崔銘偉 封子艷 由 洋 曹學(xué)文

(1. 陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院；2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東))

雙點(diǎn)蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度分析*

崔銘偉**1封子艷1由 洋1曹學(xué)文2

(1. 陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院；2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東))

現(xiàn)有雙腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)規(guī)范大多以軸向均勻腐蝕為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)雙點(diǎn)蝕缺陷管道時(shí)結(jié)果偏保守，導(dǎo)致管材嚴(yán)重浪費(fèi)。利用非線性有限元分析方法對(duì)含有交互影響雙點(diǎn)蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，驗(yàn)證了分析方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，研究了軸向間距對(duì)帶有相同尺寸雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力的影響，分析表明：當(dāng)雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距很近時(shí)，雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力會(huì)明顯小于半徑為兩個(gè)點(diǎn)蝕缺陷半徑之和的單點(diǎn)蝕缺陷管道的失效壓力；0

管道 雙點(diǎn)蝕缺陷 剩余強(qiáng)度 非線性有限元法

國(guó)內(nèi)油氣集輸管線的腐蝕問(wèn)題非常突出，局部腐蝕所占比例往往比全面腐蝕要大得多，油氣集輸管線外部長(zhǎng)期受到土壤介質(zhì)、雜散電流的腐蝕，內(nèi)部受到含有H2S、CO2及Cl-等腐蝕性介質(zhì)的油、氣、水的侵蝕，極易發(fā)生以點(diǎn)蝕缺陷為代表的局部腐蝕，而且油氣集輸管線中的腐蝕大都由多個(gè)點(diǎn)蝕缺陷群組成，多個(gè)獨(dú)立點(diǎn)蝕缺陷構(gòu)成點(diǎn)蝕群，點(diǎn)蝕群中各個(gè)點(diǎn)蝕缺陷之間，點(diǎn)蝕群與點(diǎn)蝕群之間均會(huì)發(fā)生相互作用，從而影響腐蝕管道的破壞模式和極限內(nèi)壓荷載。

針對(duì)點(diǎn)蝕群的相互作用機(jī)理，Bjsrney O H等首次得出腐蝕缺陷之間的相互作用與點(diǎn)蝕的半徑、點(diǎn)蝕深度及點(diǎn)蝕間距等參數(shù)密切相關(guān)，并提出相互作用準(zhǔn)則[1,2]；Benjamin A C等對(duì)雙點(diǎn)蝕缺陷和多點(diǎn)群腐蝕管道開(kāi)展一系列的爆破實(shí)驗(yàn)和非線性有限元分析，結(jié)果表明將多點(diǎn)腐蝕簡(jiǎn)化考慮成單點(diǎn)腐蝕進(jìn)行評(píng)估，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守[3～5]。Benjamin A C等采用非線性有限元方法研究了腐蝕之間的相互作用規(guī)律，結(jié)果表明該方法可以很好地預(yù)測(cè)多點(diǎn)腐蝕管道的極限內(nèi)壓荷載[6，7]。董事?tīng)柕炔捎梅蔷€性有限元法對(duì)不同剩余壁厚、不同內(nèi)壓和不同點(diǎn)蝕間距的管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)管道剩余壁厚對(duì)點(diǎn)蝕之間的相互作用也有較大的影響[8]。研究人員提出了一些雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用準(zhǔn)則，但這些準(zhǔn)則各不相同，大多為定性分析，甚至相互矛盾，其可靠性有待進(jìn)一步研究，還無(wú)法上升為規(guī)范指導(dǎo)雙點(diǎn)蝕缺陷或點(diǎn)蝕群管道失效壓力的計(jì)算。

