(中海油(天津)管道技術(shù)工程有限公司,天津 300452)
隨著服役年限的增加,油氣輸送管道管壁不可避免會受到來自外部土壤和含有H2S、CO2等腐蝕性物質(zhì)的腐蝕[1-2]。腐蝕缺陷的存在使管道極限承載能力降低,容易引發(fā)泄漏甚至火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故,造成重大損失。為了確定管道的服役狀況、保證管道安全運(yùn)行、延長管道總體使用壽命并科學(xué)指導(dǎo)管道的安全生產(chǎn)管理,對管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確評估至關(guān)重要。常用的管道評價方法有ASME B31G—2012《腐蝕管道剩余強(qiáng)度測定手冊:ASME B31壓力管道規(guī)程補(bǔ)充件》[3]、API 579—2007《Fitness-for-Service》[4]、DNV RP-F101—2015《Corroded Pipelines》[5]、PCORRC計算方法[6]和其他推薦方法[7],各種評價方法在最佳適用材料范圍、缺陷類型以及裂紋適用性等方面有不同程度的局限性。而有限元法適用性強(qiáng),評價結(jié)果更接近于實際結(jié)果,避免了保守評估導(dǎo)致的浪費(fèi),近年來得到了廣泛應(yīng)用。文中借助ANSYS Workbench軟件,模擬計算了含有不同缺陷形狀的外腐蝕管道的等效應(yīng)力,分析了缺陷的軸向長度、周向長度和深度等尺寸對管道失效壓力的影響規(guī)律。
為簡化模型,根據(jù)管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行如下假設(shè)[8-10]:①管道材料具有塑性應(yīng)力-應(yīng)變特性,考慮幾何非線性與材料非線性。②只考慮內(nèi)壓對內(nèi)管壁的作用。③忽略周圍土壤對管壁的作用。
管道某處發(fā)生腐蝕只對其周圍部分的應(yīng)力產(chǎn)生影響,因此分析只針對帶有腐蝕缺陷的管段。為消除局部效應(yīng)的影響,根據(jù)圣維南原理[11],分析管段長度設(shè)為管道直徑的5倍。取管段的1/4進(jìn)行分析,分別構(gòu)造平底矩形、球形、圓柱形的外腐蝕缺陷區(qū)域,分析管道的失效壓力。管道材質(zhì)為SA-516 Grade70,其彈性模量206 GPa、泊松比0.28、屈服強(qiáng)度260 MPa、抗拉強(qiáng)度485 MPa、密度7.85 g/cm3。管道外徑 2 501.9 cm、內(nèi)徑2 438.4 cm、壁厚31.75 cm、管長12 510 cm。
根據(jù)腐蝕管道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用全局網(wǎng)格參數(shù)與局部網(wǎng)格參數(shù)同步的方法對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共劃分節(jié)點(diǎn)34 366個、單元數(shù)17 316個。實際工況下管道所受載荷復(fù)雜,除受內(nèi)壓外還受到其它載荷的作用。由于其它載荷對管道影響較小,故分析中只考慮內(nèi)壓。分析時對平行于軸向的2個剖面施加無摩擦約束,缺陷處的縱向剖面的垂直位移為0,遠(yuǎn)離缺陷處的剖面為固定約束。
塑性失效的準(zhǔn)則認(rèn)為,當(dāng)腐蝕區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到材料的后屈服強(qiáng)度時管道發(fā)生失效,即腐蝕缺陷區(qū)域最大等效應(yīng)力達(dá)到管道材料的抗拉強(qiáng)度時管道即失效[12-13]。Von Mises條件表述為:
式中,σs為屈服強(qiáng)度,σ1、σ2、σ3分別為x、y、z方向上的主應(yīng)力,MPa。
2.2.1平底矩形缺陷
令腐蝕缺陷軸向長度為406.4 mm、周向長度為203.2 mm,改變?nèi)毕萆疃萮,研究缺陷深度對腐蝕管道失效壓力的影響作用。腐蝕管道失效壓力隨平底矩形缺陷深度變化情況見圖1。從圖1看出,隨著缺陷深度的增加,失效壓力迅速從9.17 MPa降到3.78 MPa,變化趨勢呈很好的線性關(guān)系。
圖1 腐蝕管道失效壓力隨平底矩形缺陷深度變化情況
令腐蝕缺陷周向長度為203.2 mm、缺陷深度分別為7.94 mm和15.88 mm,改變?nèi)毕葺S向長度,研究缺陷軸向長度對腐蝕管道失效壓力的影響作用。缺陷軸向長度為203.2 mm、304.8 mm、406.4 mm、508 mm和609.6 mm等值時,腐蝕管道失效壓力變化情況見圖2。從圖2看出,不同缺陷深度下失效壓力變化趨勢相同。隨著缺陷軸向長度的增加,失效壓力先降低后有所上升,在缺陷軸向長度與周向長度之比為2.5時,失效壓力最低。
