張 維，姚玉南，王春萍，焦文健，盧嘉偉

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430063)

船舶海水管道在冷卻主輔機(jī)、消防、壓載等管路上起著重要的作用，它保證了船舶設(shè)備的正常運(yùn)行和安全航行。但是由于船舶海水管道的輸送介質(zhì)為腐蝕性較大的海水，會(huì)對(duì)金屬管道帶來(lái)嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，常見(jiàn)的有電化學(xué)腐蝕、沖擊腐蝕、應(yīng)力腐蝕等［1］。這些腐蝕輕者造成管道的破損，重者則會(huì)影響船舶的航行，從而會(huì)影響船上人員和船舶的安全。

目前對(duì)船舶海水管道的電化學(xué)腐蝕研究多為管材材料的選擇方面以及外加電流保護(hù)法方面［2］，但是，從腐蝕本身出發(fā)，研究腐蝕本身的變化，能夠更好的把握腐蝕的發(fā)展規(guī)律，從而為確定管道的換管周期帶來(lái)一定的依據(jù)，避免因頻繁換管帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)和停船檢修帶來(lái)的損失。因此文章將結(jié)合船舶海水管道的使用環(huán)境，采用ANSYS有限元仿真軟件，建立含有腐蝕缺陷的管道模型，分析了管道缺陷處在多因素綜合作用下的最大等效應(yīng)力隨各因素的變化情況，使用有限元仿真方法進(jìn)行管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，并采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)含有內(nèi)壁電化學(xué)腐蝕缺陷的輸油管道的剩余壽命進(jìn)行計(jì)算，從而為確立船舶海水管道的換管周期提供依據(jù)。

1 海水管道剩余強(qiáng)度有限元分析

隨著ANSYS有限元分析軟件的廣泛應(yīng)用，很多學(xué)者利用非線(xiàn)性有限元方法分析缺陷之間的相互作用對(duì)剩余強(qiáng)度的影響［3］。由于有限元方法可以更接近實(shí)際的工況情況，用非線(xiàn)性有限元方法研究腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度時(shí)，可以模擬復(fù)雜的腐蝕狀態(tài)，但同時(shí)為了使建立的模型更接近于實(shí)際，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要同時(shí)考慮多種載荷的耦合作用。有限元分析方法中，材料的失效準(zhǔn)則、有限元模型假設(shè)、模型參數(shù)等都將直接影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.1 仿真模型的基本信息

文章中的海水管道采用無(wú)縫鋼管中的Q325鋼，腐蝕缺陷形狀為矩形，由腐蝕深度、環(huán)向腐蝕長(zhǎng)度和軸向腐蝕三個(gè)參數(shù)控制，管道仿真模型的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管道模型仿真參數(shù)表

在管道進(jìn)海水口處溫度控制在50℃左右，這是為了避免管道中海水的鹽分析出，形成水垢從而影響傳熱。內(nèi)部計(jì)算流體采用海水，在建模仿真過(guò)程中，會(huì)涉及到海水的一些物理性質(zhì)，如密度、黏度等物性參數(shù)，海水性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 海水性能參數(shù)表

文章需要采用流固耦合計(jì)算，一共要用到Fluent和Static Structure兩個(gè)模塊，其之間用數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)相連。耦合計(jì)算時(shí)涉及到的管才 (Q325鋼)性能參數(shù)如表3所示。

表3 管材 (Q325鋼)性能參數(shù)表

1.2 仿真模型的建立

在利用ANSYS有限元模擬軟件對(duì)管道進(jìn)行受力分析之前，做出以下假設(shè):建模時(shí)考慮腐蝕區(qū)域尺寸和流速對(duì)內(nèi)管壁的作用以及兩端的固定約束作用，管道某處產(chǎn)生的腐蝕缺陷只對(duì)其周?chē)糠值膽?yīng)力產(chǎn)生影響，因此只分析含有腐蝕缺陷的管段?；谏鲜龃_定的管道參數(shù)及影響因素分析，建立了仿真模型，如圖1所示。

