帶腐蝕缺陷的架空輸油管道抗震完整性分析

譚現東，　王亞洲，　耿錦川

(1.聊城職業(yè)技術學院 建筑學院，山東 聊城　252000； 2.中國石油大學(華東)　儲運與建筑工程學院,山東 青島　266580)

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帶腐蝕缺陷的架空輸油管道抗震完整性分析

譚現東1，王亞洲2，耿錦川2

(1.聊城職業(yè)技術學院 建筑學院，山東 聊城252000； 2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院,山東 青島266580)

針對輸油管道腐蝕后承載能力降低的問題,文章以ASME B31G標準為依據,利用斷裂力學方法計算了帶有腐蝕缺陷管道的剩余強度,并利用有限元軟件ADINA建立了不同腐蝕深度、不同腐蝕位置以及不同場地上的輸油管道的有限元模型,并進行了地震響應分析。分析結果表明:隨著腐蝕深度的增加,管道抗震完整性降低,且當腐蝕深度超過管道壁厚的20%時,必須進行強度修復;管道外部的腐蝕缺陷比內部的對管道抗震完整性影響更顯著;帶有相同缺陷的管道,在Ⅱ類和Ⅲ類場地上抗震完整性較好,在Ⅰ類場地上抗震完整性最差。

架空管道;腐蝕缺陷;地震響應;抗震完整性

隨著管道服役年限的增加,管道會出現不同深度和不同位置的腐蝕缺陷,致使管道的承載能力降低[1]。地震是近年來頻繁發(fā)生且具有極大破壞力的自然災害,當帶有腐蝕缺陷的輸油管道遭遇地震作用時,管道的完整性將受到破壞,導致管道破裂、原油泄漏、污染及爆炸等災害,甚至會危及國家和人民的生命財產安全[2-4]。因此對帶有腐蝕缺陷的管道在地震作用下的完整性分析顯得尤為重要。本文以ASME B31G準則為依據,利用斷裂力學方法計算帶有腐蝕缺陷管道的剩余強度,并利用有限元軟件ADINA建立不同腐蝕深度、不同腐蝕位置以及不同場地上的輸油管道的有限元模型,并進行了地震響應分析,從而得到缺陷對管道強度的影響程度,為管道維修或更換提供理論參考。

1　管道失效力學準則及動力運動方程

1.1管道失效力學準則

對管道進行強度分析時,常用的失效準則主要有應變失效準則、應力失效準則和數值失效準則3種[5]。國內外研究表明,應力失效準則在管道強度判定時具有較高的可靠性,因此本文采用應力失效準則，即當管道的應力水平超過管道的承載強度時管道失效,具體表現如圖1所示。

圖1　腐蝕管道失效的應力-強度模型

1.2管道地震響應運動方程

結構動力分析的目的是計算已知結構在其給定的時間、變化的荷載作用下的位移-時間過程,描述動力位移必須滿足的數學方程式,通常稱為結構的運動方程[6],這些方程的解即為所求的位移。多自由度體系的運動方程可以表示為:

(1)

在地震載荷作用下可表示為:

(2)

對結構進行三維地震反應分析時,則有:

(3)

2　腐蝕管道剩余強度計算

腐蝕管道的剩余強度即腐蝕管道破壞的臨界應力,是剩余強度分析和評價的主要組成部分[7],目前主要采用經驗和半經驗的關系式和國內外常用的規(guī)范進行計算。國內外相關試驗及實際應用表明ASME B31G準則用于評估帶有腐蝕缺陷的管道結果是可靠的[8-9],因此本文以ASME B31G準則為依據,利用斷裂力學方法計算了帶有腐蝕缺陷管道的剩余強度。管道破壞的臨界應力為:

(4)

(5)

(6)

其中,σhc為管道破壞的臨界應力;σf為材料流變強度,σf=1.1σs;σs為材料屈服強度;Cf為材料流變強度的折減系數;t為壁厚;d為腐蝕深度;l為腐蝕區(qū)長度;Mt為Folias系數;D為管道外直徑;根據有效面積法計算可得φ=0.85d/t。

根據以上計算準則,得到本文腐蝕管道破壞的臨界應力計算結果見表1所列，表1中，安全系數=應力/剩余強度,安全系數[10]≥2。

表1　不同腐蝕深度管道各時程峰值

3　有限元分析

本文以1999年投入運營的慶哈輸油管線的某懸跨段為例進行分析。管道懸跨段長8m,管道外直徑377mm,厚8mm,輸油管道設計壓力6.4MPa,運行壓力5.45MPa,管道設計屈服強度358MPa,抗拉強度460MPa,彈性模量2.1GPa,泊松比0.3,密度7 850kg/m3。