圖2 腐蝕管道失效壓力隨平底矩形缺陷軸向長度變化情況
令腐蝕缺陷軸向長度為406.4 mm,缺陷深度h分別為7.94 mm和15.88 mm,改變?nèi)毕莸闹芟蜷L度,研究缺陷周向長度對腐蝕管道失效壓力的影響作用。缺陷周向長度分別為101.6 mm、152.4 mm、203.2 mm、254 mm和304.8 mm時,腐蝕管道失效壓力變化情況見圖3。圖3表明,不同缺陷深度下管道失效壓力變化趨勢相同。改變?nèi)毕葜芟蜷L度,管道失效壓力并沒有較大的變化。
圖3 腐蝕管道失效壓力隨平底矩形缺陷周向長度變化情況
2.2.2球形缺陷
令球形缺陷半徑r分別為203.2 mm、304.8 mm和406.4 mm,改變?nèi)毕萆疃?,研究缺陷深度對腐蝕管道失效壓力的影響作用。缺陷深度分別為5.29 mm、6.35 mm、7.94 mm、10.58 mm、15.88 mm和19.81 mm時,腐蝕管道失效壓力變化情況見圖4。
圖4 腐蝕管道失效壓力隨球形缺陷深度變化情況
圖4結(jié)果表明,不同球形缺陷半徑下失效壓力變化趨勢相同,基本呈線性變化。隨著缺陷深度的增大,失效壓力迅速降低。缺陷深度較小時,不同球形缺陷半徑下的失效壓力相差不大。隨著缺陷深度的增大,球形缺陷半徑越大,失效壓力下降得越明顯。球形缺陷半徑為203.2 mm時,隨著缺陷深度的增大,失效壓力從9.89 MPa下降到了5.82 MPa;球形缺陷半徑為304.8 mm時,隨著缺陷深度的增大,失效壓力從10 MPa下降到了5.39 MPa;球形缺陷半徑為406.4 mm時,隨著缺陷深度的增大,失效壓力從9.88 MPa下降到了5.02 MPa。
令缺陷深度分別為7.94 mm和15.88 mm,改變球形缺陷半徑,研究球形缺陷半徑變化對腐蝕管道失效壓力的影響作用。腐蝕管道失效壓力隨球形缺陷半徑變化情況見圖5。圖5結(jié)果表明,當(dāng)缺陷深度為1/4管道壁厚時,失效壓力變化并不明顯。當(dāng)缺陷深度為1/2管道壁厚時,失效壓力總體呈下降趨勢,但相較于球形缺陷半徑引起的變化而言不夠顯著,僅從7.19 MPa下降為6.17 MPa。
圖5 腐蝕管道失效壓力隨球形缺陷半徑變化情況
2.2.3圓柱形缺陷
采用圓柱形模擬腐蝕溝槽,令1/4模型中溝槽長l分別為1 000 mm和500 mm,腐蝕深度h為7.94 mm。改變圓柱形溝槽半徑,研究其對腐蝕管道失效壓力的影響作用。腐蝕管道失效壓力隨圓柱形缺陷半徑變化情況見圖6。圖6結(jié)果表明,隨著圓柱形缺陷半徑的增大(即腐蝕溝槽越寬),管道失效壓力逐漸增大。缺陷長度為1 000 mm的管道失效壓力低于缺陷長度為500 mm的管道失效壓力。圓柱形缺陷半徑從10 mm增到40 mm時,管道失效壓力迅速增大。當(dāng)圓柱形缺陷半徑達(dá)到40 mm后,管道失效壓力增長速度變緩,并維持在一個定值。
圖6 腐蝕管道失效壓力隨圓柱形缺陷半徑變化情況
令1/4模型中圓柱形缺陷的長度分別為1 000 mm和500 mm,缺陷半徑為30 mm,改變圓柱形缺陷深度,研究其對腐蝕管道失效壓力的影響作用。腐蝕管道失效壓力隨圓柱形缺陷深度變化情況見圖7。圖7結(jié)果表明,隨著缺陷深度的增大,管道失效壓力迅速降低,缺陷長度為1 000 mm的管道失效壓力由7.1 MPa降低至1.85 MPa,缺陷長度為500 mm的管道失效壓力由7.13 MPa降低至2.03 MPa。由此可見,圓柱形缺陷深度也是影響管道失效壓力的重要因素[14-15]。
圖7 腐蝕管道失效壓力隨圓柱形缺陷深度變化情況
令1/4模型中圓柱形缺陷半徑分別為20 mm和40 mm,缺陷深度為7.94 mm,改變圓柱形缺陷長度,研究其對腐蝕管道失效壓力的影響作用。腐蝕管道失效壓力隨圓柱形缺陷長度變化情況見圖8。由圖8可以看出,不同半徑的缺陷,管道失效壓力變化趨勢相同。隨著圓柱形缺陷長度的增加,管道失效壓力緩慢降低[16]。
圖8 腐蝕管道失效壓力隨圓柱形缺陷長度變化情況
采用ANSYS Workbench軟件對含有不同缺陷形狀的外腐蝕管道進(jìn)行了有限元分析,模擬了缺陷不同尺寸對管道失效壓力的影響作用,得到如下結(jié)論:①當(dāng)管道外腐蝕缺陷為矩形時,缺陷的深度和軸向長度對失效壓力有顯著影響,其中缺陷深度影響作用更加明顯。缺陷周向長度對失效壓力影響并不顯著。這是因為在內(nèi)壓作用下,壓力管道的環(huán)向應(yīng)力遠(yuǎn)大于軸向應(yīng)力,缺陷的深度和軸向長度對環(huán)向應(yīng)力影響較大。②當(dāng)管道外腐蝕缺陷為球形時,缺陷的深度對失效壓力有明顯影響,球形缺陷半徑對失效壓力影響并不顯著。③當(dāng)管道外腐蝕缺陷為圓柱形時,缺陷的深度、長度和半徑均會對失效壓力有較為明顯的影響,其中缺陷深度對失效壓力的影響最為顯著。失效壓力隨圓柱形缺陷深度、長度的增加而減小,隨半徑的增加而增大。由此推斷,腐蝕溝槽越窄,對管道失效壓力的影響作用越大。