摘要：由于管道周围土壤的复杂性和管输石油、天然气等介质的腐蚀性,管道极易形成腐蚀等体积型缺陷,腐蚀缺陷将导致管道壁厚减薄、强度降低、应力集中,从而降低管道的极限承载能力,削弱管道抵抗疲劳载荷的能力,严重时甚至会发生局部穿孔导致的泄漏事故[1],造成经济损失和人员伤亡

由于管道周围土壤的复杂性和管输石油、天然气等介质的腐蚀性,管道极易形成腐蚀等体积型缺陷,腐蚀缺陷将导致管道壁厚减薄、强度降低、应力集中,从而降低管道的极限承载能力,削弱管道抵抗疲劳载荷的能力,严重时甚至会发生局部穿孔导致的泄漏事故[1],造成经济损失和人员伤亡。长输油气管道路由复杂多变,往往会途经泥石流、洪水和滑坡等地质灾害易发的地区,地层土壤的移动会使管道产生弯曲变形,严重威胁管道的正常运行。准确计算弯矩影响下含腐蚀缺陷管道的极限承载力,对确保管道安全运行具有重要的工程意义。

腐蚀管道剩余强度评价作为确保油气管道安全运行的依据引起了国内外学者广泛关注。郑新侠[2]分析了X60管线钢在土壤环境中的腐蚀规律。帅健等[3-4]对工程中常用的ASME B31G、DNV-RP-F101、API 579、BS 7910等含腐蚀缺陷管道剩余强度和剩余寿命评估的指导性规范进行分析,发现这些规范的预测结果普遍较为保守。杜国锋等[5]以Tresca屈服准则作为管道失效判据,在考虑轴向力影响的情况下,推导了均匀腐蚀管道的剩余强度计算公式。针对无限长腐蚀管道,韩文海等[6]给出了简化的极限内压计算公式,并结合概率论给出了相应极限内压的上下边界值。在研究单点腐蚀对管道失效压力影响的基础上,陈丽娜等[7]分析了内外腐蚀同时作用时油田注水管道失效压力的影响因素。曹学文等[8-9]通过数值分析的方法分析了管道存在双腐蚀缺陷时的剩余强度,证实了非线性有限元方法在研究此类问题时的有效性。刘啸奔等[10-11]分析了腐蚀缺陷轴向长度、环向宽度及径向深度等多种因素对油气管道失效压力的影响,结果表明腐蚀深度对管道剩余强度的影响较大。赵鹏程等[12]研究了腐蚀管道极限内压在受到轴向应力作用时的变化规律,并提出了相应的计算公式。随着X80等高钢级管道在工程中的运用,高钢级腐蚀管道的剩余强度问题日益显著,为此国内外诸多学者[13-16]开展了大量研究工作。

综上所述,大量研究都是针对单一荷载下腐蚀管道的失效内压评估。但是在管道运行过程中,由地质灾害引发的弯矩荷载会进一步削弱腐蚀管道的承压能力,这使腐蚀管道剩余强度计算和剩余寿命预测等工作变得困难重重。目前,仅DNV-RP-F101标准给出了内压和其他荷载联合作用下的腐蚀管道评估方法,但该方法是基于X65（钢）及以下钢级的试验和模拟得到的,其对高钢级管道的适用性还值得商榷。笔者通过有限元分析软件建立了X80（钢）管道腐蚀模型,考虑了材料因素和几何因素对计算结果的影响,研究了弯矩影响下管道失效压力对腐蚀深度、长度、宽度的敏感性。同时,基于数值模拟计算结果,回归得到弯矩影响下高钢级腐蚀管道失效压力计算公式。通过试验数据验证该模型预测腐蚀管道失效压力的有效性,以期为高强钢油气管道的完整性评价提供参考。

弯矩作用方向对含缺陷管道的失效内压有重要影响。研究表明,在弯矩的影响下,若腐蚀缺陷位于受压侧,会对管道失效压力产生更大影响[17]。考虑到管道模型的几何形状和受力状态具有对称性,笔者建立了如图1所示管道内腐蚀缺陷处于受压状态的1/4有限元模型。采用塑性屈服准则作为管道失效的判据,即认为管道腐蚀缺陷区的最小von-Mises应力达到极限抗拉强度时判定管道失效[18]。管道模型的几何和材料参数如表1所示。考虑到管道材料具有非线性,采用Ramberg-Osgood模型作为管道材料的本构方程,根据该本构方程获得的X80钢真实应力-应变曲线如图2所示。

图 1 含腐蚀缺陷管道模型

Figure 1. Pipeline model with corrosion defects

表 1 管道模型的基础参数

图 2 X80管材的真实应力-应变曲线

Figure 2. Real stress-strain curve of X80 pipeline

Ramberg-Osgood本构方程见式（1）：

式中：εt为真实应变；σt为真实应力；σy为屈服应力；E为弹性模量：c和n为材料的硬化系数。

（D为管径）及w/D；弯矩和失效内压分别表示为M/M0和P/P0。其中,M和P分别代表管道的弯矩和内压；M0和P0分别代表完整管道的极限弯矩和极限内压,它们的表达式分别如式（2）和式（3）所示。

式中：

；

；D0为管道外径；Di为管道内径；SMYS为管材最小屈服强度；I为管道横截面惯性矩。

挪威船级社发布了DNV-RP-F101 Corroded Pipeline,根据表2所述腐蚀缺陷的几何参数,设置了138组全尺寸试验,以验证该腐蚀管道评价体系的准确性。因此,笔者分别选取0.2~0.8、1.6~8.2以及0.1~0.7作为无量纲腐蚀深度、无量纲腐蚀长度以及无量纲腐蚀宽度的取值范围,研究在弯矩影响下腐蚀缺陷的几何参数对管道失效内压的影响。

