组合载荷下单缺陷腐蚀海底管道的安全分析

黄宇立,杨东全,路 平,李学勋

(海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228)

组合载荷下单缺陷腐蚀海底管道的安全分析

黄宇立,杨东全,路 平,李学勋

(海南大学 土木建筑工程学院，海口 570228)

采用许用应力法对腐蚀海底管道的安全性进行评估，并通过有限元模拟对组合载荷(内压与轴向压应力叠加作用)下单缺陷腐蚀海底管道进行应力分析，探讨了影响管道峰值应力的缺陷几何参数的敏感性。结果表明：轴向压应力一定时，随内压不断增加,管道有效应力呈先下降后上升的变化趋势，进入屈服稳定阶段后,有效应力继续增大，直至管道破坏。

腐蚀海底管道；腐蚀评估；有限元分析；极限内压

随着海洋油气资源的不断开发利用，海底管道在服役过程中的安全日益受到重视。海底管道在复杂工作环境中会出现腐蚀缺陷，这些缺陷会对海底管道的使用过程造成安全隐患。影响海底管道腐蚀的因素有温度、海水冲击、管道内压等，其中管道内压对海底管道腐蚀的影响最大[2]。研究表明，海底管道经过长时间使用后会出现塑性变形并破坏[3-4]。另外，腐蚀缺陷位置会对海底管道的极限内压造成显著影响[5]。合理的安全性评估能预测海底管道在服役过程中的极限内压，同时可为其安全运行提供合理的依据[6]。

目前，在海底管道工程中应用较为广泛的腐蚀海底管道安全性评估的规范和标准有挪威船级社DNV规范[1]、美国石油协会API标准[7]等。我国尚未制定相关国家标准，只有指导性文件，如《海底管道结构分析指南》[8]，但该指导性文件对影响海底管道的敏感参数并未作深入分析。本工作参考挪威船级社DNV规范，考虑单缺陷(缺陷宽度、缺陷长度及内压)变化对内压与轴向压应力叠加作用下腐蚀海底管道的安全性进行讨论，同时分析了有效应力在腐蚀海底管道轴向上的变化。

1 腐蚀管道强度评估的方法

受海洋环境的影响，管道腐蚀缺陷的形状复杂多样，且管道的加载路径也会对管道评估的结果产生重要影响[9]。腐蚀缺陷的形状一般情况下都是不规则的，挪威船级社通过大量的有限元分析以及管道爆裂试验，得出了简化的矩形单缺陷腐蚀管道许用应力计算公式，见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：pcap为爆裂压应力；t为未腐蚀管壁的厚度；σu为管道抗拉强度；D为管道外直径；d为管道缺陷深度；Q为缺陷长度系数。

许用应力法是针对海底管道极限内压的计算方法。它忽略了评估过程中多种与概率统计相关的参数，较大程度地简化了计算过程。通过许用应力法对内压与轴向压应力叠加作用下单缺陷腐蚀海底管道进行安全性评估的流程如图1所示。

图1 单缺陷腐蚀海底管道安全评估流程图Fig. 1 Flow chart of safety assessment of single defect corroded pipe

2 案例分析

待评价管道参数：管道外径D为400 mm；未腐蚀的管壁厚度t为15 mm；缺陷长度l为200 mm；缺陷宽度c为100 mm；缺陷处最大深度d为9 mm(管壁厚度60%)；定义最小抗拉强度σu为455.1 N/mm2(X52钢)，管道最大轴向压应力σL为-200 N/mm2。

2.1 案例评估步骤

步骤一：判定缺陷腐蚀管道是否需要考虑外部载荷作用。通过式(3)计算约束极限的失效应力σ1。

(3)

如果σL>σ1，则管道外载荷作用不能忽略。将待评价管道参数代入式(3)得σ1等于-138.45 N/mm2，所以不能忽略管道外载荷。

步骤二：按式(4)计算仅内压作用下的单缺陷腐蚀管道的极限内压ppress，为21.58 N/mm2。

(4)

