腐蝕缺陷對(duì)高壓管道剩余強(qiáng)度和剩余壽命的影響

王戰(zhàn)輝， 張智芳， 李瑞瑞

（1.榆林學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西榆林 719000； 2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西榆林 719000）

目前石油和天然氣是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類(lèi)生活所不可缺少的重要資源，管道作為石油和天然氣運(yùn)輸?shù)闹匾溃话闵盥竦叵?，容易受土壤腐蝕，使管道壁厚減?。?］. 目前，很多石油和天然氣管道都存在不同程度的腐蝕，對(duì)于管道的防護(hù)層也存在一定程度的腐蝕，其主要原因是管道大多都埋于地底下，時(shí)間久了難免發(fā)生腐蝕，由于管道的腐蝕部位、腐蝕區(qū)域等不同，對(duì)管道的檢測(cè)帶來(lái)很大的困擾［2］. 厚度減薄到一定程度后，會(huì)發(fā)生泄露等事故，嚴(yán)重影響設(shè)備正常運(yùn)行和維修，并且也會(huì)對(duì)周邊環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)不必要的損失，甚至?xí)?duì)人類(lèi)健康造成危害，世界各國(guó)都非常重視天然氣和石油運(yùn)輸這個(gè)問(wèn)題［3-6］. 因此，對(duì)管道腐蝕機(jī)理的研究具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)形狀不同的腐蝕缺陷如圓形缺陷、橢圓缺陷、方形缺陷、組合缺陷等進(jìn)行了很多研究［7-10］.但是針對(duì)橢圓缺陷，基本上都是對(duì)軸向橢圓形缺陷中橢圓缺陷長(zhǎng)軸與管道中心線(xiàn)平行進(jìn)行研究，而對(duì)軸向橢圓形缺陷中橢圓缺陷短軸與管道中心線(xiàn)平行還沒(méi)有進(jìn)行研究，而且針對(duì)煤氣管道研究的還很少［11-17］. 因此，筆者以周向、軸向橢圓缺陷和孔形缺陷煤氣管道為研究對(duì)象，借助ANSYS有限元分析軟件，首先考察其應(yīng)力云圖，其次，通過(guò)改變?nèi)毕蓍L(zhǎng)軸長(zhǎng)度、短軸長(zhǎng)度和缺陷深度等參數(shù)，考察對(duì)高壓煤氣管道剩余強(qiáng)度和剩余壽命的影響規(guī)律. 所得結(jié)論對(duì)煤氣管道的正常運(yùn)行有一定的參考意義.

1 含腐蝕缺陷模型的建立

1.1 模型的建立和幾何尺寸參數(shù)

以X52 鋼為研究對(duì)象，幾何參數(shù)：管道外徑D 為80 mm，壁厚t 為10 mm，管道長(zhǎng)度為400 mm；物性參數(shù)：彈性模量E 為2.1×105MPa，泊松比μ 為0.3，屈服強(qiáng)度σs為359 MPa，抗拉強(qiáng)度σb為455 MPa，內(nèi)壓p 為120 MPa. 鑒于所建模型的幾何對(duì)稱(chēng)性和載荷對(duì)稱(chēng)性，選取所建模型的一半進(jìn)行分析［18］.

1.2 載荷施加

由于模型的幾何和載荷對(duì)稱(chēng)性，對(duì)沿軸向剖開(kāi)高壓管道剖面施加位移約束為0，對(duì)高壓管道兩端施加位移約束為0［19］. 對(duì)于高壓管道而言，管道內(nèi)壓是主要載荷，其余載荷與內(nèi)壓相比都很小，可以忽略不計(jì)，因此，僅在管道內(nèi)壁面施加內(nèi)壓載荷p.

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力云圖

三種腐蝕缺陷煤氣管道等效應(yīng)力云圖如圖1所示，可以看出，不論是哪種缺陷，煤氣管道等效應(yīng)力云圖可以分為兩個(gè)區(qū)域：遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域和缺陷附近區(qū)域. 遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域，應(yīng)力基本呈均勻分布，此時(shí)應(yīng)力為薄膜應(yīng)力，由內(nèi)壓載荷引起；缺陷附近區(qū)域，應(yīng)力分布情況復(fù)雜多變，出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，此時(shí)應(yīng)力為不連續(xù)效應(yīng)引起的不連續(xù)應(yīng)力，即內(nèi)壓載荷引起的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力. 而根據(jù)不連續(xù)應(yīng)力分布的局部性和自限性的特點(diǎn)，在缺陷附近區(qū)域應(yīng)力出現(xiàn)突變，遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域，應(yīng)力呈均勻分布［20-25］.

