帶腐蝕缺陷采油管線剩余強度和剩余壽命的評價

范曉勇，高 勇， 胡 軍

（1. 榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000； 2. 西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710069）

?

帶腐蝕缺陷采油管線剩余強度和剩余壽命的評價

范曉勇1，高 勇1， 胡 軍2

（1. 榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000； 2. 西北大學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710069）

摘 要：為了評價某采油廠采油管道實際工況，基于ANSYS 有限元法對管道腐蝕缺陷進行模擬，研究了不同缺陷類型下，缺陷長度、寬度、深度因素對管道失效的影響，分析了不同腐蝕類型缺陷對管道最大工作壓力的影響。利用檢測數(shù)據(jù)，對管道最大腐蝕速率進行了計算，并對管道剩余壽命進行了預(yù)測。結(jié)果表明：缺陷長度和深度是管道失效的直接影響因素，等效應(yīng)力和工作壓力成正比關(guān)系，管線的剩余壽命為10.2 a。此結(jié)果對管道的安全運行及維護具有重要的參考價值。

關(guān) 鍵 詞：ANSYS；腐蝕缺陷；等效應(yīng)力；剩余強度；剩余壽命

隨著油田的不斷建設(shè)和開發(fā)，目前我國大部分石油管線已服役多年，管道事故頻發(fā)，給社會和環(huán)境帶來沉痛的代價［1］。在某采油廠采油管線累計長度已達到1 000多公里，分布在不同的地貌環(huán)境中，一些管線已運行已超過10 a以上，管道運行安全性備受關(guān)注。腐蝕缺陷破裂是導(dǎo)致管道失效的主要因素，其中外腐蝕一直是管道長期損傷的主要方式［2］，管道外腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致管道壁厚減薄，降低了管道的承載能力，一旦管內(nèi)應(yīng)力超過屈服強度，就可能造成破裂，嚴(yán)重威脅其安全運行。大量的國內(nèi)外研究資料表明［3-5］，現(xiàn)有的對腐蝕管道的剩余強度評價及壽命預(yù)測技術(shù)還不完善，而且一些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都有一定的適用范圍。為了給管道維護、檢測、更換周期的確定提供科學(xué)依據(jù)，確保采油管線安全運行，對其進行全面檢測，采用ANSYS有限元分析軟件對不同外腐蝕缺陷類型進行了分析，以管道實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對剩余強度進行評估和剩余壽命進行預(yù)測，旨在對采油管線進行綜合評價，以便制定切實可行的運行措施。

1 采油管線性能參數(shù)

從現(xiàn)場選定一些管段來看，當(dāng)時為防止管線外腐蝕，管線外部有普通級石油瀝青玻璃布防腐層，而由于施工質(zhì)量、老化和外力破壞等因素［6］而致防腐絕緣層出現(xiàn)鼓泡、老化、脫落現(xiàn)象，損傷部位有明顯的銹蝕。清除腐蝕產(chǎn)物后，以目測或者放大鏡檢測管線表面的宏觀形貌，部分管線有明顯的坑蝕。該采油廠采油管線材質(zhì)為20號鋼，壁厚4 mm，外徑60 mm，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，屈服強度245 MPa，運行壓力3 MPa，常溫下許用應(yīng)力為130 MPa。

2 有限元模型建立

在實際工程當(dāng)中，因為腐蝕處和其附近的區(qū)域容易首先發(fā)生破壞，這是因為缺陷附近的應(yīng)力比較大，所以在進行模擬的時候通常都是取有缺陷的管段。局部腐蝕在管道腐蝕中占絕大部分，依據(jù)GB/T19624-2004［7］腐蝕形貌可規(guī)則化為平底方形、橢圓形。如圖1、2所示，平底方形缺陷模型由一個矩形塊與管體相交后得到；橢圓形缺陷模型由一橢圓面經(jīng)過垂直拉伸與管體相交得到。由現(xiàn)有的經(jīng)驗可知，在有限元分析中，簡化的缺陷模型是規(guī)則的，帶缺陷管道是軸對稱的，只需取管道模型的1/4進行分析，根據(jù)圣維南原理［8］，為了消除邊界效應(yīng)，應(yīng)使管道分析長度達到管道直徑的3～5倍以上，故取500 mm。

