腐蝕缺陷對(duì)高含硫輸氣管道強(qiáng)度的影響

鄢 標(biāo),張廣晶,高 強(qiáng),金澤洋

(中國(guó)石化中原油田普光分公司 采氣廠,達(dá)州 635000)

腐蝕缺陷對(duì)高含硫輸氣管道強(qiáng)度的影響

鄢 標(biāo),張廣晶,高 強(qiáng),金澤洋

(中國(guó)石化中原油田普光分公司 采氣廠,達(dá)州 635000)

采用solid186單元對(duì)含缺陷腐蝕管道進(jìn)行建模，基于非線性有限元隱式積分算法與塑性失效準(zhǔn)則，分析了腐蝕形貌對(duì)高含硫輸氣管線強(qiáng)度的影響機(jī)理，并通過室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真分析的正確性。結(jié)果表明：含缺陷管道的力學(xué)行為包含彈性階段、屈服階段和塑性強(qiáng)化階段，其中槽形缺陷和橢球形缺陷大大降低了管道的屈服點(diǎn)，而球形缺陷對(duì)管道的屈服點(diǎn)影響相對(duì)較?。蝗毕輰?duì)管道強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為局部應(yīng)力集中，其中橢球形缺陷管道在徑向方向上的應(yīng)力梯度最大，應(yīng)力集中最為明顯。

腐蝕缺陷；高含硫輸氣管道；強(qiáng)度

普光氣田是我國(guó)首個(gè)特大型高含硫酸性氣田，其H2S平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)15.18%，CO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)8%，在開采過程中還伴隨著大量的產(chǎn)出水，目前氣田逐漸走向開發(fā)后期，集輸工藝管線腐蝕問題日益突出[1-2]。因此，分析高含硫氣田腐蝕缺陷對(duì)輸氣管道的影響變得日益迫切。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管線腐蝕問題開展了大量的研究工作。1991年，美國(guó)頒發(fā)并實(shí)施了關(guān)于確定腐蝕管線剩余強(qiáng)度的ASME B31G準(zhǔn)則；1999年末，英國(guó)頒布了BS790導(dǎo)則；崔銘偉等[3]研究了腐蝕缺陷對(duì)中高強(qiáng)度油氣管道失效壓力的影響，白清東等[4]開展了關(guān)于腐蝕管道剩余強(qiáng)度的研究。但是關(guān)于腐蝕缺陷對(duì)高含硫輸氣管道強(qiáng)度影響機(jī)理的研究還鮮見報(bào)道，為此，本工作采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，基于材料非線性和幾何非線性模型，應(yīng)用塑性失效準(zhǔn)則，開展不同缺陷形式對(duì)高含硫輸氣管道的強(qiáng)度影響規(guī)律研究，研究成果可為普光氣田高含硫輸氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，同時(shí)可為普光氣田后期的腐蝕監(jiān)測(cè)與控制提供借鑒。

1 失效準(zhǔn)則與本構(gòu)模型

1.1 強(qiáng)度失效準(zhǔn)則

強(qiáng)度失效準(zhǔn)則作為高含硫輸氣管道失效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)管道的極限承載能力評(píng)價(jià)具有重要意義。目前常用的強(qiáng)度準(zhǔn)則主要包含彈性失效準(zhǔn)則和塑性失效準(zhǔn)則兩類[5-8]。其中，前者認(rèn)為腐蝕管道在內(nèi)壓的作用下，當(dāng)管道最大等效應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)即認(rèn)定為失效；后者認(rèn)為腐蝕管道在內(nèi)壓的作用下，其最大等效應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)即認(rèn)定為失效。

普光氣田高含硫輸氣管道采用的L360鋼具有較好的韌性，當(dāng)管道發(fā)生一定的塑性變形后對(duì)管道的影響不大，仍然可以繼續(xù)使用，若采用彈性失效準(zhǔn)則，判定結(jié)果則會(huì)過于保守，故本工作將基于彈塑性失效準(zhǔn)則，開展腐蝕形貌對(duì)高含硫輸氣管道強(qiáng)度的影響機(jī)理研究，該準(zhǔn)則可表示為

(1)

式中:σv為等效應(yīng)力，MPa；σ1為第一主應(yīng)力，MPa；σ2為第二主應(yīng)力，MPa；σ3為第三主應(yīng)力，MPa；σb為抗拉強(qiáng)度，MPa。

1.2 本構(gòu)模型

以普光氣田高含硫輸氣管道為研究對(duì)象，管道材料為L(zhǎng)360管線鋼，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為360 MPa，抗拉強(qiáng)度為460 MPa。

選取Ramberg-Osgood模型作為高含硫天然氣輸送管道的本構(gòu)模型，該模型能準(zhǔn)確描述L360管線鋼的非線性應(yīng)力-應(yīng)變特性，此模型視總應(yīng)變?yōu)閺椥詰?yīng)變和塑性應(yīng)變之和。

(2)

令

(3)

(4)