圖1 含腐蝕缺陷的海水管道仿真模型

1.3 網(wǎng)格劃分及加密處理

由于缺陷處尺寸相對(duì)較小，因此為了更好地捕捉到流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和提高ANSYS－Workbench軟件計(jì)算結(jié)果的精確度，通常需要對(duì)腐蝕區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，如圖2所示，局部放大圖為腐蝕缺陷處的網(wǎng)格圖。其中，腐蝕處的網(wǎng)格尺寸為0.001 m，其余部分尺寸為0.01 m。

1.4 失效準(zhǔn)則

失效準(zhǔn)則是用來(lái)評(píng)判管道是否失效的依據(jù)，文章主要是對(duì)管道的腐蝕區(qū)的最大等效應(yīng)力進(jìn)行分析，會(huì)用到ANSYS后處理軟件中的等效應(yīng)力(Von Mises)模塊，根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論，當(dāng)管道的最大等效應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，即可判斷該管道極有可能失效。

圖2 計(jì)算域流體網(wǎng)格劃分示意圖

在三維主應(yīng)力空間上，Von Mises條件表述為［4］:

式中:σV為屈服應(yīng)力，MPa; σ1、σ2、σ3分別為x、y、z方向上的主應(yīng)力，MPa。

1.5 有限元計(jì)算結(jié)果分析

腐蝕管道的剩余強(qiáng)度研究的是滿(mǎn)足管道安全可靠的要求下，管道存在的腐蝕缺陷，在正常的工作壓力下能否繼續(xù)安全可靠地運(yùn)行。而管道輸送介質(zhì)的流速和管內(nèi)的壓力，以及腐蝕區(qū)的尺寸等的變化都會(huì)給管道的應(yīng)力帶來(lái)一定的改變，當(dāng)管道在各種載荷綜合作用下時(shí)，會(huì)在缺陷處出現(xiàn)應(yīng)力集中，超出管道的極限強(qiáng)度，管道可能穿孔、破裂等，使得管道無(wú)法正常運(yùn)行下去，從而影響船舶冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，針對(duì)船舶海水冷卻系統(tǒng)的海水管道的剩余強(qiáng)度研究，對(duì)于保障船舶安全運(yùn)行和確定管道的換管周期具有相當(dāng)重要的意義。文章將針對(duì)以下2個(gè)因素分別對(duì)管道所受的最大等效應(yīng)力的影響進(jìn)行分析。

1)流速在管道流速范圍1～3.5 m/s內(nèi)，保持其他參數(shù)不變，使管內(nèi)流速?gòu)?.5 m/s增加到2.9 m/s，發(fā)現(xiàn)管道所受的最大等效應(yīng)力在29.16 MPa上下浮動(dòng)，變化幅度不大，如圖3所示。這主要由于在分析流速時(shí)，其對(duì)象是純流體，并沒(méi)有涉及到實(shí)際運(yùn)行中海水中所包含的雜質(zhì)顆粒等物質(zhì)，即沒(méi)有顆粒的沖擊，而且在湍流的時(shí)候，其速度分布變化很小，但是這并沒(méi)有否認(rèn)流體流速在腐蝕過(guò)程中以及顆粒對(duì)管道沖擊中所扮演的重要角色。

圖3 流速與最大等效應(yīng)力的關(guān)系

在船舶實(shí)際運(yùn)行中，冷卻系統(tǒng)的進(jìn)水管道里的海水通常會(huì)夾帶著一些雜物，例如鹽、砂等。在含鹽量及含砂量高的海水中，這些雜質(zhì)不僅會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁形成較大的沖刷作用力，在管道內(nèi)表面產(chǎn)生的切向作用力，而且由于沖刷力的作用，會(huì)阻礙管道內(nèi)壁表面保護(hù)膜的形成或?qū)σ研纬傻哪て鹌茐淖饔?，從而加劇腐蝕。其次，海水的流動(dòng)使管壁處的氧供應(yīng)量得到充分保證，在空氣中的氧擴(kuò)散到金屬表面的流速加快時(shí)，因而加劇了電化學(xué)腐蝕，其三，在海水流速超過(guò)一定極限后，不斷地有空氣泡或蒸汽泡形成和破滅，在與海水接觸的管道表面發(fā)生，會(huì)形成氣蝕，同樣會(huì)對(duì)管道的腐蝕行為帶來(lái)一定的影響。因此在船舶冷卻系統(tǒng)海水管道中，控制海水進(jìn)入管道的速度尤為重要。