圖1 平底方形缺陷模型Fig.1 Flat-bottom rectangular defect

圖2 橢圓形缺陷模型Fig.2 Ellipse defect

由于缺陷處會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，分析的重點應(yīng)該在缺陷及周邊處，本文選擇三維八節(jié)點六面體SOLID45單元模型進行網(wǎng)格劃分，并在腐蝕區(qū)域加大網(wǎng)格劃分密度，提高有限元分析的準(zhǔn)確性。邊界條件選擇時，管道一端進行軸向位移約束，縱向?qū)ΨQ兩界面施加對稱約束，管道另一端界面施加載荷約束。實際管道所受的載荷主要為內(nèi)壓和彎矩，其它載荷對管道影響很小，可以忽略，在分析中只考慮3 MPa內(nèi)壓作用。

基于所使用的管道材料為彈塑性材料，介于更加安全考慮，規(guī)定其失效形式為彈性失效，即認(rèn)為腐蝕缺陷區(qū)的等效應(yīng)力達到屈服極限后認(rèn)為管道失效?；谶@種彈性失效準(zhǔn)則，在三維主應(yīng)力空間上，VonMises表達式［9］為：

式中:1σ、σ2、σ3為三方向的主應(yīng)力，MPa；σvmes為等效應(yīng)力，MPa；［］σ為材料的許用應(yīng)力。

3 管道有限元分析

通過對大量現(xiàn)場采油管道進行檢測，除部分管道防護層鼓泡、脫落比較嚴(yán)重，腐蝕局部發(fā)生外，大部分管道受腐蝕影響不大，為了為采油廠建立管道的技術(shù)分析資料，基于管道實測腐蝕的形態(tài)及現(xiàn)有分析資料，結(jié)合常見局部腐蝕力學(xué)模型，對假設(shè)為平底方形腐蝕、橢圓形腐蝕的長、寬、深三要素進行分析，評價其對失效的影響。

3.1 平底方形模型

缺陷長度對等效應(yīng)力的影響關(guān)系曲線如圖3所示，缺陷長度從20 mm到120 mm之間時，等效應(yīng)力和缺陷長度基本呈一致變化趨勢。當(dāng)缺陷長度超過120 mm時，等效應(yīng)力隨著缺陷長度的增大基本沒有變化，可以認(rèn)為長度對等效應(yīng)力影響的臨界值為120 mm。缺陷長度對管道失效有影響。

圖3 等效應(yīng)力和缺陷長度關(guān)系Fig.3 The curves of relationship between equivalent stress and defects length

圖4為缺陷寬度與等效應(yīng)力的關(guān)系曲線，缺陷寬度從2 mm增加到10 mm，等效應(yīng)力逐漸降低，三種不同缺陷尺寸的等效應(yīng)力分別減小了18.54、29.78和16.44 MPa；當(dāng)缺陷寬度從10 mm增加到14 mm時，等效應(yīng)力基本不變，可以將10 mm作為寬度對等效應(yīng)力影響的臨界值，在臨界值內(nèi)，等效應(yīng)力與缺陷寬度成反比變化的關(guān)系；超過臨界值，等效應(yīng)力基本恒定。

圖4 等效應(yīng)力和缺陷寬度的關(guān)系Fig.4 The curves of relationship between equivalent stress and defects width

缺陷深度對等效應(yīng)力的影響如圖5所示，等效應(yīng)力和缺陷深度基本成正比關(guān)系，缺陷深度從1 mm增加到3 mm，三種不同缺陷尺寸的等效應(yīng)力分別增加了84.59、103.16和104.28 MPa；當(dāng)缺陷長度為150 mm、寬度為20 mm、深度為3 mm時，等效應(yīng)力為129.92 MPa，幾乎已經(jīng)達到材料的許用應(yīng)力，可以認(rèn)為該尺寸缺陷下3 mm為管道失效臨界值，超過3 mm，管道失效。因此，缺陷深度是影響失效的一個很關(guān)鍵因素。