圖1 等效應(yīng)力云圖Fig.1 Equivalent stress cloud map

2.2 軸向橢圓形腐蝕缺陷

保持軸向橢圓形腐蝕缺陷短軸長(zhǎng)度為10 mm，內(nèi)壓120 MPa不變，腐蝕深度分別為1、2、3、4、5 mm，改變長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，分別取20、22、24、26、28、30 mm，考查軸向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2所示. 可以看出，在軸向橢圓形腐蝕缺陷短軸長(zhǎng)度和腐蝕深度不變的情況下，隨著長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì). 在長(zhǎng)軸長(zhǎng)度小于26 mm 時(shí)，兩者成正比例關(guān)系，當(dāng)長(zhǎng)軸長(zhǎng)度大于26 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定，因此，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度對(duì)管道外壁腐蝕區(qū)域失效影響的臨界值為26 mm.

圖2 等效應(yīng)力與長(zhǎng)軸長(zhǎng)度關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.2 Relationship of equivalent stress and length of long axis

保持軸向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為30 mm，內(nèi)壓120 MPa不變，腐蝕深度分別為1、2、3、4、5 mm，改變短軸長(zhǎng)度，分別取10、12、14、16、18、20 mm，考查軸向橢圓形腐蝕缺陷短軸長(zhǎng)度與最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3所示. 可以看出，在軸向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和腐蝕深度不變的情況下，隨著短軸長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì). 在短軸長(zhǎng)度小于14 mm 時(shí)，兩者成正比例關(guān)系，當(dāng)短軸長(zhǎng)度大于14 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定. 因此，短軸長(zhǎng)度對(duì)管道外壁腐蝕區(qū)域失效影響的臨界值為14 mm.

圖3 等效應(yīng)力與短軸長(zhǎng)度關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.3 Relationship of equivalent stress and minor axis length

保持軸向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為20 mm，內(nèi)壓120 MPa 不變，短軸長(zhǎng)度分別為10、13、16 mm，改變腐蝕深度，分別取1、1.5、2、2.5、3、4、5 mm，考查軸向橢圓形腐蝕缺陷深度與最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4 所示.可以看出，在軸向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度不變的情況下，隨著缺陷深度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，缺陷深度和等效應(yīng)力基本成一次線(xiàn)性關(guān)系，因此腐蝕深度同樣是影響失效的一個(gè)非常重要的因素，并且深度對(duì)腐蝕缺陷的影響比長(zhǎng)軸和短軸對(duì)腐蝕缺陷影響更加明顯.

圖4 等效應(yīng)力與腐蝕深度關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.4 Relationship of equivalent stress and corrosion depth

2.3 周向橢圓形腐蝕缺陷

保持周向橢圓形腐蝕缺陷短軸長(zhǎng)度為5 mm，內(nèi)壓120 MPa不變，腐蝕深度分別為1、2、3、4、5 mm，改變長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，分別取8、9、10、11、12、13 mm，考查周向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度與最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖5 所示. 可以看出，在周向橢圓形腐蝕缺陷短軸長(zhǎng)度和腐蝕深度不變的情況下，隨著長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì). 在長(zhǎng)軸長(zhǎng)度小于10 mm 時(shí)，兩者成反比例關(guān)系，當(dāng)長(zhǎng)軸長(zhǎng)度大于10 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定，因此，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度對(duì)管道外壁腐蝕區(qū)域失效影響的臨界值為10 mm.

圖5 等效應(yīng)力與長(zhǎng)軸長(zhǎng)度關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.5 Relationship of equivalent stress and length of long axis

保持周向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為15 mm，內(nèi)壓120 MPa 不變，腐蝕深度分別為1、2、2.8、3.6、4.4 mm，改變短軸長(zhǎng)度，分別取5、6、7、8、9、10 mm，考查周向橢圓形腐蝕缺陷短軸長(zhǎng)度與最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖6 所示.可以看出，在周向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和腐蝕深度不變的情況下，隨著短軸長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，基本成正比例關(guān)系.