2)腐蝕缺陷尺寸。腐蝕缺陷尺寸主要包含3個(gè)尺寸參數(shù)，即腐蝕深度、環(huán)向腐蝕長(zhǎng)度和軸向腐蝕長(zhǎng)度，當(dāng)其中任何一個(gè)尺寸發(fā)生變化時(shí)，管道所受的應(yīng)力就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，文章通過(guò)有限元法分析研究了不同腐蝕缺陷尺寸對(duì)管道所受最大等效應(yīng)力的影響。

(1)腐蝕深度。為了研究腐蝕深度對(duì)管道所受最大等效應(yīng)力的影響，保持其他參數(shù)不變，在腐蝕深度允許范圍內(nèi)［5］，設(shè)置腐蝕深度變化范圍為20%δ～60%δ(δ為管道壁厚)。由圖4可知，當(dāng)腐蝕深度從20%δ逐漸增加到60%δ，腐蝕區(qū)最大等效從29.054 MPa上升到53.106 MPa，并且隨著腐蝕深度的增加，管道所受的最大等效應(yīng)力的上升速率越快，在40%以后，應(yīng)力增加速率明顯上升，在50%δ～60%δ區(qū)間上升速度最快，說(shuō)明了管道隨著腐蝕深度的增加，會(huì)越來(lái)越脆弱，即使是微小的深度增加，也會(huì)給管道帶來(lái)較大的影響，因此，在管道的日常維護(hù)與檢測(cè)中，在檢測(cè)到管道腐蝕深度達(dá)到40%δ時(shí)，因注意加強(qiáng)管道的深度檢測(cè)，以便在合適的時(shí)間做出換管決策。

圖4 腐蝕深度和最大等效應(yīng)力的關(guān)系

(2)軸向長(zhǎng)度。保持其他參數(shù)不變，軸向長(zhǎng)度從2 cm增加到7 cm，管道所受的最大等效應(yīng)力從30.302 MPa增加到53.952 MPa，見(jiàn)圖5。由圖5可知，在2～3.5 cm區(qū)間內(nèi)，管道所受的最大等效應(yīng)力上升平緩，在3.5～4.5 cm期間，管道所受的最大等效應(yīng)力較之前出現(xiàn)了明顯的變化，而在5 cm之后隨著腐蝕軸向長(zhǎng)度的增加，管道所受的最大等效應(yīng)力幾乎保持不變。

(3)環(huán)向長(zhǎng)度。在其他條件不變的情況下，腐蝕區(qū)的環(huán)向腐蝕長(zhǎng)度弧度從20°增加到80°，管道所受的最大等效應(yīng)力變化范圍不大，最大為30.44 MPa，最小為 27.14 MPa，相對(duì)腐蝕深度和軸向長(zhǎng)度的變化而言，其變化幅度可以忽略不計(jì)，近視一條水平直線(xiàn)，見(jiàn)圖6。

圖6 環(huán)向長(zhǎng)度和最大等效應(yīng)力的關(guān)系

綜上所述，不同腐蝕特征參數(shù)對(duì)管道所受最大應(yīng)力的影響也不同。對(duì)比圖4、圖5和圖6發(fā)現(xiàn)，三者對(duì)管道所受的最大等效應(yīng)力的影響效果一次為:腐蝕深度＞軸向長(zhǎng)度＞徑向長(zhǎng)度?？芍g深度對(duì)管道所受的最大等效應(yīng)力影響是非常顯著的，因此，在接下來(lái)的對(duì)含有內(nèi)腐蝕缺陷的海水管道剩余壽命的預(yù)測(cè)計(jì)算選取腐蝕深度作為仿真計(jì)算對(duì)象。

