含双点腐蚀腐蚀缺陷管道剩余强度和剩余寿命的分析

王战辉，马向荣，范晓勇，高 勇

(榆林学院化学与化工学院，陕西 榆林 719000)

石油是国家经济发展的动力源泉，其开采、运输都必须依靠运输管道。正是由于运输管道在石油输送方面有着不可替代的地位，其安全问题也就得到了越来越多的重视【1】。若不注重对运输管道进行保护，出现管道泄漏问题，则会给环境带来巨大的危害，也会给经济造成巨大的损失。因此，为防止管道损坏引起事故，必须重视管道的安全问题【2-5】。目前由于各方面的技术不够成熟，管道的损坏往往不能及时被检测出来，并且整个行业中均未明确规定管道的替换时间和检修时间，存在一定的安全隐患。

输送石油的管道一般铺设在地下，容易受土壤腐蚀等因素影响，壁厚减薄，影响其力学性能，当管道内部压力超过一定值时，就会导致腐蚀缺陷产生。腐蚀缺陷的存在会影响管道的剩余强度和剩余寿命， 进而影响管道的安全运行【6】。常见的腐蚀缺陷是方形， 因此， 国内外学者主要针对单个方形缺陷进行研究， 而对其它形状的缺陷， 例如椭圆形、球形缺陷等研究得比较少， 对于双点腐蚀更少有涉及【7-9】。笔者立足于油田的实际情况， 以管道内双点腐蚀为研究对象， 对腐蚀管道进行数据分析并应用ANSYS软件建立模型， 采用有限元分析方法对其剩余强度进行分析， 通过建立椭圆形双点腐蚀缺陷和正方形双点腐蚀缺陷模型， 研究双点腐蚀缺陷在不同的缺陷深度、缺陷间距、 缺陷尺寸下以及单点腐蚀缺陷管道最大等效应力与剩余强度的变化规律， 并对其剩余寿命进行预测， 为管道的检修与替换提供可靠的数据支撑。

1 有限元分析过程

1.1 物性参数及结构尺寸

以某采油厂管道的实际数据为例。该管道的外表面直径D1为φ325 mm，内表面直径D2为φ300 mm，壁厚t为25 mm，筒体长度L为1 000 mm。有限元分析所用的管道材料为优质碳素结构钢40号钢(钢管)，其相关参数如下：弹性模量E为1.9×105MPa， 泊松比μ为0.269， 屈服强度Rel为355 MPa，抗拉强度Rm为570 MPa。利用ANSYS交互模式直接生成实体模型，再通过网格划分获得三维有限元模型。由于模型几何尺寸和载荷具有对称性，因此有限元模型可利用结构的对称性取外腐蚀管道的1/2建模。两椭圆形缺陷尺寸均为长轴105 mm、短轴25 mm，两正方形缺陷边长均为60 mm，选取不同的缺陷间距和缺陷深度，所建立的几何模型分别如图1(a)和图1(b)所示。

图1 椭圆形和正方形双点腐蚀缺陷管道模型

1.2 施加载荷和边界约束

由于双点腐蚀几何模型轴对称分布，因此对其左右两端施加位移约束为0；对沿轴向剖开的外腐蚀管道剖面上下两端施加的位移约束同样也为0。双点腐蚀缺陷管道只考虑内压载荷，不考虑管道内其它因素的作用；采用ANSYS软件对双点腐蚀缺陷管道剩余强度进行的模拟分析中，忽略应力集中、管道自重、流体压力、地震载荷等的影响【10-13】。

1.3 失效准则

一般来说，石油输送管道的失效模式主要为局部塑形失效。当内压增大时，最大等效应力达到屈服极限便可认为管道失效，需要更换，此时的内压称为剩余强度或者失效压力。等效应力按照第四强度理论定义，即：

式中：σ——管道等效应力，MPa；

σ1、σ2、σ3——分别为沿x轴、y轴、z轴方向上的应力，MPa。

2 结果与分析

2.1 应力云图

在缺陷间距为45 mm、 缺陷深度为8 mm、 内压为11 MPa时， 1.1节中所述椭圆形和正方形双点腐蚀缺陷的等效应力云图分别如图2(a)和图2(b)所示。

由图2(a)和图2(b)可以看出：远离缺陷部位应力较小，为薄膜应力，基本呈均匀分布；靠近缺陷部位，应力逐渐增大，最大等效应力发生在缺陷边缘区域，缺陷内部应力很小，并且分布均匀；最大应力出现在缺陷边缘处，且在两个缺陷之间。

当最大等效应力超过钢材的屈服强度355 MPa时，发生失效，此时的压力称为剩余强度或者失效压力。

图2 双点腐蚀缺陷管道应力云图

2.2 椭圆形双点腐蚀缺陷

取两椭圆形双点腐蚀缺陷尺寸分别为长轴105 mm、 短轴25 mm和长轴60 mm、 短轴25 mm； 两缺陷间距45 mm， 管道内压力11 MPa，缺陷深度分别为5、8、11、14、17 mm，考察缺陷深度对双点腐蚀缺陷管道最大等效压力的影响，如图3 所示。由图3可以看出：一方面，缺陷深度越大，两缺陷间的最大等效应力越大，应力集中越明显，管道越容易发生强度失效，缺陷深度每增加3 mm，等效应力增加60～90 MPa； 另一方面，椭圆形缺陷长轴增大，缺陷形状尺寸越大，缺陷间的等效应力越大，应力集中越明显，管道就越容易失效。因此， 缺陷深度的大小是影响管道失效的一个重要因素， 无论是单个腐蚀缺陷还是双点腐蚀缺陷， 缺陷深度越大， 缺陷形状尺寸越大， 则管道缺陷范围等效应力就越大， 管道就越容易失效。