式中:ε總為總應(yīng)變，εe為彈性應(yīng)變，εp為塑性應(yīng)變，n為冪硬化指數(shù)，r為硬化系數(shù)，σs為材料的屈服應(yīng)力，σ為等效應(yīng)力，E0為材料的彈性模量。

2 有限元模型

2.1 幾何模型及參數(shù)

在檢維修過程中對(duì)普光氣田集輸工藝管道進(jìn)行全面檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)管道底部發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，見圖1。由圖1可見，管道的主要腐蝕缺陷形貌可分為球形缺陷、槽形缺陷和橢球型缺陷。

圖1 集輸管道腐蝕形貌Fig. 1 The corrosion morphology of the pipeline

為便于研究腐蝕形貌對(duì)高含硫輸氣管道強(qiáng)度的影響機(jī)理，基于上述缺陷形式，建立如圖2所示的三種腐蝕管道幾何模型。

圖2 腐蝕管道幾何模型Fig. 2 The geometric model of corroded pipe

圖中,d1、d2和d3分別表示球形缺陷、橢球型缺陷和槽形缺陷的腐蝕深度，r1表示球形缺陷的半徑，r2表示橢球型缺陷的長(zhǎng)半軸，b表示槽形缺陷的寬度，L表示槽形缺陷的軸向長(zhǎng)度，D表示管道的外徑，t表示管道壁厚，幾何模型具體參數(shù)如表1所示。

2.2 網(wǎng)格模型及邊界條件

根據(jù)輸氣管道的實(shí)際情況，只需考慮內(nèi)壓對(duì)管道的作用，同時(shí)由于模型為幾何對(duì)稱模型，故只需研究1/4模型，在模型對(duì)稱面施加法向位移約束，管道端面施加固定約束，以防止剛體位移的產(chǎn)生。為提高計(jì)算精度，采用20節(jié)點(diǎn)的solid186高階單元單元，模型采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，考慮到網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算效率的影響，采用23 216個(gè)單元對(duì)模型進(jìn)行了劃分，并對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行了局部細(xì)化，同時(shí)進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終建立的有限元模型如圖3所示。

表1 腐蝕管道幾何模型參數(shù)

圖3 腐蝕管道有限元模型Fig. 3 The finite element model of corroded pipe

3 腐蝕形貌對(duì)管道強(qiáng)度的影響

3.1 腐蝕缺陷對(duì)管道力學(xué)行為影響

圖4為不同缺陷管道在不同內(nèi)壓作用下等效應(yīng)力的變化規(guī)律。由圖4可見,管道在內(nèi)壓作用下的力學(xué)行為共分為三個(gè)階段，即彈性階段、屈服階段和塑性強(qiáng)化階段。在塑性強(qiáng)化階段，其曲線趨于平行，說明缺陷形式對(duì)管道的塑性強(qiáng)化沒有影響。由圖4還可見,無缺陷管道發(fā)生屈服時(shí)內(nèi)部的壓力為28 MPa，而槽形缺陷管道、橢球形缺陷管道和球形缺陷管道發(fā)生屈服時(shí)內(nèi)部的壓力分別為16 MPa、18 MPa和22 MPa，可見槽形缺陷和橢球形缺陷大大降低了管道的極限承載能力，而球形缺陷對(duì)管道屈服強(qiáng)度影響相對(duì)較小。

圖4 內(nèi)壓對(duì)等效應(yīng)力的影響Fig. 4 The influence of the pressure on the equivalent stress

3.2 腐蝕缺陷對(duì)管道應(yīng)力分布規(guī)律的影響

結(jié)合高含硫輸氣管道的實(shí)際工況，對(duì)缺陷管道內(nèi)部施加40 MPa壓力載荷，可得到管道在不同缺陷狀態(tài)下的應(yīng)力云圖。圖5、圖6、圖7和圖8分別為完好缺陷管道、含球形缺陷管道、含橢球形缺陷管道和含槽狀缺陷管道的等效應(yīng)力云圖。

圖5 完好管道的等效應(yīng)力云圖Fig. 5 The equivalent stress of pipe in good condition

圖6 含球形缺陷管道的等效應(yīng)力云圖Fig. 6 The equivalent stress of pipe with spherical defects

圖7 含橢球形缺陷管道的等效應(yīng)力云圖Fig. 7 The equivalent stress of pipe with ellipsoid defects

圖8 含槽狀缺陷管道的等效應(yīng)力云圖Fig. 8 The equivalent stress of pipe with slotted defects

由圖5～8可見，完好管道的應(yīng)力分布較為均勻，含缺陷管道的應(yīng)力分布主要集中在缺陷的中部位置，說明缺陷對(duì)管道強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致管道失效。

測(cè)量不同缺陷管道在40 MPa內(nèi)壓作用下的最大等效應(yīng)力，結(jié)果表明:完好管道的最大等效應(yīng)力最低為443 MPa，且小于材料的抗拉強(qiáng)度，管道可以繼續(xù)使用。含槽狀缺陷管道和含橢球形缺陷管道的等效應(yīng)力比較接近，分別為518 MPa和504 MPa，含球形缺陷管道的等效應(yīng)力低于含槽狀缺陷和含橢球形缺陷管道的,為475 MPa，說明管道對(duì)球形缺陷的敏感度最小。