3 換管周期的預(yù)測(cè)

剩余壽命預(yù)測(cè)是衡量管道安全狀況和制定維修策略的重要手段之一，通過(guò)上述仿真結(jié)果可以得出腐蝕深度是影響管道剩余強(qiáng)度最關(guān)鍵的因素，故可以通過(guò)逐步增加腐蝕深度的尺寸，利用有限元法來(lái)計(jì)算各腐蝕缺陷深度下的管道的失效壓力，分析步驟如下:首先依據(jù)ASME B31G［6］求解的安全工作壓力作為工作內(nèi)壓，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用塑性失效準(zhǔn)則與所求的最大等效應(yīng)力做比較，得出在該深水處，管道所能承受的最大內(nèi)壓。其中當(dāng)腐蝕區(qū)最大應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí)，則下一步仿真的初始?jí)毫矛F(xiàn)階段仿真的壓力值減去相應(yīng)的差值，反之則加上相應(yīng)的差值，直至腐蝕區(qū)最大應(yīng)力值在屈服強(qiáng)度5%誤差之內(nèi)，則可認(rèn)為此時(shí)仿真計(jì)算的壓力值為該工況下的失效壓力值。

若已知管道的各參數(shù)，根據(jù)剩余壽命經(jīng)驗(yàn)公式［7］可以計(jì)算得到含有內(nèi)壁局部腐蝕缺陷的極地輸油管道的剩余壽命。

圖7 失效壓力仿真計(jì)算流程

式中:ts為腐蝕管道剩余壽命年限，a;k為校正系數(shù)，一般取0.85［8］;SM為安全余量，其值等于計(jì)算失效壓力與屈服壓力的比值減去最大操作壓力與屈服壓力的比值;δ為管道公稱(chēng)壁厚，mm;v為腐蝕速率，mm/a。

取管道電化學(xué)腐蝕速率為0.080 mm/a，此實(shí)驗(yàn)值來(lái)自于武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院船機(jī)系實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)式 (2)可以得到各腐蝕厚度所剩余壽命年限。在確定管道的剩余壽命后，即可對(duì)管道是否進(jìn)行換管或是繼續(xù)進(jìn)行使用可以做出準(zhǔn)確的判斷，見(jiàn)表4。由表4可知，腐蝕深度與剩余壽命之間呈現(xiàn)反比關(guān)系，并且在腐蝕深度為4 mm之后，管道的剩余壽命下降的速率明顯加快了，因此在海水管道內(nèi)腐蝕深度達(dá)到4 mm后，應(yīng)增加對(duì)管道壁厚監(jiān)測(cè)的頻率，并在適時(shí)的時(shí)候做出換管決策，以保障船舶冷卻系統(tǒng)的正常工作。

表4 各腐蝕深度對(duì)應(yīng)的失效壓力及剩余壽命

4 結(jié)束語(yǔ)

1)采用ANSYS有限元法分析了各因素對(duì)管道腐蝕缺陷處所受的等效應(yīng)力的影響關(guān)系，得到了在保持其他條件不變的情況下，腐蝕深度及腐蝕軸向長(zhǎng)度對(duì)管道的剩余強(qiáng)度的影響效果顯著，尤其是在管道的腐蝕深度達(dá)到壁厚的40%和腐蝕軸向長(zhǎng)度達(dá)到4 cm時(shí)應(yīng)引起重視，在對(duì)海水管道的日常維護(hù)中應(yīng)著重進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2)有限元分析法與經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)合使用能夠?qū)袉我痪植扛g的管道剩余壽命進(jìn)行較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，為制定管道相應(yīng)的防腐蝕計(jì)劃和換管周期提供了一定的幫助。但是由于仿真的環(huán)境是純流體，在管道的實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)存在著雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在管內(nèi)的流動(dòng)會(huì)影響管道內(nèi)腐蝕的腐蝕速度，若要達(dá)到更為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，還需要以大量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為前提。

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