腐蝕海底管道剩余強度分析的新方法

奉虎 于銀海 弓志輝

【摘要】本文以BZ34-1油田管線修復(fù)項目為背景，針對管道內(nèi)檢測中出現(xiàn)的腐蝕問題，研究了腐蝕管道的剩余強度評價方法，并通過有限元分析進行了驗證，獲得了預(yù)期的結(jié)果，對腐蝕減薄管道維修方法的選擇，避免次生事故的發(fā)生，以及運營生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】腐蝕管道 剩余強度 有限元分析

1 概述

管道在油氣行業(yè)中占有重要地位，腐蝕是威脅管道安全的一個重要因素，因為腐蝕產(chǎn)生的缺陷會使管道在荷載作用下，出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而降低管道的承載能力，常常導(dǎo)致穿孔、泄漏和開裂，給生產(chǎn)經(jīng)營管理部門造成巨大的經(jīng)濟損失，給社會和生態(tài)環(huán)境帶來十分嚴重的影響。2011年10月使用漏磁檢測方法對BZ34-1至友誼號的原油管進行內(nèi)檢測，最終檢測結(jié)果顯示，管道存在12處腐蝕深度超過50%的缺陷，最大腐蝕深度達到了海管壁厚的85%，需要對管道剩余強度進行評估以確定修復(fù)或補強方案。管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

由于管道的剩余強度和剩余壽命的評價對于確定需要修復(fù)的缺陷點，對了解修復(fù)的緊急程度具有重要意義，所以本文參照DNV RP F101規(guī)范，對腐蝕較嚴重的3個點（如上表2）進行剩余強度評估，并通過有限元方法進行驗證。

2 BZ34-1管道的剩余強度評價

2.1 基于內(nèi)檢測結(jié)果的評價

DNV RP F101規(guī)范中介紹了兩種腐蝕管線的剩余強度的評價方法，分項系數(shù)法和許用應(yīng)力法，其中許用應(yīng)力法較適用于陸地管道，且與分項系數(shù)法相比更為保守。分項系數(shù)法，基于荷載和抗力系數(shù)設(shè)計方法，考慮了檢測的精度和材料性質(zhì)的不確定性影響，降低了分析結(jié)果的保守性。但分項系數(shù)法對管道腐蝕缺陷尺寸的精度非常敏感，壁厚越薄，管道剩余強度下降越快，趨勢如圖1所圖1 缺陷深度與剩余強度的關(guān)系曲線

考慮到本項目管道剩余壁厚較薄，分項系數(shù)法計算結(jié)果更接近于管道實際剩余強度，從而降低了計算結(jié)果的保守程度，有利于幫助決策海底管道的維修方式和確定管道修復(fù)的緊急程度，因此在針對內(nèi)檢測結(jié)果的評估中，優(yōu)先選擇使用了DNV RP F101規(guī)范中的分項系數(shù)法。評價結(jié)果如表3所示。

2.2 缺陷管道剩余強度有限元分析

運用分項系數(shù)法進行管道剩余強度評估時，對腐蝕坑的尺寸確定往往進行簡化，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際值產(chǎn)生較大差距，使分析結(jié)果顯得較為保守。對于關(guān)鍵的多點腐蝕、環(huán)向腐蝕以及更為復(fù)雜情況下的腐蝕管道，經(jīng)過分項系數(shù)法進行評估后，采用有限元的方法對分析結(jié)果二次驗證在某些時候也十分必要。

在進行有限元分析之前，需要先明確管線的失效準則。如果管道的設(shè)計強度為極限抗拉強度，則應(yīng)該考慮管線的彈塑性。本文采用了線性強化的彈塑性模型（圖2），即假設(shè)管線達到屈服強度之后，會產(chǎn)生塑性變形并強化，塑性變形與應(yīng)力仍呈線性關(guān)系?？紤]管線的彈塑性，以及對切線模量的選取會對最終結(jié)果造成影響。假定切線模量為彈性模量的1/10（2.06×1010Pa），則管線應(yīng)力在達到限抗拉強度（531MPa）之后失效。

下面以3#缺陷點為例，進行腐蝕減薄缺陷管道的剩余強度有限元分析。3#修復(fù)點有兩處缺陷，詳細情況列于表：

依據(jù)表4數(shù)據(jù)，在ANSYS軟件中建立上述兩個缺陷模型，如圖3所示，其外徑219.1mm，壁厚 9.5 mm，長 1m，泊松比μ=0.3，Ee=2.06e11，Et=2.06e10。在管道模型內(nèi)部施加環(huán)向均布載荷（相當于管道內(nèi)壓），經(jīng)過后處理分析得出計算結(jié)果，如圖4所示。應(yīng)力云圖顯示管道缺陷位置的最大應(yīng)力處于腐蝕凹坑的最深處。同時我們還可以發(fā)現(xiàn)，兩個缺陷點產(chǎn)生的應(yīng)力集中沒有相互影響，且環(huán)向尺寸對管道的承壓能力沒有較大影響。

4 管道剩余強度評價結(jié)論

通過對腐蝕管線的剩余強度的研究與分析實踐，總結(jié)如下：

規(guī)范提供的剩余強度的計算公式，通常結(jié)合了管線的內(nèi)壓爆破實驗與有限元數(shù)值分析獲得，具有計算簡便、效率高的特點，但通常都會獲得較為保守的結(jié)果。

經(jīng)過有限元的驗證，DNV RP F101規(guī)范提供的評價方法適用于海底管道，可以獲得較好的評價結(jié)果。

必須注意計算公式的適用范圍，如適用的荷載工況、缺陷的深度、分布及形狀等。要了解管線本身的設(shè)計準則，避免因為評價方法與設(shè)計準則的不同，造成安全系數(shù)和其他因素選取時產(chǎn)生的變化。

有限元法發(fā)展相對成熟，且相較原型實驗更為經(jīng)濟、方便。所以在評估管道剩余強度方面，也扮演了重要角色。

參考文獻

[1] 天然氣工業(yè). 2011，8

[2] ASME B31G-2009： Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines[S]. 2009.

[3] DNV RP F101： Corroded Pipelines[S].2010.

作者簡介

奉虎（1980.8-）男，漢族，四川渠縣人，本科，工程師，目前主要從事海底管線/電纜鋪設(shè)、檢測與維修，導(dǎo)管架安裝與檢測，ROV與潛水作業(yè)技術(shù)支持工作。