3.1模型的建立

采用Parasllid建模方式分別利用Pipe體元和Cylinder體元建立帶有不同腐蝕深度(10%～90%)、不同腐蝕位置(腐蝕位置在管道內部及外部分別距支座10%～50%處)腐蝕缺陷和不同場地的管道及內部液體的耦合模型。其中管道劃分為3Dsolid單元,流體劃分為3Dflid單元,管道一端施加全部位移約束,另一端施加除軸向外其余2個方向上的位移約束,如圖2所示。本文除對不同場地的影響分析外,均選用Ⅲ類場地條件,輸入調整后的Elcentro波，所用地震波調整后加速度峰值均為400mm/s2,作用時間均為15s,沿管道軸向垂直作用于管道。

圖2　網格劃分管道及流體有限元模型

3.2 抗震完整性分析

管道抗震完整性是指管道承受施加其上的永久載荷及偶然地震荷載作用下安全運行的能力[11]。對帶有缺陷的管道進行完整性分析,從而得到缺陷對管道強度的影響程度,為管道維修或更換提供理論參考。本文主要選取管道的軸向應力、環(huán)向應力和位移進行地震作用下帶腐蝕缺陷輸油管道的完整性分析。

3.2.1不同腐蝕深度對管道抗震完整性的影響

本部分腐蝕寬度角均為0.06π,腐蝕位置均在跨中,通過改變腐蝕深度的相關參數來模擬不同腐蝕深度的缺陷。分別提取腐蝕位置處的應力及位移時程進行分析,管道腐蝕位置應力如圖3所示。具體腐蝕參數及各時程曲線峰值見表1所列。

圖3　管道腐蝕位置應力云圖

由圖3可以看出,在地震荷載作用下,管道腐蝕位置應力集中現象很明顯,說明腐蝕缺陷的出現導致管道應力分配不均,使管道在腐蝕缺陷處達到管道破損的臨界應力的可能性增加,降低了管道的完整性。由表1可以看出,在腐蝕缺陷寬度不變的情況下,管道腐蝕缺陷越深,管道的環(huán)向應力越大,而且腐蝕缺陷在管道外側比在管道內側應力增幅更大,這是因為2種腐蝕情況下的截面慣性矩不同,當外部腐蝕深度超過管道壁厚的60%,內部腐蝕深度超過管道壁厚的70%后,管道的環(huán)向應力均接近管道破損的臨界應力;管道位移隨腐蝕深度的增加而增加,但是2種情況下的位移都沒有超過規(guī)范中的限值[12],可以看出本部分的腐蝕對管道剛度的影響不大;管道的軸向應力隨腐蝕深度的增加,呈現先增大后減小的趨勢,這是由于管道環(huán)向應力接近破損的臨界應力時,產生了環(huán)向變形,導致應力重分布造成的。由表1看出,當腐蝕深度大于20%壁厚時,除了對腐蝕區(qū)域進行防腐層修復外,還必須對管道進行強度修復,而且要重視環(huán)向強度的修復。

3.2.2不同腐蝕位置對管道抗震完整性的影響

本部分腐蝕寬度角均為0.06π,腐蝕深度均為管道壁厚的20%,通過改變腐蝕位置距離跨端的距離來模擬不同位置的腐蝕缺陷,因為本文研究的架空管道為對稱管道,故只取管道軸向長度的1/2進行研究。分別提取腐蝕位置處以及跨中處的應力及位移時程進行分析。具體腐蝕參數及各時程曲線峰值如圖4所示。

由圖4a可以看出,在地震荷載作用下,腐蝕位置越靠近跨中,管道軸向應力越大,說明腐蝕缺陷越靠近跨中,對管道軸向強度的影響越明顯;管道外部的腐蝕缺陷比管道內部的腐蝕缺陷對管道強度影響要大;在該腐蝕缺陷的影響下,腐蝕位置的軸向應力接近甚至超過了管道跨中的軸向應力,說明在腐蝕缺陷處,管道產生應力集中現象,因此,要重視管道缺陷對管道的影響。

圖4 不同腐蝕位置管道時程峰值

由圖4b可以看出,腐蝕位置與跨中的距離對管道環(huán)向應力的影響作用不是很明顯,但是腐蝕缺陷在管道內側還是外側對管道強度影響較大。由圖4c可以看出,腐蝕缺陷越靠近跨中,管道位移越大,即缺陷對管道剛度影響越明顯,但最大位移仍在規(guī)范規(guī)定的限值內,因此在該腐蝕缺陷下可不考慮腐蝕對管道剛度的影響。在地震荷載作用下,腐蝕缺陷在管道內側和外側對管道強度影響都很大,腐蝕缺陷與跨中的距離對管道軸向強度和剛度的影響較大,對管道環(huán)向強度的影響不是很明顯。在架空管道缺陷修復時,外部缺陷要比內部缺陷更加重視強度的修復。