图3 椭圆形缺陷等效应力与腐蚀深度关系

取两椭圆形双点腐蚀缺陷尺寸均为长轴60 mm、短轴25 mm，缺陷深度分别为5、11、14 mm，施加管道内压力为11 MPa，两缺陷间距分别为3、7、11、21、41、61、81、101 mm，考察缺陷间距对管道最大等效压力的影响，如图4所示。由图4可以看出：随着椭圆形双点腐蚀缺陷间距的增大，等效应力先减小后保持不变；当缺陷间距<41 mm时，缺陷间距每增加4 mm，等效应力减小80～100 MPa；当缺陷间距≥41 mm时，缺陷间的等效应力在360 MPa左右波动，变化非常小，趋于稳定，缺陷间距会出现临界值； 相同尺寸双点腐蚀缺陷和单点腐蚀缺陷相比较， 单点腐蚀缺陷等效应力较小，缺陷范围应力集中较小，管道较不容易失效。因此，腐蚀缺陷数量越多、缺陷间距越小，则等效应力越大、管道越容易失效； 椭圆形双点腐蚀缺陷间距对外腐蚀管道失效影响临界值约为41 mm。

2.3 正方形双点腐蚀缺陷

取正方形双点腐蚀缺陷边长分别为60、70、80 mm，两缺陷间距为45 mm，施加管道内压力为11 MPa，缺陷深度分别为2、4、6、8、10 mm，考察缺陷深度对管道最大等效压力的影响，如图5所示。由图5可以看出：当腐蚀缺陷边长和间距不变时，缺陷深度越大，两缺陷间的等效应力越大、应力集中越明显，管道越容易失效，缺陷深度每增加2 mm，等效应力增加10～30 MPa，正方形双点腐蚀缺陷管道所受等效应力与腐蚀深度基本呈二次函数关系；正方形双点腐蚀缺陷管道最大等效应力小于相同尺寸的椭圆形双点腐蚀缺陷的最大等效应力，相对来说更加安全，更不容易发生失效。

图4 椭圆形缺陷等效应力与缺陷间距关系

图5 正方形缺陷等效应力与缺陷深度关系

取正方形双点腐蚀缺陷边长为60 mm，缺陷深度分别为2、4、6 mm，施加管道内压力为11 MPa，缺陷间距分别为3、11、21、45、61、81、101 mm，考察缺陷间距对管道最大等效压力的影响，如图6所示。由图6可以看出：腐蚀缺陷边长和深度不变时，双点腐蚀缺陷间距越大，等效应力越小，缺陷间的应力集中越不明显，管道越不容易失效；当间距<45 mm时，随缺陷间距增大，等效应力衰减很快，当缺陷间距≥45 mm时，等效应力基本保持恒定不变，缺陷间距出现临界值。因此，缺陷间距越小，等效应力越大，管道越容易失效，正方形双点腐蚀缺陷间距对外腐蚀管道失效影响临界值约为45 mm；在几何尺寸相同情况下，正方形双点腐蚀缺陷危害性较小，椭圆形双点腐蚀缺陷危害性较大。

图6 正方形缺陷等效应力与缺陷间距关系

2.4 寿命的计算

以正方形双点腐蚀缺陷为研究对象。假设其腐蚀缺陷的最大深度为0.3 mm，依据直接检测得到的结果，缺陷的腐蚀速率为0.2 mm/a时，其外腐蚀管道剩余寿命为：

式中：RL——外腐蚀管道的剩余寿命，a；

C——外腐蚀管道的校正系数，取0.85；

SM——外腐蚀管道的安全裕量；

t——外腐蚀管道壁厚，mm；

GR——管道的腐蚀速率，mm/a。

由上式可计算出正方形双点腐蚀缺陷管道的剩余寿命为30.81a。

3 结论

1) 远离缺陷部位，等效应力较小，为薄膜应力，基本呈均匀分布；靠近缺陷部位，应力逐渐增大，最大等效应力发生在缺陷边缘区域，在两个缺陷之间的部位，缺陷内部应力很小。

2) 对于椭圆形双点腐蚀缺陷，缺陷深度和缺陷形状尺寸越大，则两缺陷间的最大等效应力越大，应力集中越明显，管道越容易发生强度失效。随着缺陷间距的增大，等效应力先减小后保持不变。椭圆形双点腐蚀缺陷间距对外腐蚀管道失效影响临界值约为41 mm。

3) 对于正方形双点腐蚀缺陷，缺陷深度越大，则两缺陷间的等效应力越大，正方形缺陷等效应力与腐蚀深度基本呈二次函数关系；随着缺陷间距的增大，等效应力先减小后保持不变。正方形双点腐蚀缺陷间距对外腐蚀管道失效影响临界值约为45 mm。

4) 正方形双点腐蚀缺陷管道最大等效应力小于相同尺寸的椭圆形双点腐蚀缺陷的最大等效应力，相对来说更加安全，更不容易发生失效。

5) 以平底正方形缺陷为例，结合某采油厂实际管道数据，计算其剩余寿命为30.81 a。