文獻(xiàn)[9]列舉了目前通用的管道缺陷評(píng)價(jià)方法，如：腐蝕缺陷評(píng)價(jià)規(guī)范DNV-RP-F101[10,11]、修正的B31G規(guī)范[12～14]和RSTRENG規(guī)范；溝槽缺陷評(píng)價(jià)方法NG-18方程[15]、BS7910[16]、API 579；裂紋評(píng)價(jià)方法BS 7910(或API 579)等大都是以均勻的具有規(guī)則長(zhǎng)寬深的單腐蝕為研究對(duì)象，只有DNV RP-F101評(píng)價(jià)方法考慮了相鄰均勻腐蝕之間的相互作用，但得出的結(jié)果仍然非常保守，目前世界上還沒(méi)有一套適用點(diǎn)蝕缺陷油氣管道失效壓力的評(píng)價(jià)方法，更沒(méi)有適應(yīng)雙點(diǎn)蝕缺陷或者點(diǎn)蝕群的油氣管道失效壓力計(jì)算方法。因此，繼續(xù)開(kāi)展相鄰點(diǎn)蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)工作顯得十分必要。

1 非線性有限元分析可靠性驗(yàn)證

1.1失效準(zhǔn)則

失效準(zhǔn)則是評(píng)判失效的依據(jù)，它依失效模式而定，目前應(yīng)用比較廣泛的有兩種：基于彈性失效的準(zhǔn)則[17～19]，即腐蝕區(qū)的等效應(yīng)力達(dá)到管材的屈服強(qiáng)度時(shí)，認(rèn)為管道失效；基于塑性失效的準(zhǔn)則[18，20]，即腐蝕區(qū)最小等效應(yīng)力(筆者采用Von Mises等效應(yīng)力)達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度σb時(shí)，管道發(fā)生失效。

油氣管道材料有較好的韌性，采用基于彈性失效的準(zhǔn)則過(guò)于保守，因此采用基于塑性失效的準(zhǔn)則。在三維主應(yīng)力空間，Von Mises條件表示為：

(1)

式中σν——Von Mises等效應(yīng)力，MPa；

[σ]——許用應(yīng)力，MPa。

1.2非線性有限元分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)文獻(xiàn)[21]中群腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用非線性有限元法預(yù)測(cè)失效壓力，計(jì)算結(jié)果與誤差見(jiàn)表1，從表1可以看出，計(jì)算誤差均較小，保持在4%以內(nèi)，絕大部分誤差保持在1%以內(nèi)，說(shuō)明應(yīng)用非線性有限元法研究群腐蝕管道失效壓力的計(jì)算方法是可行的。

表1 群腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

2 研究管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

X65鋼性能參數(shù)如下：

屈服強(qiáng)度σs450MPa

抗拉強(qiáng)度σb695MPa

彈性模量E206GPa

泊松比ν0.3

管道外直徑D355.6mm

管道壁厚t15.9mm

假設(shè)X65管線鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合冪硬化應(yīng)力-應(yīng)變法則，其表達(dá)式為：

(2)

ε0=σs/E

(3)

式中n——冪硬化指數(shù)；

α——硬化系數(shù)；

ε——不同內(nèi)壓荷載下的管道應(yīng)變；

ε0——初始應(yīng)變；

σ——不同內(nèi)壓荷載下的管道應(yīng)力，MPa。

表2 管材X65的雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用分析案例

(續(xù)表2)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1相同半徑雙點(diǎn)蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度分析

圖2～4表示點(diǎn)蝕半徑R1=R2=6.77mm，深度系數(shù)d1、d2分別為0.3、0.5、0.7時(shí)的雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力云圖，圖中的數(shù)據(jù)源自表2中的21～30、51～90號(hào)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，隨著雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷之間的相互作用越來(lái)越弱，當(dāng)軸向腐蝕間距l(xiāng)d>ls后，軸向腐蝕的相互影響已經(jīng)非常微弱，可以認(rèn)為沒(méi)有影響；隨著點(diǎn)蝕深度系數(shù)的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用，并且沒(méi)有在管道等效應(yīng)力云圖上有明顯的體現(xiàn)。

