腐蚀缺陷对高压管道剩余强度和剩余寿命的影响

王战辉， 张智芳， 李瑞瑞

（1.榆林学院化学与化工学院，陕西榆林 719000； 2.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西榆林 719000）

目前石油和天然气是社会和经济发展以及人类生活所不可缺少的重要资源，管道作为石油和天然气运输的重要渠道，一般深埋地下，容易受土壤腐蚀，使管道壁厚减薄［1］. 目前，很多石油和天然气管道都存在不同程度的腐蚀，对于管道的防护层也存在一定程度的腐蚀，其主要原因是管道大多都埋于地底下，时间久了难免发生腐蚀，由于管道的腐蚀部位、腐蚀区域等不同，对管道的检测带来很大的困扰［2］. 厚度减薄到一定程度后，会发生泄露等事故，严重影响设备正常运行和维修，并且也会对周边环境和经济发展带来不必要的损失，甚至会对人类健康造成危害，世界各国都非常重视天然气和石油运输这个问题［3-6］. 因此，对管道腐蚀机理的研究具有很高的经济效益和社会效益.

国内外学者对形状不同的腐蚀缺陷如圆形缺陷、椭圆缺陷、方形缺陷、组合缺陷等进行了很多研究［7-10］.但是针对椭圆缺陷，基本上都是对轴向椭圆形缺陷中椭圆缺陷长轴与管道中心线平行进行研究，而对轴向椭圆形缺陷中椭圆缺陷短轴与管道中心线平行还没有进行研究，而且针对煤气管道研究的还很少［11-17］. 因此，笔者以周向、轴向椭圆缺陷和孔形缺陷煤气管道为研究对象，借助ANSYS有限元分析软件，首先考察其应力云图，其次，通过改变缺陷长轴长度、短轴长度和缺陷深度等参数，考察对高压煤气管道剩余强度和剩余寿命的影响规律. 所得结论对煤气管道的正常运行有一定的参考意义.

1 含腐蚀缺陷模型的建立

1.1 模型的建立和几何尺寸参数

以X52 钢为研究对象，几何参数：管道外径D 为80 mm，壁厚t 为10 mm，管道长度为400 mm；物性参数：弹性模量E 为2.1×105MPa，泊松比μ 为0.3，屈服强度σs为359 MPa，抗拉强度σb为455 MPa，内压p 为120 MPa. 鉴于所建模型的几何对称性和载荷对称性，选取所建模型的一半进行分析［18］.

1.2 载荷施加

由于模型的几何和载荷对称性，对沿轴向剖开高压管道剖面施加位移约束为0，对高压管道两端施加位移约束为0［19］. 对于高压管道而言，管道内压是主要载荷，其余载荷与内压相比都很小，可以忽略不计，因此，仅在管道内壁面施加内压载荷p.

2 有限元计算结果分析

2.1 应力云图

三种腐蚀缺陷煤气管道等效应力云图如图1所示，可以看出，不论是哪种缺陷，煤气管道等效应力云图可以分为两个区域：远离缺陷区域和缺陷附近区域. 远离缺陷区域，应力基本呈均匀分布，此时应力为薄膜应力，由内压载荷引起；缺陷附近区域，应力分布情况复杂多变，出现最大等效应力，此时应力为不连续效应引起的不连续应力，即内压载荷引起的薄膜应力和弯曲应力. 而根据不连续应力分布的局部性和自限性的特点，在缺陷附近区域应力出现突变，远离缺陷区域，应力呈均匀分布［20-25］.