為準(zhǔn)確研究腐蝕缺陷對(duì)高含硫輸氣管道強(qiáng)度的影響機(jī)理，提取包含缺陷部位如圖9中所示的沿管道徑向，軸向和環(huán)向的應(yīng)力分布，分別對(duì)應(yīng)圖9中所示的AO段、BO段和CO段。

圖9 等效應(yīng)力提取部位示意圖Fig. 9 The extraction location diagram of equivalent stress

圖10 徑向方向(AO段)的應(yīng)力分布Fig. 10The stress distribution in radial direction (AO)

圖10為含不同缺陷管道沿徑向方向上的應(yīng)力分布規(guī)律。由圖10可見，無缺陷管道在徑向方向上的應(yīng)力分布非常均勻，而含缺陷管道越靠近管道內(nèi)壁，應(yīng)力越大。球形缺陷管道的應(yīng)力最小，橢球形缺陷管道在徑向方向上的應(yīng)力在初期低于槽形缺陷管道的，但越靠近管道內(nèi)壁，其應(yīng)力值越大，最后大于槽形缺陷，可見，橢球形缺陷管道在徑向方向上的應(yīng)力梯度較大，對(duì)管道的強(qiáng)度影響最大。

由圖11和圖12可見，環(huán)向長(zhǎng)度小于650 mm或軸向長(zhǎng)度小于600 mm，即遠(yuǎn)離缺陷部位時(shí)，無缺陷管道與三種含不同腐蝕形貌的缺陷管道的應(yīng)力分布規(guī)律一致，這說明缺陷的影響范圍有限，其影響范圍在環(huán)向方向接近100 mm，軸向方向接近150 mm。

圖11 環(huán)向方向(CO段)的應(yīng)力分布Fig. 11 The stress distribution in circumferential direction (CO)

4 室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

圖12 軸向方向(BO段)的應(yīng)力分布Fig. 12 The stress distribution in axial direction (BO)

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性，基于上述模型尺寸分別加工了三根含不同缺陷的高含硫輸氣管道，并進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，假設(shè)試驗(yàn)管道斷裂失效時(shí)所對(duì)應(yīng)水壓值為其失效載荷，試件斷裂后的形貌如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果Fig. 13 The test results for scene

圖13中，1號(hào)管為含球形缺陷的管道，2號(hào)管為含槽形缺陷的管道，3號(hào)管為含橢球形缺陷的管道。表2為含缺陷管道模擬失效壓力載荷與室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)管道失效時(shí)的水壓力對(duì)比誤差表。

由表2可見，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為3.1%，滿足精度要求，模擬結(jié)果可靠。

表2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差

5 結(jié)論

(1) 基于塑性失效準(zhǔn)則，準(zhǔn)確描述了腐蝕缺陷對(duì)管道力學(xué)行為的影響，管道在內(nèi)壓載荷作用下其力學(xué)行包含彈性階段、屈服階段和塑性強(qiáng)化三個(gè)階段，其中槽形缺陷和橢球形缺陷大大降低了管道的極限承載能力，而球形缺陷對(duì)管道的極限承載能力的影響相對(duì)較小。

(2) 缺陷對(duì)管道強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)為局部應(yīng)力集中，其中橢球形缺陷管道在徑向方向上的應(yīng)力梯度最大，應(yīng)力集中最為明顯。

(3) 模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果最大誤差為3.1%，滿足精度要求，仿真結(jié)果可靠。

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Effect of Corrosion Defects on the Strength of Pipeline Used for Conveying High Sour Gas

YAN Biao, ZHANG Guangjing, GAO Qiang, JIN Zeyang

(Gas Production Plant of Puguang Branch of Zhongyuan Oilfield Company, Sinopec, Dazhou 635000, China)

A pipeline containing defects was modeled in solid 186 units. The influence mechanism of the corrosion defects on the strength of pipeline used for conveying high sour gas was analyzed based on the implicit integration algorithm of nonlinear finite element analysis and plastic failure criterion. The correctness of the simulation analyses was verified through the indoor test. The results show that the mechanical behaviors of pipeline containing defects were divided into elastic phase,elastic-plastic phase and plastic reinforcement phase. Slotted and ellipsoid defects greatly reduced the yield point while the influence of spherical defects on the yield point was relatively low. The influence of defects on strength of pipeline was mainly presented as local stress concentration and the stress gradient of ellipsoid defect pipe in the radial direction was the biggest, showing the most obvious stress concentration.

corrosion defect; pipeline for conveying high sour gas; strength

2016-12-05

國(guó)家自然科學(xué)基金(51405032)； 石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(OGE201403-06)

鄢 標(biāo)(1989-)，助理工程師，碩士，從事高含硫天然氣集輸工藝與管道完整性評(píng)價(jià)，yanbiao1989@sina.cn

TE923

B

1005-748X(2017)05-0336-04

10.11973/fsyfh-201705004