司剛強(qiáng)，薛正林，孫偉棟，劉保余，何世亮

內(nèi)外腐蝕對(duì)凹陷管道剩余強(qiáng)度影響分析＊

司剛強(qiáng)1，薛正林1，孫偉棟1，劉保余1，何世亮2

（1.中國石化管道儲(chǔ)運(yùn)有限公司，江蘇 徐州 221008；2.浙江工業(yè)大學(xué)海洋研究院，浙江 杭州 310014）

以長輸油氣管道作為研究對(duì)象，采用球形壓頭對(duì)管道腐蝕區(qū)域展開位移加載，以實(shí)現(xiàn)管道局部區(qū)域的塑性變形，使管道出現(xiàn)腐蝕缺陷、凹陷缺陷、外腐蝕缺陷共存的組合缺陷，并圍繞此展開研究分析。用ABAQUS有限元軟件分析了管道內(nèi)外腐蝕深度、長度以及凹陷深度分別對(duì)組合缺陷作用下管道剩余強(qiáng)度的影響。研究表明，凹陷深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度影響最大，且內(nèi)腐蝕缺陷對(duì)剩余強(qiáng)度的影響比外腐蝕缺陷大，對(duì)工程實(shí)際情況有一定的指導(dǎo)意義。

長輸管道；剩余強(qiáng)度；腐蝕缺陷；凹陷管道

1 引言

目前，中國長輸干線管道里程已突破12萬千米，承擔(dān)著全國70%的石油和99%的天然氣運(yùn)輸。油氣管道在長時(shí)間運(yùn)營后，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的老齡化，再加上腐蝕、凹陷等因素，使管道輸送效率明顯降低，甚至引發(fā)爆炸、中毒以及火災(zāi)等重大安全事件，給經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人員健康造成嚴(yán)重威脅。中國很大一部分管線建于20世紀(jì)七八十年代，服役年限已將近40年，而在役管道中約60%服役時(shí)間超過20年，設(shè)備及材料的老化日漸明顯，多年連續(xù)的較大管道泄漏事故使得管道是否能夠再用、是否需要報(bào)廢處理、如何保障其運(yùn)行安全等成為必須面對(duì)的主要問題。

對(duì)于壓力管道的腐蝕以及凹陷，目前有大量的相關(guān)研究。西南石油大學(xué)薛濤[1]利用韌性斷裂失效模型，研究分析了凹陷管道損傷程度在不同參數(shù)下的變化情況，并且針對(duì)凹陷深度準(zhǔn)則展開驗(yàn)證，與此同時(shí)，分析了在管道內(nèi)壓不斷變化條件下，球形凹陷臨界失效應(yīng)變現(xiàn)象。劉維洋等[2]的研究主要圍繞管道凹陷的深度、長度、初始內(nèi)壓以及下壓深度等維度展開，明確了各因素對(duì)含腐蝕凹陷管道極限載荷的作 用。鄒海翔[3]在研究過程當(dāng)中，重點(diǎn)圍繞含體積缺陷凹陷管道的失效壓力、管道凹陷回彈、單純凹陷管道極限承載能力等展開。朱豪豪等[4]采用非線性有限元法，利用ABAQUS軟件構(gòu)建相應(yīng)的研究模型，用于分析缺陷寬度、長度以及深度3個(gè)參數(shù)對(duì)含缺陷埋地管道承載力的影響。王戰(zhàn)輝等[5]從方形缺陷的視角展開研究，選取缺陷寬度、深度以及長度為自變量，研究各自變量對(duì)剩余強(qiáng)度與等效應(yīng)力的具體影響，并結(jié)合采油廠實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行管道壽命預(yù)測(cè)。

以往，很多專家與學(xué)者都將研究的重點(diǎn)集中在管道腐蝕以及凹陷兩方面，而將上述兩種現(xiàn)象綜合研究的非常少[6-8]。

鑒于此，本次研究過程中，采用球形壓頭對(duì)管道腐蝕區(qū)域進(jìn)行位移加載，以達(dá)到管道局部區(qū)域的塑性變形，從而產(chǎn)生內(nèi)腐蝕缺陷、凹陷缺陷、外腐蝕缺陷共存的組合缺陷，同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程案例展開詳細(xì)分析，以期達(dá)到夯實(shí)理論基礎(chǔ)的目的。