图1 等效应力云图Fig.1 Equivalent stress cloud map

2.2 轴向椭圆形腐蚀缺陷

保持轴向椭圆形腐蚀缺陷短轴长度为10 mm，内压120 MPa不变，腐蚀深度分别为1、2、3、4、5 mm，改变长轴长度，分别取20、22、24、26、28、30 mm，考查轴向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度与最大等效应力的关系曲线，如图2所示. 可以看出，在轴向椭圆形腐蚀缺陷短轴长度和腐蚀深度不变的情况下，随着长轴长度的增加，最大等效应力呈现增加的趋势. 在长轴长度小于26 mm 时，两者成正比例关系，当长轴长度大于26 mm时，最大等效应力基本趋于稳定，因此，长轴长度对管道外壁腐蚀区域失效影响的临界值为26 mm.

图2 等效应力与长轴长度关系曲线图Fig.2 Relationship of equivalent stress and length of long axis

保持轴向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度为30 mm，内压120 MPa不变，腐蚀深度分别为1、2、3、4、5 mm，改变短轴长度，分别取10、12、14、16、18、20 mm，考查轴向椭圆形腐蚀缺陷短轴长度与最大等效应力的关系曲线，如图3所示. 可以看出，在轴向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度和腐蚀深度不变的情况下，随着短轴长度的增加，最大等效应力呈现减小的趋势. 在短轴长度小于14 mm 时，两者成正比例关系，当短轴长度大于14 mm时，最大等效应力基本趋于稳定. 因此，短轴长度对管道外壁腐蚀区域失效影响的临界值为14 mm.

图3 等效应力与短轴长度关系曲线图Fig.3 Relationship of equivalent stress and minor axis length

保持轴向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度为20 mm，内压120 MPa 不变，短轴长度分别为10、13、16 mm，改变腐蚀深度，分别取1、1.5、2、2.5、3、4、5 mm，考查轴向椭圆形腐蚀缺陷深度与最大等效应力的关系曲线，如图4 所示.可以看出，在轴向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度和短轴长度不变的情况下，随着缺陷深度的增加，最大等效应力呈现增加的趋势，缺陷深度和等效应力基本成一次线性关系，因此腐蚀深度同样是影响失效的一个非常重要的因素，并且深度对腐蚀缺陷的影响比长轴和短轴对腐蚀缺陷影响更加明显.

图4 等效应力与腐蚀深度关系曲线图Fig.4 Relationship of equivalent stress and corrosion depth

2.3 周向椭圆形腐蚀缺陷

保持周向椭圆形腐蚀缺陷短轴长度为5 mm，内压120 MPa不变，腐蚀深度分别为1、2、3、4、5 mm，改变长轴长度，分别取8、9、10、11、12、13 mm，考查周向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度与最大等效应力的关系曲线，如图5 所示. 可以看出，在周向椭圆形腐蚀缺陷短轴长度和腐蚀深度不变的情况下，随着长轴长度的增加，最大等效应力呈现减小的趋势. 在长轴长度小于10 mm 时，两者成反比例关系，当长轴长度大于10 mm时，最大等效应力基本趋于稳定，因此，长轴长度对管道外壁腐蚀区域失效影响的临界值为10 mm.

图5 等效应力与长轴长度关系曲线图Fig.5 Relationship of equivalent stress and length of long axis

保持周向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度为15 mm，内压120 MPa 不变，腐蚀深度分别为1、2、2.8、3.6、4.4 mm，改变短轴长度，分别取5、6、7、8、9、10 mm，考查周向椭圆形腐蚀缺陷短轴长度与最大等效应力的关系曲线，如图6 所示.可以看出，在周向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度和腐蚀深度不变的情况下，随着短轴长度的增加，最大等效应力呈现增加的趋势，基本成正比例关系.

图6 等效应力与短轴长度关系曲线图Fig.6 Relationship of equivalent stress and minor axis length

保持周向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度为15 mm不变，内压120 MPa，短轴长度分别为7、9、11 mm，改变腐蚀深度，分别取1、1.6、2.4、3.2、4、5、6 mm，考查周向椭圆形腐蚀缺陷深度与最大等效应力的关系曲线，如图7 所示. 可以看出，在周向椭圆形腐蚀缺陷长轴长度和短轴长度不变的情况下，随着缺陷深度的增加，最大等效应力呈现增加的趋势，缺陷深度和等效应力基本成一次线性关系，与轴向椭圆形腐蚀缺陷一样，缺陷深度对腐蚀缺陷的影响比长轴和短轴对腐蚀缺陷影响更加明显.

