含雙點腐蝕腐蝕缺陷管道剩余強度和剩余壽命的分析

王戰(zhàn)輝，馬向榮，范曉勇，高 勇

(榆林學院化學與化工學院，陜西 榆林 719000)

石油是國家經(jīng)濟發(fā)展的動力源泉，其開采、運輸都必須依靠運輸管道。正是由于運輸管道在石油輸送方面有著不可替代的地位，其安全問題也就得到了越來越多的重視【1】。若不注重對運輸管道進行保護，出現(xiàn)管道泄漏問題，則會給環(huán)境帶來巨大的危害，也會給經(jīng)濟造成巨大的損失。因此，為防止管道損壞引起事故，必須重視管道的安全問題【2-5】。目前由于各方面的技術不夠成熟，管道的損壞往往不能及時被檢測出來，并且整個行業(yè)中均未明確規(guī)定管道的替換時間和檢修時間，存在一定的安全隱患。

輸送石油的管道一般鋪設在地下，容易受土壤腐蝕等因素影響，壁厚減薄，影響其力學性能，當管道內(nèi)部壓力超過一定值時，就會導致腐蝕缺陷產(chǎn)生。腐蝕缺陷的存在會影響管道的剩余強度和剩余壽命， 進而影響管道的安全運行【6】。常見的腐蝕缺陷是方形， 因此， 國內(nèi)外學者主要針對單個方形缺陷進行研究， 而對其它形狀的缺陷， 例如橢圓形、球形缺陷等研究得比較少， 對于雙點腐蝕更少有涉及【7-9】。筆者立足于油田的實際情況， 以管道內(nèi)雙點腐蝕為研究對象， 對腐蝕管道進行數(shù)據(jù)分析并應用ANSYS軟件建立模型， 采用有限元分析方法對其剩余強度進行分析， 通過建立橢圓形雙點腐蝕缺陷和正方形雙點腐蝕缺陷模型， 研究雙點腐蝕缺陷在不同的缺陷深度、缺陷間距、 缺陷尺寸下以及單點腐蝕缺陷管道最大等效應力與剩余強度的變化規(guī)律， 并對其剩余壽命進行預測， 為管道的檢修與替換提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 有限元分析過程

1.1 物性參數(shù)及結(jié)構尺寸

以某采油廠管道的實際數(shù)據(jù)為例。該管道的外表面直徑D1為φ325 mm，內(nèi)表面直徑D2為φ300 mm，壁厚t為25 mm，筒體長度L為1 000 mm。有限元分析所用的管道材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼40號鋼(鋼管)，其相關參數(shù)如下：彈性模量E為1.9×105MPa， 泊松比μ為0.269， 屈服強度Rel為355 MPa，抗拉強度Rm為570 MPa。利用ANSYS交互模式直接生成實體模型，再通過網(wǎng)格劃分獲得三維有限元模型。由于模型幾何尺寸和載荷具有對稱性，因此有限元模型可利用結(jié)構的對稱性取外腐蝕管道的1/2建模。兩橢圓形缺陷尺寸均為長軸105 mm、短軸25 mm，兩正方形缺陷邊長均為60 mm，選取不同的缺陷間距和缺陷深度，所建立的幾何模型分別如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖1 橢圓形和正方形雙點腐蝕缺陷管道模型

1.2 施加載荷和邊界約束

由于雙點腐蝕幾何模型軸對稱分布，因此對其左右兩端施加位移約束為0；對沿軸向剖開的外腐蝕管道剖面上下兩端施加的位移約束同樣也為0。雙點腐蝕缺陷管道只考慮內(nèi)壓載荷，不考慮管道內(nèi)其它因素的作用；采用ANSYS軟件對雙點腐蝕缺陷管道剩余強度進行的模擬分析中，忽略應力集中、管道自重、流體壓力、地震載荷等的影響【10-13】。

