LNG接收站埋地管道腐蚀分析方法研究

王亚群 王少炜 范明龙

（中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心，北京 100028）

0 引言

目前，全球液化天然气（LNG）资源需求迅速增加，我国对LNG这种清洁能源的消费也处于持续增长阶段[1]。LNG接收站作为LNG远洋贸易的终端设施，对LNG的储存及转运起着至关重要的作用。LNG接收站通常建设在沿海地区，沿海大气环境含盐量高，腐蚀风险很高[2]，因此LNG接收站在设计建设及运营过程中要充分考虑管道防腐等问题。对于发生腐蚀或破坏的管道，应及早对损伤区域进行修复，以避免后期因为腐蚀问题导致的更高的维护成本[3]。例如，海水管道易出现管道内部腐蚀和外部破损两种形式[4]。对于已投用并存在管道腐蚀或破坏的LNG接收站消防水管道，需要对损伤区域进行修复。因此基于不同程度、不同状态的腐蚀或破坏管道分析其继续服役的可行性对项目公司来说具有重要意义。本文通过有限元方法，对不同形式的腐蚀及破损类型进行模拟分析，提出基于有限元分析的管道极限内压评估方法，确定管道腐蚀及破损分析主要影响因素。

1 不同腐蚀方向对管道极限内压的影响分析

本节以20#钢工程实例，分别针对20”和24”，壁厚为9.53mm的管道进行三维有限元分析。重点分析单点腐蚀对管道极限内压的影响。针对系列几何尺寸的腐蚀缺陷，探究轴向、径向及环向腐蚀缺陷条件下管道的极限内压。

1.1 腐蚀缺陷轴向尺寸对极限内压的影响

参数选取，腐蚀缺陷深度d取2mm、4mm、6mm，腐蚀长度L对应每个腐蚀深度取100～600mm（间隔100mm），腐蚀宽度W均取6°。

（1） 内腐蚀管道的极限内压研究

管道上仅施加内压载荷，分析不同腐蚀深度情况下，管道的极限内压值随着腐蚀的轴向长度改变而引起的变化。管道腐蚀缺陷处的应力大小和应力分布随载荷增加而不断产生变化。图1为20寸管道（d=4mm、L=300mm、限拉伸强度bσ=390MPa）腐蚀区域的应力分布云图。选取壁厚方向上由内到外三点，查看该载荷下三点的应力情况，如图2所示。

图1 内腐蚀区域应力云图

由图2可知，对于有腐蚀缺陷位置，外侧应力大而内侧应力小。根据塑性失效准则，当腐蚀缺陷区域沿管壁厚方向的最小等效应力与材料的极限拉伸强度 bσ相等时，管道发生失效[5,6]。由于管道上仅施加内压载荷，所以有腐蚀缺陷管道能承受的内压极限值即在该管道上施加的载荷。不同深度情况下，腐蚀缺陷管道的缺陷轴向长度与管道能承受的极限内压的关系如图3、图4所示。

图2 内腐蚀三点的等效应力情况

图3 内腐蚀长度的影响（20”管道）

由图3和图4中可知，若管道的内腐蚀深度相同，缺陷区域管道的能承受的极限内压随着管道缺陷长度的增大而逐渐减小，而且随着腐蚀长度的增加，极限内压的下降趋势也在慢慢减小。但当腐蚀缺陷长度增大到500mm之后，内腐蚀缺陷的长度对管道承受的极限内压的影响速率放缓。同时，随着内腐蚀缺陷深度的增加，极限内压下降速率变快。同时壁厚保持不变，随管道外径增大，管道承受极限内压会有所减小。腐蚀宽度是以角度来确定的，管径的增大必然会带动腐蚀宽度的变化，即24”管道实际宽度值比20”管道的实际宽度值要大，所以相同的腐蚀参数下24”管道的极限内压更小；