图7 等效应力与腐蚀深度关系曲线图Fig.7 Relationship of equivalent stress and corrosion depth

2.4 孔形缺陷

为了能够准确地模拟和分析，在研究时只针对单孔缺陷的情况，并且将模型简化为管道上圆柱孔型缺陷. 分别通过改变高压管道外壁圆柱孔形腐蚀缺陷的腐蚀半径和腐蚀深度考察其对剩余强度的影响.

保持圆柱孔形腐蚀缺陷深度分别为3、4、5 mm，内压120 MPa 不变，改变缺陷半径，分别取2.5、3.5、4.5、5.5 mm，考查缺陷半径与最大等效应力的关系曲线，如图8 所示.可以看出，在缺陷深度不变的情况下，随着缺陷半径的增加，最大等效应力呈现增加的趋势，成一次线性关系.

图8 等效应力与缺陷半径关系曲线图Fig.8 Relationship of equivalent stress and defect radius

保持圆柱孔形腐蚀缺陷半径为5 mm，内压120 MPa不变，改变缺陷深度，分别取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0、4.4、4.8 mm，考查缺陷深度与最大等效应力的关系曲线，如图9 所示. 可以看出，在缺陷半径不变的情况下，随着缺陷深度的增加，最大等效应力呈现增加的趋势，基本成正比例关系.

图9 等效应力与缺陷深度关系曲线图Fig.9 Relationship of equivalent stress and corrosion depth

2.5 腐蚀管道剩余寿命的预测

以圆柱孔形缺陷腐蚀管道为例进行剩余寿命的预测，假设腐蚀管道4 个部位发生圆柱孔形腐蚀，其腐蚀速率分别为：0.056、0.060、0.083、0.096 mm/a. 已知各项参数，通过下面两个公式，便可计算出腐蚀管道的剩余寿命：

其中：Tr为腐蚀管道使用寿命，a；GR为腐蚀速率，mm/a；t 为腐蚀厚度，mm；k 为修正系数；SM 为安全余量；Td为管道设计寿命，a；Ts为管道剩余寿命，a.

通过上述计算公式可以得出腐蚀壁厚和使用寿命的关系曲线图如图10所示. 可以看出，腐蚀厚度与使用寿命呈线性关系，对曲线进行拟合就可以得出腐蚀厚度与使用寿命的一次函数关系. 已知管道的腐蚀厚度，便可推算出使用寿命，根据管道使用寿命，进而得出管道剩余寿命，因此，管道剩余寿命与腐蚀厚度也呈线性关系.

图10 腐蚀厚度与使用寿命关系曲线图Fig.10 Relationship between corrosion thickness and service life

3 结论

1）煤气管道等效应力云图可以分为两个区域：远离缺陷区域和缺陷附近区域. 远离缺陷区域为薄膜应力，呈均匀分布；缺陷附近区域为不连续应力，呈局部性和自限性.

2）对于轴向椭圆形腐蚀缺陷，随着长轴长度、缺陷深度的增加，最大等效应力呈现增加的趋势，长轴长度出现临界值；随着短轴长度的增加，最大等效应力呈现减小的趋势，并出现临界值. 对于周向椭圆形腐蚀缺陷，随着长轴长度的增加，最大等效应力呈现减小的趋势，并出现临界值；随着短轴长度、缺陷深度的增加，最大等效应力呈现增加的趋势，成正比例关系.

3）对于圆柱孔形腐蚀缺陷，随着缺陷半径、缺陷深度的增加，最大等效应力呈现增加的趋势，呈线性关系.

4）管道剩余寿命与腐蚀厚度呈线性关系，已知腐蚀厚度，便可推算出剩余寿命.