圖5 等效應(yīng)力和缺陷深度的關(guān)系Fig.5 The curves of relationship between equivalent stress and defects depth

3.2 橢圓形模型

缺陷長度對等效應(yīng)力的影響如圖6所示，軸向長度從2 mm增加到10 mm，等效應(yīng)力呈直線增長趨勢，分別增加了17.91、25.54和35.33 MPa，隨著軸向長度的增加，等效應(yīng)力也會增大，缺陷軸向長度是影響失效的重要因素。

圖6 等效應(yīng)力和軸向長度關(guān)系Fig.6 The curves of relationship between equivalent stress and axial length

圖7給出了橢圓短軸長度和等效應(yīng)力的關(guān)系，短軸長度從1 mm增加到5 mm，等效應(yīng)力稍微有所增大，分別增加了9.24，1.94和4.37 MPa，隨后基本呈現(xiàn)直線遞減狀態(tài)，經(jīng)分析，等效應(yīng)力增大是隨著短軸長增加，缺陷寬度增大，缺陷整體形狀增大引起，而后續(xù)隨著缺陷寬度增加缺陷形狀呈現(xiàn)圓滑，尖角處應(yīng)力有所緩和緣故?？傊梯S長度是影響管道失效的一個重要因素。

圖7 等效應(yīng)力和短軸長的關(guān)系Fig.7 The curves of relationship between equivalent stress and radial length

缺陷深度與等效應(yīng)力的關(guān)系如圖8所示，等效應(yīng)力和缺陷深度成正比關(guān)系，深度從1 mm增加到3 mm，等效應(yīng)力分別增加了58.99和79.3 MPa。且當(dāng)缺陷長軸長為25 mm，短軸長為20 mm，缺陷深度為3 mm時，等效應(yīng)力為131.59 MPa，已經(jīng)超過許用應(yīng)力，因此可認(rèn)為該狀態(tài)下，管道失效的臨界值接近于3 mm。缺陷深度是管道失效的重要因素。

圖8 等效應(yīng)力和缺陷深度的關(guān)系Fig.8 The curves of relationship between equivalent stress and depth

4 工作壓力對管道失效的影響

為了分析工作壓力對含缺陷管道的影響，在以上缺陷類型中，分析幾個特殊尺寸缺陷的等效應(yīng)力隨工作壓力的變化關(guān)系如圖9所示，在同樣的長、寬、深尺寸缺陷下及內(nèi)壓下，橢圓形缺陷的等效應(yīng)力高于平底方形缺陷，且都隨著工作壓力的增大而增大，對于A、B、C、D形4種缺陷管道的最大允許工作壓力分別為7.2、5.4、6.8和4.7 MPa。工作壓力是管道失效的一個重要因素，保證管道在最大安全壓力下運行是防止管道失效的前提。等效應(yīng)力越大，剩余強度越小，管道越容易失效［10］。

圖9 工作壓力與等效應(yīng)力的關(guān)系Fig.9 The curves of relationship between equivalent stress and working pressure

其中 A形：平底方形 長100 mm寬20 mm深2.5 mm

B形：平底方形長100 mm寬20 mm深 3mm

C形：橢圓形長軸長100 mm短軸長20 mm深2.5 mm

D形：橢圓形長軸長100 mm短軸長20 mm深3 mm

5 基于有限元的剩余壽命預(yù)測

對運行10 a的采油管線有腐蝕部位壁厚進行檢測，檢測結(jié)果為（3.26、3.24、2.74、 2.62、2.14、2.92、3.12、3.04、2.74、3.18、3.14、3.08、2.76、2.42、2.89、2.82、2.16、2.55、2.68、2.54、2.64、2.44、2.26、2.62、2.18、2.22），取壁厚最大值的三個數(shù)據(jù)求平均值作為壁厚最大值Tmax，取壁厚最小值的三個數(shù)據(jù)求平均值作為壁厚的最小值Tmin，工作時間為t，由公式［11］計算最大腐蝕速率，經(jīng)計算得到管道的最大腐蝕速率為0.107 mm/a。