步骤三：按式(5)～(8)计算内压和轴向压力叠加作用下的单缺陷腐蚀管道的极限内压pcomp，为17.07 N/mm2。

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：H1为纵向压应力影响系数；θ为缺陷的环向长度与名义外周长比率；Ar为缺陷的环向衰减系数。

步骤四：根据式(9)确定腐蚀管道的极限内压pf为17.07 N/mm2。

(9)

步骤五：按式(10)计算得到管道安全工作应力pSW为11.06 N/mm2。

(10)

式中：F1和F2分别表示腐蚀管道的模型系数和操作使用系数，DNV规范中分别取0.9与0.72。

2.2 基于案例的有限元模拟

对缺陷腐蚀管道进行有限元模拟，设置管道材料为低碳钢，材料的弹性模量、屈服强度和泊松比分别为206.8 GPa，358 MPa，0.282。

相对于Tresca屈服准则的保守性，有限元模拟所采用的Mises屈服准则能更好地反映腐蚀海底管道工作的实际情况[10]。通过壳型3D拉伸模型对管道进行非线性静力分析，并对管道两端的U2、UR1方向进行约束，模型网格单元的类型采用二次单元的减缩积分(C3D20R)。赵东岩等[11]研究发现，当管道长度大于管道外径时，管道缺陷评估的误差变化很小。为了使误差尽可能不影响模拟结果，本次模拟将管道长度设为管道外径的2倍。在安全工作应力下腐蚀管道缺陷处应力分布如图2所示。

图2 腐蚀管道缺陷处应力分布云图Fig. 2 Cloud map of stress distribution near defect in pipe

由图2可知：由于腐蚀缺陷的影响，海底管道的缺陷位置出现几何特性突变，并出现应力集中现象，管道的峰值应力出现在缺陷的四周，且管道应力从缺陷位置往周围呈减小趋势；安全工作应力下腐蚀海底管道峰值应力为259.9 MPa，未达到管道材料的屈服强度；而当管道达到极限内压时，管道缺陷的峰值应力为342.6 MPa，接近管道的屈服强度。图3为内压递增情况下腐蚀海底管道峰值应力变化图。其中，腐蚀管道内压p与完好管道极限内压p0的比值p/p0为无量纲变量。

图3 腐蚀海底管道峰值应力随极限内压变化图Fig. 3 Variations of peak stress with burst pressare in corroded submarine pipe

通过ABAQUS模拟结果可知完好海底管道的极限内压p0为27.37 MPa。由图3可以看出，纯内压作用下，随腐蚀管道在内压的不断增大，峰值应力线性增加；且当内压增大到管道极限内压时，峰值应力刚好达到管道屈服强度。纯内压作用的腐蚀管道在服役过程中经历了弹性变形阶段、非弹性扩展阶段和屈服强化阶段。内压与轴向压力叠加作用的腐蚀管道在内压增加的过程中，峰值应力先下降后升高。组合载荷的部分应力相互抵消使管道的弹性阶段线性特征不明显，当腐蚀管道峰值应力达到屈服强度时，管道也进入非弹性扩展阶段。且当p/p0大于0.4时，轴向压应力的存在减小了腐蚀管道峰值应力，使管道使用的安全性有适当的提高。

3 腐蚀海底管道的有限元分析

3.1 缺陷宽度对腐蚀管道极限内压的影响

考虑缺陷宽度对腐蚀管道进行ABAQUS有限元分析，图4为ABAQUS模拟的缺陷宽度对无量纲极限内压的影响曲线(图中t，l保持不变)。

图4 缺陷宽度对极限内压的影响Fig. 4 Influence of defect width on burst pressure

纯内压作用的腐蚀管道的极限内压随腐蚀宽度的增加震荡减小，当缺陷宽度增大到一定值时其对极限内压的影响变小，可忽略不计。

由图4可知，当缺陷深度较小时，如d/t为0.3和0.5时，最不利的c/l为0.4或1.0；当腐蚀深度较深时，最不利的c/l为0.6或1。图中不同缺陷深度及腐蚀宽度对应的腐蚀管道极限内压与完好管道极限内压比值模拟结果与Netto[12]的研究结果相符合。内压与轴向压应力叠加作用下腐蚀管道的极限内压随着缺陷宽度的增大发生轻微波动，但总体影响不大。内压保持不变，缺陷宽度达到缺陷长度时腐蚀管道的极限内压最小。