2 凹陷管道評(píng)價(jià)方法

目前對(duì)于凹陷管道的評(píng)價(jià)方法主要有兩種，分別為基于深度評(píng)價(jià)方法和基于應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)方法[9-11]。此外，在ASME B31.8中指出：管道出現(xiàn)腐蝕與凹陷情形時(shí)，要根據(jù)ASME B31G中腐蝕剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)法求解管道的失效壓力。

2.1 基于深度評(píng)價(jià)方法

以深度為標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)法中，所采用的依據(jù)為凹陷的最大深度值，如果數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)既定的值一致，即認(rèn)為需要采取移除或修理措施。ASME B31.8標(biāo)準(zhǔn)明確指出，平滑凹陷與帶腐蝕的凹陷深度不得大于管道外徑的6%。而加拿大工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)所制定的CSA Z662則強(qiáng)調(diào)，如果管道的外徑小于 105.6 mm，平滑凹陷的深度必須小于6 mm；如果超過該臨界值，那么深度必須小于管道外徑的6%，存在裂紋的凹陷是不允許的。

基于凹陷深度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)歸納總結(jié)如表1所示。

2.2 基于應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)方法

美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)所制定的ASME B31.8標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)介紹了基于應(yīng)變的評(píng)估準(zhǔn)則，即管道的凹陷區(qū)域最大應(yīng)變超過6%，那么就需要采取相應(yīng)的措施，修理或者移除凹陷管道。而ASME B31.8詳細(xì)解釋了管道軸向彎曲應(yīng)變、環(huán)向彎曲應(yīng)變、軸向薄膜應(yīng)變的求解公式，具體如下所示：

式（1）中：0為管道外半徑，mm；1為管道凹陷環(huán)向橫截面曲率半徑，mm。

式（2）中：為管道壁厚，mm；2為管道凹陷軸向橫截面曲率半徑，mm。

式（3）中：為凹陷深度；為凹陷長度。

管道內(nèi)外壁的應(yīng)變：

3 有限元分析

3.1 工作條件與缺陷參數(shù)

以東黃復(fù)線管道為例，東黃復(fù)線（黃島—昌邑）管道全長96 km，管道規(guī)格為Φ711.2×7.14 mm，材質(zhì)為X60，彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3，最小屈服強(qiáng)度為 414 MPa。

管道最大允許運(yùn)行壓力為4.2 MPa，運(yùn)行時(shí)介質(zhì)溫度60 ℃。

缺陷參數(shù)信息如表2所示。

表1 基于凹陷深度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)歸納總結(jié)

標(biāo)準(zhǔn)純凹陷含腐蝕凹陷含裂紋凹陷 ASME B31.4≤6%OD（NPS 4及更小管徑管道，深度小于等于6 mm）不允許不允許 ASME B31.8≤6%OD≤6%OD不允許 CSA Z662小于等于6 mm（小于等于105.6 mm管道），≤6%OD（大于105.6 mm管道）腐蝕深度小于等于40%管道壁厚不允許 API 1156≤6%OD，＞2%OD 需進(jìn)行疲勞評(píng)價(jià)不允許不允許

表2 缺陷參數(shù)信息

特征名稱特征長度/mm特征寬度/mm特征深度/（%）時(shí)鐘方向 凹陷——66：00 金屬損失-腐蝕內(nèi)壁200100106：00 金屬損失-腐蝕外壁200100106：00