3.2.3不同場地類別對管道抗震完整性的影響

由于長輸管道跨度較大,所經過的地質條件復雜,同一條管道有可能跨越不同的場地類別,因此對帶有腐蝕缺陷的管道在不同場地上的抗震完整性研究很有必要[13]。本部分腐蝕寬度角均為0.06π,腐蝕深度均為管道厚度的20%,腐蝕位置均在跨中,分別對Ⅰ～Ⅳ類場地上帶有腐蝕缺陷的管道進行抗震完整性研究。為了分析不同的場地上帶缺陷管道抗震完整性,分別選取4種不同卓越周期的地震波,通過分別提取腐蝕位置處的應力及位移時程進行分析[14]。具體地震波及各時程曲線峰值見表2所列。

表2　不同場地上管道各時程峰值

由表2可以看出,這4類場地中,無論是帶有內腐蝕缺陷還是外腐蝕缺陷,在Ⅲ類場地上的帶腐蝕缺陷管道的軸向應力、環(huán)向應力和位移均小于其他3類場地上的管道;Ⅱ類場地上的管道略大于Ⅲ類場地,Ⅰ類場地最大,因此,帶有相同缺陷的同種管道,在Ⅱ類和Ⅲ類場地的抗震完整性最好。在任一場地上,腐蝕缺陷在管道外側比在內側對管道軸向應力、環(huán)向應力和位移的影響都大,即對管道強度和剛度的影響較大。因此,帶有相同腐蝕缺陷的相同管道修復時,在Ⅲ類場地和Ⅳ類場地上的管道要比在Ⅱ類和Ⅲ類場地上的管道更注重強度和剛度的修復。

4　結　　論

本文分別建立不同腐蝕深度、不同腐蝕位置以及不同場地上的懸跨輸油管道與內部液體流固耦合的有限元模型,并進行了抗震完整性分析,通過分析得出以下結論:

(1) 由于腐蝕缺陷的存在,在地震作用下管道在腐蝕區(qū)域產生了應力集中現象,且隨著腐蝕深度的增加,應力集中現象越明顯,管道的抗震完整性越低。當內部腐蝕深度接近管道壁厚的60%或者外部腐蝕深度接近管道壁厚的70%時,在地震作用下管道有斷裂危險。

(2) 腐蝕缺陷越靠近跨中,對管道抗震完整性的降低越明顯;外部腐蝕比內部腐蝕缺陷對管道抗震完整性的降低越明顯。

(3) 含有相同缺陷的同樣管道,在Ⅲ類場地上的抗震完整性最好,在Ⅱ類場地上的次之,在Ⅰ類場地上的管道抗震完整性最差。

(4) 對于腐蝕管道,無論是內腐蝕還是外腐蝕,當腐蝕深度超過20%壁厚時,不僅要做防腐層修復,還必須進行強度修復。

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(責任編輯閆杏麗)

Seismic integrity analysis of overhead oil pipeline with corrosion defects

TAN Xiandong1, WANG Yazhou2, GENG Jinchuan2

(1.College of Architecture, Liaocheng Vocational and Technical College, Liaocheng 252000, China; 2.College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum(Huadong), Qingdao 266580, China)

As for the bearing capacity reduction of corroded oil pipeline, and based on ASME B31G criteria, the residual strength of pipeline with corrosion defects is calculated by using the fracture mechanics method. And the finite element model of the pipeline with different corrosion depth, corrosion location and sites is established by using the finite element software ADINA. Then the seismic response analysis is carried out. The results show that with the increase of corrosion depth, the seismic integrity of the pipeline is reduced, and when the corrosion depth is more than 20% of the pipeline wall thickness, the intensity recovery must be carried out. The external corrosion defects of the pipeline exert more prominent effect on the pipeline seismic integrity than the internal ones. The same pipeline with same defects in classⅡ and class Ⅲ ground has better seismic integrity, and the seismic integrity is the worst in classⅠground.

overhead pipeline; corrosion defect; seismic response; seismic integrity

2015-03-26；

2015-04-30

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51408609);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(15CX02044A)和山東省高等學校科技計劃資助項目(J14LG51)

譚現東(1970-),男,山東聊城人,聊城職業(yè)技術學院講師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.019

TQ055.8;TH186

A

1003-5060(2016)08-1098-05