1.3 失效準則

一般來說，石油輸送管道的失效模式主要為局部塑形失效。當內(nèi)壓增大時，最大等效應力達到屈服極限便可認為管道失效，需要更換，此時的內(nèi)壓稱為剩余強度或者失效壓力。等效應力按照第四強度理論定義，即：

式中：σ——管道等效應力，MPa；

σ1、σ2、σ3——分別為沿x軸、y軸、z軸方向上的應力，MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 應力云圖

在缺陷間距為45 mm、 缺陷深度為8 mm、 內(nèi)壓為11 MPa時， 1.1節(jié)中所述橢圓形和正方形雙點腐蝕缺陷的等效應力云圖分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

由圖2(a)和圖2(b)可以看出：遠離缺陷部位應力較小，為薄膜應力，基本呈均勻分布；靠近缺陷部位，應力逐漸增大，最大等效應力發(fā)生在缺陷邊緣區(qū)域，缺陷內(nèi)部應力很小，并且分布均勻；最大應力出現(xiàn)在缺陷邊緣處，且在兩個缺陷之間。

當最大等效應力超過鋼材的屈服強度355 MPa時，發(fā)生失效，此時的壓力稱為剩余強度或者失效壓力。

圖2 雙點腐蝕缺陷管道應力云圖

2.2 橢圓形雙點腐蝕缺陷

取兩橢圓形雙點腐蝕缺陷尺寸分別為長軸105 mm、 短軸25 mm和長軸60 mm、 短軸25 mm； 兩缺陷間距45 mm， 管道內(nèi)壓力11 MPa，缺陷深度分別為5、8、11、14、17 mm，考察缺陷深度對雙點腐蝕缺陷管道最大等效壓力的影響，如圖3 所示。由圖3可以看出：一方面，缺陷深度越大，兩缺陷間的最大等效應力越大，應力集中越明顯，管道越容易發(fā)生強度失效，缺陷深度每增加3 mm，等效應力增加60～90 MPa； 另一方面，橢圓形缺陷長軸增大，缺陷形狀尺寸越大，缺陷間的等效應力越大，應力集中越明顯，管道就越容易失效。因此， 缺陷深度的大小是影響管道失效的一個重要因素， 無論是單個腐蝕缺陷還是雙點腐蝕缺陷， 缺陷深度越大， 缺陷形狀尺寸越大， 則管道缺陷范圍等效應力就越大， 管道就越容易失效。

圖3 橢圓形缺陷等效應力與腐蝕深度關系

取兩橢圓形雙點腐蝕缺陷尺寸均為長軸60 mm、短軸25 mm，缺陷深度分別為5、11、14 mm，施加管道內(nèi)壓力為11 MPa，兩缺陷間距分別為3、7、11、21、41、61、81、101 mm，考察缺陷間距對管道最大等效壓力的影響，如圖4所示。由圖4可以看出：隨著橢圓形雙點腐蝕缺陷間距的增大，等效應力先減小后保持不變；當缺陷間距<41 mm時，缺陷間距每增加4 mm，等效應力減小80～100 MPa；當缺陷間距≥41 mm時，缺陷間的等效應力在360 MPa左右波動，變化非常小，趨于穩(wěn)定，缺陷間距會出現(xiàn)臨界值； 相同尺寸雙點腐蝕缺陷和單點腐蝕缺陷相比較， 單點腐蝕缺陷等效應力較小，缺陷范圍應力集中較小，管道較不容易失效。因此，腐蝕缺陷數(shù)量越多、缺陷間距越小，則等效應力越大、管道越容易失效； 橢圓形雙點腐蝕缺陷間距對外腐蝕管道失效影響臨界值約為41 mm。