图4 内腐蚀长度的影响（24"管道）

（2）外腐蚀管道的极限内压研究

图5为24”管道（d=4 mm、L=200mm、限拉伸强度bσ=390MPa）腐蚀区域的应力分布云图，选取壁厚方向由内到外三点，查看该载荷步下三点的应力情况，如图6所示。

图5 外腐蚀区域应力云图

图6 外腐蚀三点的等效应力情况

由图6可知，随着施加内压载荷的增加，外腐蚀缺陷管道对应的应力变化趋势与内腐蚀缺陷管道相同。针对不同外腐蚀深度下，进行不同外腐蚀缺陷长度对管道极限内压的影响的限元分析，结果如图7、图8所示。

图7 外腐蚀长度的影响（20”管道）

图8 外腐蚀长度的影响（24”管道）

对比分析内/外腐蚀对极限内压的影响可知，外腐蚀与内腐蚀影响趋势相同，在一定范围内，腐蚀长度越大，对管道极限内压的影响也会越大，但是超过500 mm后，腐蚀长度的影响就不再明显。本次探究腐蚀长度对极限内压影响规律中，内外腐蚀缺陷管道的极限内压相差较小，外腐蚀缺陷的管道极限内压比内腐蚀的稍小，说明管道外腐蚀缺陷比内腐蚀缺陷稍危险。

1.2 腐蚀缺陷径向尺寸对极限内压的影响

参数设置，腐蚀缺陷长度L分别取100mm、250mm、400mm，针对每个腐蚀缺陷长度值，分别研究腐蚀深度d为2～6mm（间隔1mm），腐蚀宽度W均为6°。

（1）内腐蚀管道的极限内压研究

图9、图10为内腐蚀径向深度的影响，腐蚀缺陷管道径向深度对管道极限内压影响较大，在相同的内腐蚀缺陷长度下，缺陷管道所能承受的极限内压随着腐蚀径向长度的增加而迅速下降。且随着内腐蚀缺陷长度的增大，管道极限内压曲线的斜率也明显增大，但斜率并不是一直增大，当达到一定腐蚀长度后，极限内压下降趋势变化不大。这一分析结果表明，当腐蚀区域轴向长度到达某一特定值后，管道上腐蚀缺陷的径向深度是影响腐蚀缺陷管道所能承受的极限内压的一个重要影响因素；

图9 内腐蚀径向深度影响（20"管道）

图10 内腐蚀径向深度影响（24"管道）

（2） 外腐蚀管道的极限内压研究

外腐蚀与内腐蚀分析采用相同的管径、壁厚以及腐蚀缺陷工况。外腐蚀对极限内压的影响如图11、图12所示。

图11 外腐蚀径向深度影响（20”管道）

图12 外腐蚀径向深度影响（24"管道）

由图11、图12可以看出，外腐蚀缺陷径向深度对管道的极限内压的影响趋势与内腐蚀相似。腐蚀管道的极限内压随腐蚀径向深度增加而下降，且该种下降并没有衰减平稳的趋势，因为随着腐蚀深度的增加，管道壁厚逐渐减小，管道极限内压也会急剧减小，极限情况为腐蚀深度与壁厚一样彻底洞穿管道，管道破裂，极限内压降为0。外腐蚀缺陷长度对分析曲线的斜率的影响同内腐蚀，当达到一定的外腐蚀长度值时，腐蚀深度成为影响管道能承受的极限内压的一个重要因素。同时无论外腐蚀还是内腐蚀，随着管道腐蚀径向深度的增大，管道能承受的极限内压呈现线性减小的趋势，影响明显且没有随着腐蚀径向深度的增加而衰减。本次分析腐蚀深度对管道极限内压影响规律中，外腐蚀缺陷的管道极限内压比相同腐蚀参数的内腐蚀稍小，即管道外腐蚀稍危险，应予以注意。

1.3 腐蚀缺陷环向尺寸对极限内压的影响

参数设置，缺陷深度d为2mm、3mm、4mm，对应每种腐蚀径向深度工况，选择环向腐蚀宽度W为10°、30°、50°、80°、110°、140°、180°，腐蚀长度均为200 mm。