3.2 有限元模型

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立帶缺陷的直管模型，管道長為6倍外徑，按照圣維南理論，管道的長度超過其外徑5倍時(shí)，可以忽略邊界條件造成的影響[12-13]。假設(shè)管道內(nèi)壓作用在管道內(nèi)沒有壓力損失，即管道內(nèi)的內(nèi)壓力作用是定值。而此次研究的管道主要功能為長距離運(yùn)輸，滿足以上條件，所以管道的熱損失不納入考慮范圍內(nèi)[14-15]。將鋼球約束為剛體，給鋼球加載方向的位移，位移值為凹陷深度，在管道凹陷的時(shí)鐘方向施加凹陷，如圖1所示。本模型選擇實(shí)體三維八節(jié)點(diǎn)縮減積分單元（C3D8R）劃分網(wǎng)格，這種單元避免了剪切“鎖閉問題”，具有計(jì)算精度較高、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)。材料屬性為線彈性。

圖1 帶缺陷管道模型

3.3 邊界條件

將剛體球和管道的相互作用簡化為切向接觸和法向接觸，對(duì)這兩個(gè)方向的接觸關(guān)系分別進(jìn)行假定，采用無摩擦硬接觸。根據(jù)所研究對(duì)象實(shí)際受力變形情況，利用耦合約束將左右端面六個(gè)自由度與參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)約束在一起，參考點(diǎn)的位置位于左右端面圓心處。將管道一端固定，另一端設(shè)置為沿管道軸向?qū)ΨQ。

3.4 施加載荷

管道自重以及土壤壓力對(duì)管道失效壓力的影響非常小，因此，為簡化計(jì)算，可忽略上述因素，僅關(guān)注管道內(nèi)壓和溫差影響。輸送介質(zhì)壓力，在管道內(nèi)表面施加壓力8 MPa。溫度荷載將初始溫度設(shè)置為20 ℃，分析時(shí)第一步溫度設(shè)置為60 ℃。常溫狀態(tài)鋪設(shè)的管道，工作狀態(tài)時(shí)溫度會(huì)變成內(nèi)部介質(zhì)的溫度。

3.5 剩余強(qiáng)度結(jié)果

帶缺陷的管道MISES應(yīng)力云圖如圖2所示。管道壓力與最大Von Mises應(yīng)力曲線如圖3所示。當(dāng)分析到0.52步時(shí)，管道達(dá)到屈服強(qiáng)度，為414 MPa。此時(shí)加載的壓力為8×0.52= 4.16 MPa，剩余強(qiáng)度為4.16 MPa，小于最大允許運(yùn)行壓力，為4.2 MPa，管道無法繼續(xù)使用，需要修復(fù)缺陷或更換管道。

4 缺陷尺寸對(duì)剩余強(qiáng)度影響分析

4.1 內(nèi)腐蝕缺陷深度

假設(shè)管體和凹陷的尺寸不變，凹陷深度為管徑的6%，內(nèi)腐蝕長度為200 mm，寬度為100 mm，分別研究不同內(nèi)腐蝕深度下管道剩余強(qiáng)度變化情況，腐蝕深度為壁厚的5%～50%，間隔5%。剩余強(qiáng)度結(jié)果如圖4所示，從圖4可以看出，隨著內(nèi)腐蝕深度的增加，缺陷管道剩余強(qiáng)度逐漸減小，而且減小的趨勢(shì)越來越陡，可見內(nèi)腐蝕深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響較大。

圖2 帶缺陷的管道MISES應(yīng)力云圖

圖3 管道壓力與最大Von Mises應(yīng)力曲線

圖4 剩余強(qiáng)度結(jié)果（內(nèi)腐蝕深度）

4.2 外腐蝕缺陷深度

假設(shè)管體和凹陷的尺寸固定，凹陷深度為管徑的6%，外腐蝕長度為200 mm，寬度為100 mm，分別研究不同外腐蝕深度下管道剩余強(qiáng)度變化情況，腐蝕深度為壁厚的5%～50%，間隔5%。

剩余強(qiáng)度結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著外腐蝕深度的增加，缺陷管道剩余強(qiáng)度逐漸減小，且減小的趨勢(shì)越來越強(qiáng)，但是沒有內(nèi)腐蝕深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響大。