2.3 正方形雙點腐蝕缺陷

取正方形雙點腐蝕缺陷邊長分別為60、70、80 mm，兩缺陷間距為45 mm，施加管道內(nèi)壓力為11 MPa，缺陷深度分別為2、4、6、8、10 mm，考察缺陷深度對管道最大等效壓力的影響，如圖5所示。由圖5可以看出：當腐蝕缺陷邊長和間距不變時，缺陷深度越大，兩缺陷間的等效應力越大、應力集中越明顯，管道越容易失效，缺陷深度每增加2 mm，等效應力增加10～30 MPa，正方形雙點腐蝕缺陷管道所受等效應力與腐蝕深度基本呈二次函數(shù)關系；正方形雙點腐蝕缺陷管道最大等效應力小于相同尺寸的橢圓形雙點腐蝕缺陷的最大等效應力，相對來說更加安全，更不容易發(fā)生失效。

圖4 橢圓形缺陷等效應力與缺陷間距關系

圖5 正方形缺陷等效應力與缺陷深度關系

取正方形雙點腐蝕缺陷邊長為60 mm，缺陷深度分別為2、4、6 mm，施加管道內(nèi)壓力為11 MPa，缺陷間距分別為3、11、21、45、61、81、101 mm，考察缺陷間距對管道最大等效壓力的影響，如圖6所示。由圖6可以看出：腐蝕缺陷邊長和深度不變時，雙點腐蝕缺陷間距越大，等效應力越小，缺陷間的應力集中越不明顯，管道越不容易失效；當間距<45 mm時，隨缺陷間距增大，等效應力衰減很快，當缺陷間距≥45 mm時，等效應力基本保持恒定不變，缺陷間距出現(xiàn)臨界值。因此，缺陷間距越小，等效應力越大，管道越容易失效，正方形雙點腐蝕缺陷間距對外腐蝕管道失效影響臨界值約為45 mm；在幾何尺寸相同情況下，正方形雙點腐蝕缺陷危害性較小，橢圓形雙點腐蝕缺陷危害性較大。

圖6 正方形缺陷等效應力與缺陷間距關系

2.4 壽命的計算

以正方形雙點腐蝕缺陷為研究對象。假設其腐蝕缺陷的最大深度為0.3 mm，依據(jù)直接檢測得到的結(jié)果，缺陷的腐蝕速率為0.2 mm/a時，其外腐蝕管道剩余壽命為：

式中：RL——外腐蝕管道的剩余壽命，a；

C——外腐蝕管道的校正系數(shù)，取0.85；

SM——外腐蝕管道的安全裕量；

t——外腐蝕管道壁厚，mm；

GR——管道的腐蝕速率，mm/a。

由上式可計算出正方形雙點腐蝕缺陷管道的剩余壽命為30.81a。

3 結(jié)論

1) 遠離缺陷部位，等效應力較小，為薄膜應力，基本呈均勻分布；靠近缺陷部位，應力逐漸增大，最大等效應力發(fā)生在缺陷邊緣區(qū)域，在兩個缺陷之間的部位，缺陷內(nèi)部應力很小。

2) 對于橢圓形雙點腐蝕缺陷，缺陷深度和缺陷形狀尺寸越大，則兩缺陷間的最大等效應力越大，應力集中越明顯，管道越容易發(fā)生強度失效。隨著缺陷間距的增大，等效應力先減小后保持不變。橢圓形雙點腐蝕缺陷間距對外腐蝕管道失效影響臨界值約為41 mm。

3) 對于正方形雙點腐蝕缺陷，缺陷深度越大，則兩缺陷間的等效應力越大，正方形缺陷等效應力與腐蝕深度基本呈二次函數(shù)關系；隨著缺陷間距的增大，等效應力先減小后保持不變。正方形雙點腐蝕缺陷間距對外腐蝕管道失效影響臨界值約為45 mm。

4) 正方形雙點腐蝕缺陷管道最大等效應力小于相同尺寸的橢圓形雙點腐蝕缺陷的最大等效應力，相對來說更加安全，更不容易發(fā)生失效。

5) 以平底正方形缺陷為例，結(jié)合某采油廠實際管道數(shù)據(jù)，計算其剩余壽命為30.81 a。