（1）内腐蚀管道的极限内压研究

腐蚀缺陷管道极限内压在各腐蚀缺陷深度工况下，随着腐蚀宽度的增加而产生的变化如图13、图14所示。

图13 内腐蚀环向尺寸影响（20”管道）

图14 内腐蚀环向尺寸影响（24"管道）

由图13、图14可知，腐蚀缺陷环向尺寸（宽度）对管道极限内压的影响不明显，不同腐蚀深度下，宽度的变化对腐蚀管道极限内压的影响不同。d=2mm时，宽度的变化对腐蚀管道极限内压的影响很小，d=4mm时，宽度在5～80°时对腐蚀管道极限内压的影响相对明显。当内腐蚀环向尺寸（宽度）超过110°后，再增加环向尺寸已几乎不会影响腐蚀管道极限内压。相比腐蚀深度、腐蚀长度对管道极限内压较为明显的影响，腐蚀宽度对管道极限内压的影响是微弱的；

（2）外腐蚀管道的极限内压研究

外腐蚀分析时采用与内腐蚀相同的管径、壁厚以及腐蚀工况参数。外腐蚀下条件下，极限内压变化情况如图15、图16所示。

图15 外腐蚀环向尺寸影响（20”管道）

图16 外腐蚀环向尺寸影响（24”管道）

由图15、图16可知，外腐蚀环向尺寸（宽度）的变化对管道极限内压的影响趋势与内腐蚀相似，相同工况下，内外腐蚀对应的管道极限内压数值也接近相同。因此，相对腐蚀长度、腐蚀深度对管道极限内压更为直接的影响，腐蚀宽度对管道极限内压的影响相对微弱。

2 结语

本文以LNG接收站埋地管道为背景，提出基于有限元分析的管道极限内压评估方法，考虑了管道内腐蚀和外腐蚀两种情况，进行大量有限元数值模拟计算及对比分析，得出以下结论：

（1）在分析腐蚀管道极限内压时，管道腐蚀缺陷的轴向尺寸是一个重要参数。腐蚀深度相同的前提下，内腐蚀与外腐蚀情况相同，管道腐蚀缺陷长度越大，管道极限内压越小，随着缺陷轴向尺寸增加，极限内压变化逐渐平缓。且腐蚀深度小，轴向尺寸影响较小，反之亦然；

（2）腐蚀缺陷的径向长度（腐蚀深度）对腐蚀管道极限内压的影响最为明显。外腐蚀缺陷的管道极限内压比相同腐蚀参数的内腐蚀稍小，即管道外腐蚀更为危险。径向长度越大，管道极限内压越小，当长度达到一定值以后，腐蚀管道极限内压则主要受腐蚀深度的影响；

（3）腐蚀缺陷环向尺寸（腐蚀宽度）影响较为微弱。当腐蚀径向长度较大（腐蚀较深）时，腐蚀宽度变化的影响相对明显。因此在进行管道腐蚀缺陷失效分析时，对于深度腐蚀，应适当考虑腐蚀宽度的影响；

（4）相同条件下，外腐蚀比内腐蚀影响更大。在研究腐蚀缺陷轴向长度对管道极限内压的影响时，提取了管道临近腐蚀区极限拉伸强度 bσ，同一径向的内壁面点、中间点、外壁面点的应力大小，发现无论内腐蚀，还是外腐蚀都是外壁面点所受应力最大，内壁面点所受应力最小，即管道腐蚀区外壁面最先达到失效。从对比轴向、径向、环向尺寸对管道极限内压的影响来看，外腐蚀下的管道极限内压要比内腐蚀下的管道内压稍微小一些，由于环向尺寸对管道极限内压影响较小，所以在环向尺寸上内外腐蚀的微弱差距不是很明显，这也说明，在相同的管道腐蚀尺寸下外腐蚀比内腐蚀更危险。