，2005．

[5] NETTO T A, FERRAZ U S, ESTEFEN S F. The effect of corrosion defects on the burst pressure of pipelines [J]. Constructional Steel Research，2005,61:1185-1204.

[6] XU L Y, Cheng Y F. Reliability and failure pressure prediction of various grades of pipeline steel in the presence of corrosion defects and pre-strain[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping，2012，89:75-84.

[7] 任艳荣,刘玉标.用ABAQUS软件处理管土互相作用中的接触问题[J].力学与践,2004(6):43-45.

[8] 催进起,余晓勇,郭泽荣.基于ANSYS有限元法的长输油气管道剩余强度与剩余寿命研究 实验技术与管理[J].实验技术与管理,2010(10):56-59.

[9] 费康,张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[10] 刘鹏.管土耦合作用下温度高压海底管道屈曲数值分析[D].四川:西南石油大学,2010.

[11] 艾尚茂.管土耦合边界下海底悬跨管道涡激振动研究[D].黑龙江:哈尔滨工程大学,2010.

Analysis of Residual Strength of Corroded Submarine Pipeline

LU Sheng-can, ZHANG Jun, GONG Xiang, ZANG Xiao-gang, CHEN Huai-min

(a.School of Machinery and Power Engineering; b.Fujian Key Laboratory of Utilization and Development for Clean Energy,Jimei University, Xiamen Fujian 361021, China)

The rules of DNV-RP-F101 and ASME-B31G-2009 are adopted respectively to calculate the residual strength of corroded pipeline at several corrosion locations. According to the elastoplastic mechanics theory, the residual strength of pipeline corrosion is calculated again by FEM in ABAQUS, taking into account the effect of pipe and soil coupling. Comparative analysis of the difference of two results shows that results of the specification are more conservative then FEM results.

corrosion pipeline; residual strength; pipeline in service; finite element

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.029

2015-10-13

2015-10-26

福建省高校专项(JK2012027)；

卢盛灿(1989-)，研究生

U664.84;TE973.6

A

1671-7953(2016)01-0142-05

福建省科技计划项目(2014H6019)

研究方向:海底管道腐蚀泄漏

E-mail:schylar@126.com