圖6 等效應(yīng)力與短軸長(zhǎng)度關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.6 Relationship of equivalent stress and minor axis length

保持周向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為15 mm不變，內(nèi)壓120 MPa，短軸長(zhǎng)度分別為7、9、11 mm，改變腐蝕深度，分別取1、1.6、2.4、3.2、4、5、6 mm，考查周向橢圓形腐蝕缺陷深度與最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖7 所示. 可以看出，在周向橢圓形腐蝕缺陷長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度不變的情況下，隨著缺陷深度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，缺陷深度和等效應(yīng)力基本成一次線(xiàn)性關(guān)系，與軸向橢圓形腐蝕缺陷一樣，缺陷深度對(duì)腐蝕缺陷的影響比長(zhǎng)軸和短軸對(duì)腐蝕缺陷影響更加明顯.

圖7 等效應(yīng)力與腐蝕深度關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.7 Relationship of equivalent stress and corrosion depth

2.4 孔形缺陷

為了能夠準(zhǔn)確地模擬和分析，在研究時(shí)只針對(duì)單孔缺陷的情況，并且將模型簡(jiǎn)化為管道上圓柱孔型缺陷. 分別通過(guò)改變高壓管道外壁圓柱孔形腐蝕缺陷的腐蝕半徑和腐蝕深度考察其對(duì)剩余強(qiáng)度的影響.

保持圓柱孔形腐蝕缺陷深度分別為3、4、5 mm，內(nèi)壓120 MPa 不變，改變?nèi)毕莅霃?，分別取2.5、3.5、4.5、5.5 mm，考查缺陷半徑與最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖8 所示.可以看出，在缺陷深度不變的情況下，隨著缺陷半徑的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，成一次線(xiàn)性關(guān)系.

圖8 等效應(yīng)力與缺陷半徑關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.8 Relationship of equivalent stress and defect radius

保持圓柱孔形腐蝕缺陷半徑為5 mm，內(nèi)壓120 MPa不變，改變?nèi)毕萆疃?，分別取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0、4.4、4.8 mm，考查缺陷深度與最大等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖9 所示. 可以看出，在缺陷半徑不變的情況下，隨著缺陷深度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，基本成正比例關(guān)系.

圖9 等效應(yīng)力與缺陷深度關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.9 Relationship of equivalent stress and corrosion depth

2.5 腐蝕管道剩余壽命的預(yù)測(cè)

以圓柱孔形缺陷腐蝕管道為例進(jìn)行剩余壽命的預(yù)測(cè)，假設(shè)腐蝕管道4 個(gè)部位發(fā)生圓柱孔形腐蝕，其腐蝕速率分別為：0.056、0.060、0.083、0.096 mm/a. 已知各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)下面兩個(gè)公式，便可計(jì)算出腐蝕管道的剩余壽命：

其中：Tr為腐蝕管道使用壽命，a；GR為腐蝕速率，mm/a；t 為腐蝕厚度，mm；k 為修正系數(shù)；SM 為安全余量；Td為管道設(shè)計(jì)壽命，a；Ts為管道剩余壽命，a.

通過(guò)上述計(jì)算公式可以得出腐蝕壁厚和使用壽命的關(guān)系曲線(xiàn)圖如圖10所示. 可以看出，腐蝕厚度與使用壽命呈線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合就可以得出腐蝕厚度與使用壽命的一次函數(shù)關(guān)系. 已知管道的腐蝕厚度，便可推算出使用壽命，根據(jù)管道使用壽命，進(jìn)而得出管道剩余壽命，因此，管道剩余壽命與腐蝕厚度也呈線(xiàn)性關(guān)系.

圖10 腐蝕厚度與使用壽命關(guān)系曲線(xiàn)圖Fig.10 Relationship between corrosion thickness and service life

3 結(jié)論

1）煤氣管道等效應(yīng)力云圖可以分為兩個(gè)區(qū)域：遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域和缺陷附近區(qū)域. 遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域?yàn)楸∧?yīng)力，呈均勻分布；缺陷附近區(qū)域?yàn)椴贿B續(xù)應(yīng)力，呈局部性和自限性.

2）對(duì)于軸向橢圓形腐蝕缺陷，隨著長(zhǎng)軸長(zhǎng)度、缺陷深度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度出現(xiàn)臨界值；隨著短軸長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并出現(xiàn)臨界值. 對(duì)于周向橢圓形腐蝕缺陷，隨著長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，并出現(xiàn)臨界值；隨著短軸長(zhǎng)度、缺陷深度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，成正比例關(guān)系.

3）對(duì)于圓柱孔形腐蝕缺陷，隨著缺陷半徑、缺陷深度的增加，最大等效應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，呈線(xiàn)性關(guān)系.

4）管道剩余壽命與腐蝕厚度呈線(xiàn)性關(guān)系，已知腐蝕厚度，便可推算出剩余壽命.