表 2 DNV-RP-F101标准规定的腐蚀管道几何参数

Table 2. Geometric parameters of corroded pipelines specified in DNV-RP-F101 standard

在研究弯矩影响下含缺陷管道剩余强度对腐蚀深度、长度、宽度等参数的敏感性之前,需明确弯矩与腐蚀管道失效压力之间的关系。首先,固定无量纲腐蚀缺陷的长度和宽度分别为3.95和0.22,逐渐增加作用在管道上的弯矩,计算含腐蚀缺陷管道在不同弯矩作用下的失效压力,数值模拟结果如图3所示。可以看出,弯矩对含缺陷管道的失效内压具有显著影响。不同腐蚀缺陷深度条件下,随着弯矩的增大,管道失效内压均呈下降趋势。因此,在对含腐蚀缺陷管道进行安全评估时,弯矩是不可忽略的重要影响因素。

图 3 弯矩对管道失效内压的影响

Figure 3. Influence of bending moment on failure internal pressure of pipeline

在研究弯矩影响下管道失效内压随腐蚀深度的变化规律时,控制无量纲腐蚀长度和腐蚀宽度分别为3.95和0.22,计算弯矩影响下含不同深度腐蚀缺陷管道的失效内压,结果如图4所示。可以看出,在弯矩载荷的影响下,含腐蚀缺陷管道失效内压随腐蚀深度的增加基本呈线性降低的趋势。另外,当腐蚀深度较浅时,不同弯矩下的管道失效内压差别较大；当腐蚀深度较深时,不同弯矩下的管道失效内压差别较小。

图 4 腐蚀深度对管道失效内压的影响

Figure 4. Influence of corrosion depth on failure internal pressure of pipeline

在研究弯矩影响下管道失效内压随腐蚀长度的变化规律时,固定无量纲腐蚀宽度和深度分别为0.11、0.4,选取无量纲腐蚀长度L/

为1.6~8.2的工况研究腐蚀长度对管道失效内压的影响,计算结果如图5所示。可以看出,在弯矩的影响下,随着腐蚀长度的逐渐增加,含腐蚀缺陷管道的失效内压变得越来越小,最后趋于某一定值。可见,当腐蚀长度较长时,腐蚀管道的失效内压基本不受腐蚀长度的影响,而是主要取决于弯矩载荷的大小。

为5.933、深度为d/t=0.4,设置腐蚀宽度w/D为0.1~0.7,分别计算对应腐蚀宽度下管道的失效内压,结果如图6所示。可以看出,在弯矩的影响下含腐蚀缺陷管道的失效内压随着腐蚀宽度的增加逐渐减小,且下降幅度不可忽略。由此可见,对含缺陷管道进行安全评价时需要考虑腐蚀宽度对管道失效内压的影响。对于图中弯矩为零的曲线,在腐蚀宽度较小阶段管道失效压力随腐蚀宽度的增加呈现先增加后减小的趋势,这与崔铭伟等[19]的研究结果类似。这是因为当腐蚀宽度较小时,应力集中现象较为明显,管道失效内压较低,随着腐蚀宽度的逐渐增加,应力集中程度随之减小,管道失效内压上升；当应力集中程度不再是影响管道失效内压的决定性因素后,随着腐蚀宽度的增加,管道失效内压呈逐渐下降的趋势。

基于上述系列有限元模拟研究结果可以看出,除管径D,壁厚t等管道几何参数外,含腐蚀缺陷管道的失效内压还受腐蚀缺陷长度L、宽度w、深度d和弯矩M的影响。因此,弯矩影响下含腐蚀缺陷管道的失效内压Pf可以由式（4）所示函数表示。

根据式（5）、式（6）和式（7）对式（4）进行无量纲化,可得：

由于t/D是定值,故无量纲模型可简化为：

将有限元计算结果代入上式进行非线性拟合,则弯矩影响下腐蚀管道失效内压预测公式如式（10）所示。

该方法的决定系数为R2=0.974,其计算结果与有限元模拟结果PFEM的吻合度较高,见图7。

图 7 预测方法与有限元模拟结果对比

Figure 7. Comparison of the prediction method and FEM

为验证该方法的可行性,采用CHAUHAN等[20]的试验数据进行验证。选用管道的主要几何参数如下：外径（D）457.2 mm、壁厚（t）5.6 mm,腐蚀深度0.8t、长8t、宽2t,试验测得该含腐蚀缺陷管道在218 kN·m弯矩作用下的失效内压为6 MPa。根据本工作中的预测方法,得到该试验管道的失效内压为6.9 MPa,相对误差为15%。另外,采用DNV-RP-F101腐蚀管道评估规范对该管道进行安全评估,失效内压为4.6 MPa,相对误差为23.33%。由此可见,本文给出的弯矩影响下含腐蚀缺陷管道失效内压的预测方法相较现有评价方法更准确。

（1）弯矩对腐蚀管道的失效内压有显著影响,弯矩越大,含腐蚀缺陷管道的失效内压越小,工程中应重点关注受弯矩影响的含腐蚀缺陷管段。

（2）在弯矩影响下,腐蚀缺陷深度、长度、宽度都会对管道失效内压产生影响,其中腐蚀深度的影响最大。

（3）当腐蚀缺陷长度较大时,腐蚀管道失效内压几乎与腐蚀长度无关而仅与弯矩相关；腐蚀缺陷宽度是影响管道失效内压的一个重要因素,在进行腐蚀管道安全评估时应当予以考虑。

（4）本工作中给出的弯矩影响下高钢级含腐蚀缺陷管道的失效内压预测方法具有较高的准确度,可以为实际工程中含腐蚀缺陷管道的失效内压计算提供指导。

来源：水桃教育