6 結(jié) 論

通過Ansys 有限元法對含有不同腐蝕缺陷的采油管線剩余強度和剩余壽命進行評價發(fā)現(xiàn)對于平底方形缺陷，等效應(yīng)力與缺陷長度和深度成正比關(guān)系，且缺陷長度和寬度有臨界值，分別為120 mm和10 mm，超過臨界值，等效應(yīng)力基本不變；對于橢圓形缺陷，缺陷長度和深度與等效應(yīng)力成正比關(guān)系；無論何種缺陷類型，寬度與等效應(yīng)力均成反比關(guān)系，深度是管道失效的關(guān)鍵因素。工作壓力是管道失效的一個重要因素，工作壓力越大，等效應(yīng)力越大，剩余強度越小，管道越容易失效。在相同的長、寬、深缺陷尺寸及內(nèi)壓下，橢圓形缺陷的等效應(yīng)力明顯高于平底方形缺陷，表明橢圓形缺陷對管道的承載能力影響較大。結(jié)合工程實際，通過基于有限元的剩余壽命預(yù)測計算，其剩余壽命為10.2 a。

參考文獻：

［1］李敏，方江敏，王偉.ANSYS法對含腐蝕含缺陷管道的剩余強度評價［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2013，34（2）：9-10.

［2］張旭昀，韓軍，徐子怡，等.基于ANSYS有限元法的外腐蝕管道剩余強度和剩余壽命的研究［J］.化工機械，2013，40（5）：639-640.

［3］高啟榮，淡勇.含腐蝕缺陷管道剩余壽命預(yù)測方法研究［J］.石油化工設(shè)備，2013，42（1）：13-14.

［4］L.Y.Xu，Y.F.Cheng. Reliability and failure pressure prediction of various grades of pipeline steel in the presence of corrosion defects and pre-strain［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2012（89）:75-84.

［5］Amirat A，Mohamed-Chateauneuf A，Chaoui K. Reliability assessment of underground pipelines under the combined effect of active corrosion and residual stress［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping，2006（83）:107-117.

［6］韓軍.基于有限元法的腐蝕管道剩余強度研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013：6-7.

［7］GB/T19624，在用含缺陷壓力容器評定［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［8］徐芝倫.彈性理論［M］.北京：高等教育出版社，1990：40-42.

［9］張振華.彈性力學(xué)與有限單元法［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1988：128-129.

［10］洪來鳳，孫鐵，趙志海.基于ANSYS的雙點缺陷腐蝕管道剩余強度評價［J］.油氣儲運，2010，29（12）：916-917.

［11］淡勇，李俊菀.天然氣加熱爐管腐蝕剩余強度評價及剩余壽命預(yù)測［J］.化工機械，2009，36（4）：375-376.

Residual Strength and Life-span Evaluation of Oil Pipelines With Corroded Defects

FAN Xiao-yong1，GAO Yong1，HU Jun2
（1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Yulin University， Shaanxi Yulin 719000， China；2. School of Chemical Engineering， Northwest University， Shaanxi Xi’an 710069， China）

Abstract:In order to evaluate the situation of pipelines in an oil production plant， the corroded defects of pipelines was simulated based on ANSYS FEM. Effect of different type defect’s length， width and depth on pipeline failure was studied as well as effect of various corrosion defect types on maximum working pressure. The largest corrosion rate of pipelines was calculated， and its residual life was predicted by using field test data. The results demonstrate that the defect’s length and depth are the direct factors to cause the pipeline failure， the Von Mises stress is proportional to working pressure， and the remaining life of pipeline is 10.2 a.

Key words:ANSYS； Corrosion defects； Mises stress； Residual strength； Residual life

中圖分類號：TQ 055.8

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0393-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目，項目號：51301132；陜西省教育廳科學(xué)研究計劃項目，項目號：14JK1863；榆林學(xué)院高層次人才啟動項目項目號：11GK29。

收稿日期：2015-11-17

作者簡介：范曉勇（1985-），男，陜西寶雞人，講師，碩士，2009年畢業(yè)于西北大學(xué)化工過程機械專業(yè)，研究方向：從事過程裝備腐蝕防護及安全評價工作。E-mail：fanxiaoyong0912@163.com。