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腐蝕海底管道剩余強度分析的新方法

2013-04-29 12:42:36奉虎于銀海弓志輝
關鍵詞:有限元分析

奉虎 于銀海 弓志輝

【摘要】本文以BZ34-1油田管線修復項目為背景,針對管道內(nèi)檢測中出現(xiàn)的腐蝕問題,研究了腐蝕管道的剩余強度評價方法,并通過有限元分析進行了驗證,獲得了預期的結(jié)果,對腐蝕減薄管道維修方法的選擇,避免次生事故的發(fā)生,以及運營生產(chǎn)有著重要的指導意義。

【關鍵詞】腐蝕管道 剩余強度 有限元分析

1 概述

管道在油氣行業(yè)中占有重要地位,腐蝕是威脅管道安全的一個重要因素,因為腐蝕產(chǎn)生的缺陷會使管道在荷載作用下,出現(xiàn)應力集中,從而降低管道的承載能力,常常導致穿孔、泄漏和開裂,給生產(chǎn)經(jīng)營管理部門造成巨大的經(jīng)濟損失,給社會和生態(tài)環(huán)境帶來十分嚴重的影響。2011年10月使用漏磁檢測方法對BZ34-1至友誼號的原油管進行內(nèi)檢測,最終檢測結(jié)果顯示,管道存在12處腐蝕深度超過50%的缺陷,最大腐蝕深度達到了海管壁厚的85%,需要對管道剩余強度進行評估以確定修復或補強方案。管線基礎數(shù)據(jù)見表1。

由于管道的剩余強度和剩余壽命的評價對于確定需要修復的缺陷點,對了解修復的緊急程度具有重要意義,所以本文參照DNV RP F101規(guī)范,對腐蝕較嚴重的3個點(如上表2)進行剩余強度評估,并通過有限元方法進行驗證。

2 BZ34-1管道的剩余強度評價

2.1 基于內(nèi)檢測結(jié)果的評價

DNV RP F101規(guī)范中介紹了兩種腐蝕管線的剩余強度的評價方法,分項系數(shù)法和許用應力法,其中許用應力法較適用于陸地管道,且與分項系數(shù)法相比更為保守。分項系數(shù)法,基于荷載和抗力系數(shù)設計方法,考慮了檢測的精度和材料性質(zhì)的不確定性影響,降低了分析結(jié)果的保守性。但分項系數(shù)法對管道腐蝕缺陷尺寸的精度非常敏感,壁厚越薄,管道剩余強度下降越快,趨勢如圖1所圖1 缺陷深度與剩余強度的關系曲線

考慮到本項目管道剩余壁厚較薄,分項系數(shù)法計算結(jié)果更接近于管道實際剩余強度,從而降低了計算結(jié)果的保守程度,有利于幫助決策海底管道的維修方式和確定管道修復的緊急程度,因此在針對內(nèi)檢測結(jié)果的評估中,優(yōu)先選擇使用了DNV RP F101規(guī)范中的分項系數(shù)法。評價結(jié)果如表3所示。

2.2 缺陷管道剩余強度有限元分析

運用分項系數(shù)法進行管道剩余強度評估時,對腐蝕坑的尺寸確定往往進行簡化,導致計算結(jié)果與實際值產(chǎn)生較大差距,使分析結(jié)果顯得較為保守。對于關鍵的多點腐蝕、環(huán)向腐蝕以及更為復雜情況下的腐蝕管道,經(jīng)過分項系數(shù)法進行評估后,采用有限元的方法對分析結(jié)果二次驗證在某些時候也十分必要。

在進行有限元分析之前,需要先明確管線的失效準則。如果管道的設計強度為極限抗拉強度,則應該考慮管線的彈塑性。本文采用了線性強化的彈塑性模型(圖2),即假設管線達到屈服強度之后,會產(chǎn)生塑性變形并強化,塑性變形與應力仍呈線性關系。考慮管線的彈塑性,以及對切線模量的選取會對最終結(jié)果造成影響。假定切線模量為彈性模量的1/10(2.06×1010Pa),則管線應力在達到限抗拉強度(531MPa)之后失效。

下面以3#缺陷點為例,進行腐蝕減薄缺陷管道的剩余強度有限元分析。3#修復點有兩處缺陷,詳細情況列于表:

依據(jù)表4數(shù)據(jù),在ANSYS軟件中建立上述兩個缺陷模型,如圖3所示,其外徑219.1mm,壁厚 9.5 mm,長 1m,泊松比μ=0.3,Ee=2.06e11,Et=2.06e10。在管道模型內(nèi)部施加環(huán)向均布載荷(相當于管道內(nèi)壓),經(jīng)過后處理分析得出計算結(jié)果,如圖4所示。應力云圖顯示管道缺陷位置的最大應力處于腐蝕凹坑的最深處。同時我們還可以發(fā)現(xiàn),兩個缺陷點產(chǎn)生的應力集中沒有相互影響,且環(huán)向尺寸對管道的承壓能力沒有較大影響。

4 管道剩余強度評價結(jié)論

通過對腐蝕管線的剩余強度的研究與分析實踐,總結(jié)如下:

規(guī)范提供的剩余強度的計算公式,通常結(jié)合了管線的內(nèi)壓爆破實驗與有限元數(shù)值分析獲得,具有計算簡便、效率高的特點,但通常都會獲得較為保守的結(jié)果。

經(jīng)過有限元的驗證,DNV RP F101規(guī)范提供的評價方法適用于海底管道,可以獲得較好的評價結(jié)果。

必須注意計算公式的適用范圍,如適用的荷載工況、缺陷的深度、分布及形狀等。要了解管線本身的設計準則,避免因為評價方法與設計準則的不同,造成安全系數(shù)和其他因素選取時產(chǎn)生的變化。

有限元法發(fā)展相對成熟,且相較原型實驗更為經(jīng)濟、方便。所以在評估管道剩余強度方面,也扮演了重要角色。

參考文獻

[1] 天然氣工業(yè). 2011,8

[2] ASME B31G-2009: Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines[S]. 2009.

[3] DNV RP F101: Corroded Pipelines[S].2010.

作者簡介

奉虎(1980.8-)男,漢族,四川渠縣人,本科,工程師,目前主要從事海底管線/電纜鋪設、檢測與維修,導管架安裝與檢測,ROV與潛水作業(yè)技術(shù)支持工作。

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