3.2 内压对腐蚀缺陷峰值应力的影响

腐蚀缺陷造成局部海底管道的壁厚减小，从而引起管道安全使用性能的降低。图5为腐蚀管道在不同缺陷深度下峰值应力随内压的变化。由图5可以看出：腐蚀深度对管道峰值应力有显著影响；内压和轴向压应力叠加影响下的腐蚀管道峰值应力变化曲线没有明显线性特征，不同深度的管道缺陷在内压递增初期，峰值应力都发生不同程度的降低；随着内压的持续增大，腐蚀管道的峰值应力停止下降并逐渐增大，达到屈服应力后继续增加且增速逐渐加快，最终导致管道破坏。图5同时显示了当管道缺陷过大时，纯轴向压应力作用已使管道发生了非弹性形变，因此对缺陷深度的控制是保证管道安全工作的关键。

图5 不同缺陷深度下峰值应力随极限内压的变化Fig. 5 Variations of peak stress with burst pressure in different defect depths

3.3 缺陷长度对腐蚀管道极限内压的影响

图6为极限内压随腐蚀缺陷长度的变化曲线(图中D，t保持不变)。在腐蚀管道缺陷长度较小情况下，缺陷面积较小，管壁厚度变化较大，应力集中现象明显，腐蚀管道极限内压随缺陷长度增大迅速下降。当缺陷长度增大时，应力集中逐渐减小，缺陷长度的增加对极限内压的影响逐渐减小，最终保持稳定。

图6 缺陷长度对极限内压的影响Fig. 6 Influence of defect length on burst pressure

3.4 腐蚀管道轴向有效应力的变化

图7 不同缺陷深度下轴向有效应力变化Fig. 7 Variations of equivalent stress along longitudinal axis in different defect depths

图7为不同缺陷深度下轴向有效应力变化。由图7可见，不同缺陷深度下腐蚀管道轴向峰值应力都出现在缺陷位置。腐蚀海底管道的破坏一般分为整体破坏和局部垮塌破坏[3]。当腐蚀深度较小，如d/t=0.3和d/t=0.5时，极限内压下管道峰值应力出现在缺陷中心，管道腐蚀区域和未腐蚀区域的有效应力比较接近，管道发生整体破坏的可能性较大。当管道腐蚀深度较大，如d/t=0.7时，缺陷处的有效应力与非缺陷位置的有效应力大小相差较大，深度较大处的腐蚀缺陷管道圣维南效应明显，管道的峰值应力出现在缺陷区域的边界，并在腐蚀区域边界处的未腐蚀区域有明显的有效应力突降现象。因此，缺陷深度大的腐蚀管道易发生局部坍塌破坏。

4 结论

(1) 在缺陷宽度小于缺陷长度的情况下，内压与轴向压应力叠加作用的腐蚀管道缺陷宽度对管道极限内压影响不大。

(2) 缺陷深度过大会导致腐蚀海底管道在内压极小的工作环境下峰值应力过大，因此严格控制缺陷深度有利于提高海底管道服役过程的安全性。

(3) 缺陷长度较小的海底管道，其极限内压随缺陷长度增大而减小；而当海底管道腐蚀缺陷长度较大时，缺陷长度对极限内压影响不大。

(4) 缺陷深度越大，内压与轴向压应力叠加作用的腐蚀管道圣维南效应越明显，腐蚀海底管道更容易发生局部垮塌破坏。

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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

杨东全(1967-)，教授，博士，从事海洋工程研究，15595829089，784306631@qq.com

P751

A

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