4.3 內(nèi)腐蝕缺陷長度

假設(shè)管體和凹陷的尺寸固定，凹陷深度為管徑的6%，內(nèi)腐蝕深度為壁厚的10%，寬度為100 mm，分別研究不同內(nèi)腐蝕長度下管道剩余強(qiáng)度變化情況，內(nèi)腐蝕長度為50～500 mm，間隔50 mm，剩余強(qiáng)度結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可知，當(dāng)內(nèi)腐蝕缺陷長度上升時(shí)，剩余強(qiáng)度不斷降低，且形成平緩下降趨勢(shì)，可見這種影響是發(fā)生在特定范圍中的。另外，腐蝕缺陷長度的影響比深度的影響要小很多。

圖5 剩余強(qiáng)度結(jié)果（外腐蝕深度）

圖6 剩余強(qiáng)度結(jié)果（內(nèi)腐蝕長度）

4.4 外腐蝕缺陷長度

假設(shè)管體和凹陷的尺寸固定，凹陷深度是管徑的6%，耐腐蝕深度是壁厚的10%，寬度值為100 mm，分別分析不同外腐蝕長度下管道剩余強(qiáng)度變化情況，外腐蝕長度為50～500 mm，間隔50 mm，剩余強(qiáng)度結(jié)果如圖7所示。分析圖7可知，當(dāng)外腐蝕缺陷長度增大時(shí)，剩余強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，同樣形成平緩下降趨勢(shì)，但是比內(nèi)腐蝕長度的影響要小一些。

4.5 凹陷深度

假設(shè)管體的尺寸不變，內(nèi)腐蝕和外腐蝕的深度均為壁厚的10%，寬度為100 mm，長度為200 mm，分別研究不同凹陷深度下管道剩余強(qiáng)度變化情況，凹陷深度為1%～6%，間隔0.5%，剩余強(qiáng)度結(jié)果如圖8所示。分析圖8可知，當(dāng)凹陷深度值增大時(shí)，剩余強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，減小的趨勢(shì)越來越強(qiáng)，可見凹陷深度對(duì)剩余強(qiáng)度的影響很大，從剩余強(qiáng)度數(shù)值上看凹陷深度影響比腐蝕深度大。

5 結(jié)論

對(duì)于腐蝕缺陷深度與缺陷管道剩余強(qiáng)度，兩者呈明顯的反比關(guān)系，并且剩余強(qiáng)度隨著腐蝕深度增加，下降的趨勢(shì)越來越強(qiáng)，可見腐蝕深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響較大，且內(nèi)腐蝕缺陷深度對(duì)剩余強(qiáng)度的影響比外腐蝕缺陷深度大。

對(duì)于腐蝕缺陷長度與缺陷管道剩余強(qiáng)度，兩者呈明顯的反比關(guān)系，且形成平緩下降趨勢(shì)，可見其對(duì)于缺陷管道剩余強(qiáng)度所形成的影響是在特定范圍內(nèi)發(fā)生的，而且腐蝕缺陷長度產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于深度產(chǎn)生的影響。內(nèi)腐蝕長度的影響要比外腐蝕長度對(duì)剩余強(qiáng)度的影響大一些。

圖7 剩余強(qiáng)度結(jié)果（外腐蝕長度）

圖8 剩余強(qiáng)度結(jié)果（凹陷深度）

對(duì)于凹陷深度與缺陷管道剩余強(qiáng)度，兩者呈明顯的反比關(guān)系，剩余強(qiáng)度隨著凹陷深度的增加，下降的趨勢(shì)越來越明顯，可見凹陷深度對(duì)剩余強(qiáng)度的影響很大，從剩余強(qiáng)度數(shù)值上看凹陷深度影響比腐蝕深度大。

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X937

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.005

2095－6835（2019）23－0012－04

司剛強(qiáng)（1968—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛蜌夤艿拦こ碳霸蛢?chǔ)運(yùn)管理與技術(shù)。

中國石油化工股份有限公司“基于完整性管理技術(shù)的長期服役油氣管道安全運(yùn)行策略研究”（編號(hào)：315006）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