圖2 d1=d2=0.3時(shí)雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力云圖

圖3 d1=d2=0.5時(shí)雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力云圖

圖4 d1=d2=0.7時(shí)雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力云圖

圖5表示點(diǎn)蝕半徑R1=R2=6.77mm，深度系數(shù)d1、d2分別為0.3、0.5、0.7的雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置的變化，圖中的數(shù)據(jù)源自表2中的21～30、51～90號(hào)數(shù)據(jù)。從圖可以看出，隨著雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距的增加，管道失效時(shí)距點(diǎn)蝕遠(yuǎn)端管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力明顯增加，但軸向間距增加到一定數(shù)值后，遠(yuǎn)端管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力變化已經(jīng)不大，說(shuō)明，隨著雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距的增加雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用減弱；隨著點(diǎn)蝕深度系數(shù)的增加，遠(yuǎn)端管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力不發(fā)生變化的點(diǎn)蝕間距越來(lái)越大，點(diǎn)蝕深度系數(shù)分別為0.3、0.5、0.7的管道管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力不發(fā)生變化的軸向間距分別為0.3ls、0.7ls、1.0ls。由文獻(xiàn)[22]可知，隨著點(diǎn)蝕軸向間距的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力增大，雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力不會(huì)大于相同尺寸的單點(diǎn)蝕管道失效壓力；當(dāng)雙點(diǎn)蝕缺陷間距較小時(shí)，其失效壓力明顯小于點(diǎn)蝕半徑R=13.54mm(所研究雙點(diǎn)蝕缺陷半徑R1、R2的和)的單點(diǎn)蝕管道失效壓力，這主要是因?yàn)?，半徑?.77mm的雙點(diǎn)蝕缺陷軸向腐蝕坑剖面面積比kp和腐蝕坑形狀系數(shù)均大于點(diǎn)蝕半徑為13.54mm的單點(diǎn)蝕的[22]。

圖5 不同深度系數(shù)的雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置的變化

由上述分析可以看出，點(diǎn)蝕缺陷深度對(duì)雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用區(qū)間有明顯的影響，隨著點(diǎn)蝕缺陷深度的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用區(qū)間也增加。但當(dāng)ld>ls后，雙點(diǎn)蝕缺陷之間的相互作用已經(jīng)不明顯，可以忽略。當(dāng)雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距很近(一般是ld<0.1ls)時(shí)，雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力會(huì)明顯小于半徑為兩個(gè)點(diǎn)蝕缺陷半徑之和的單點(diǎn)蝕缺陷管道的失效壓力，因此為確保腐蝕管道評(píng)價(jià)的安全性，一般不將兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)蝕缺陷簡(jiǎn)化成單點(diǎn)蝕缺陷管道進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖6表示雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距變化的曲線，圖8中的數(shù)據(jù)源自表2中的21～30、51～90號(hào)數(shù)據(jù)。從圖可以看出，當(dāng)雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距較小時(shí)，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用明顯；當(dāng)ld≥0.5ls后，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用已經(jīng)不明顯，但為了評(píng)價(jià)的安全性，可將0

圖6 相同半徑的雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距系數(shù)的變化

3.2相同深度雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距管道剩余強(qiáng)度分析

圖7～9表示點(diǎn)蝕深度系數(shù)d1=d2=0.5，點(diǎn)蝕半徑R1、R2分別為2.82、6.77、18.05mm時(shí)的雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力云圖，圖中的數(shù)據(jù)源自表2中的1～50號(hào)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，隨著雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷之間的相互作用越來(lái)越弱，當(dāng)軸向腐蝕間距l(xiāng)d>ls后，軸向腐蝕相互影響已經(jīng)非常微弱，可認(rèn)為沒(méi)有影響；隨著點(diǎn)蝕半徑的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用的軸向臨界間距逐漸增大，但均沒(méi)有超過(guò)ls，因此為了評(píng)價(jià)結(jié)果的安全性可將ls看作雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用的臨界間距。

圖7 R1=R2=2.82mm時(shí)雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力云圖

圖8 R1=R2=6.77mm時(shí)雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力云圖

圖9 R1=R2=18.05mm時(shí)雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力云圖

圖10表示點(diǎn)蝕深度系數(shù)d1=d2=0.5，點(diǎn)蝕半徑R1、R2分別為2.82、6.77、18.05mm時(shí)的雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置和內(nèi)壓荷載的變化，圖中的數(shù)據(jù)源自表2中的1～50號(hào)數(shù)據(jù)。與相同半徑雙點(diǎn)蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度分析一樣，從圖12a～14a可以看出，隨著雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距的增加雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用減弱；隨著點(diǎn)蝕半徑的增加，遠(yuǎn)端管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力不發(fā)生變化的點(diǎn)蝕間距越來(lái)越小，點(diǎn)蝕半徑分別為2.82、6.77、18.05mm的管道管壁外層節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力不發(fā)生變化的軸向間距分別為1.0ls、0.7ls、0.5ls。

圖10 不同點(diǎn)蝕半徑的雙點(diǎn)蝕缺陷管道等效應(yīng)力隨軸向位置的變化

圖11中的數(shù)據(jù)源自表2中的1～50號(hào)數(shù)據(jù)。圖中所示相同深度的雙點(diǎn)蝕缺陷失效壓力隨軸向間距系數(shù)的變化曲線趨勢(shì)與圖6中的曲線趨勢(shì)相同。因此，0

圖11 相同深度的雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力隨軸向間距系數(shù)的變化

4 結(jié)論

4.1采用基于塑性失效的準(zhǔn)則的三維非線性有限元法研究雙點(diǎn)蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度，可以得到可靠、準(zhǔn)確的研究結(jié)果。

4.2當(dāng)雙點(diǎn)蝕缺陷軸向間距很近時(shí)，雙點(diǎn)蝕缺陷管道失效壓力會(huì)明顯小于半徑為兩個(gè)點(diǎn)蝕缺陷半徑之和的單點(diǎn)蝕缺陷管道的失效壓力，因此為確保腐蝕管道評(píng)價(jià)的安全性，一般不將兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)蝕缺陷簡(jiǎn)化成單點(diǎn)蝕缺陷管道進(jìn)行評(píng)價(jià)；0

4.3點(diǎn)蝕半徑對(duì)雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用區(qū)間的影響要大于點(diǎn)蝕深度，隨著點(diǎn)蝕半徑的增加，雙點(diǎn)蝕缺陷相互作用區(qū)間增加的更快，但當(dāng)ld>ls后，雙點(diǎn)蝕缺陷之間的相互作用仍可以忽略。

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ResidualStrengthAnalysisofCorrodedPipelinewithDoublePittingCorrosionDefect

CUI Ming-wei1, FENG Zi-yan1,YOU Yang1, CAO Xue-wen2

(1.ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)CompanyLimited,Xi’an710075,China;2.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The evaluation specifications for pipelines with double corrosion defect take axial uniform corrosion as the research object, and its evaluation results are partially conservative which resulting in waste of pipes. The nonlinear finite element analysis method was adopted to analyze residual strength of the reciprocally-influenced pipeline with double pitting defect and then the reliability of this analysis method was verified. Analyzing the axial space’s impact on the failure pressure of the pipeline with defects of the same size shows that, when the double axial space of the pitting corrosion defect becomes very close, the failure pressure of the pipeline with defect becomes significantly less than that of the pipeline with single pitting corrosion defect whose radius is the sum of radius of the double pitting corrosion defect; and 0

pipeline,double pitting corrosion defect, residual strength, nonlinear finite element method

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51006123)。

**崔銘偉，男，1983年8月生，工程師。陜西省西安市，710075。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)03-0365-08

2014-09-17，

2016-05-20)