腐蚀海底管道剩余强度分析的新方法

奉虎 于银海 弓志辉

【摘要】本文以BZ34-1油田管线修复项目为背景，针对管道内检测中出现的腐蚀问题，研究了腐蚀管道的剩余强度评价方法，并通过有限元分析进行了验证，获得了预期的结果，对腐蚀减薄管道维修方法的选择，避免次生事故的发生，以及运营生产有着重要的指导意义。

【关键词】腐蚀管道 剩余强度 有限元分析

1 概述

管道在油气行业中占有重要地位，腐蚀是威胁管道安全的一个重要因素，因为腐蚀产生的缺陷会使管道在荷载作用下，出现应力集中，从而降低管道的承载能力，常常导致穿孔、泄漏和开裂，给生产经营管理部门造成巨大的经济损失，给社会和生态环境带来十分严重的影响。2011年10月使用漏磁检测方法对BZ34-1至友谊号的原油管进行内检测，最终检测结果显示，管道存在12处腐蚀深度超过50%的缺陷，最大腐蚀深度达到了海管壁厚的85%，需要对管道剩余强度进行评估以确定修复或补强方案。管线基础数据见表1。

由于管道的剩余强度和剩余寿命的评价对于确定需要修复的缺陷点，对了解修复的紧急程度具有重要意义，所以本文参照DNV RP F101规范，对腐蚀较严重的3个点（如上表2）进行剩余强度评估，并通过有限元方法进行验证。

2 BZ34-1管道的剩余强度评价

2.1 基于内检测结果的评价

DNV RP F101规范中介绍了两种腐蚀管线的剩余强度的评价方法，分项系数法和许用应力法，其中许用应力法较适用于陆地管道，且与分项系数法相比更为保守。分项系数法，基于荷载和抗力系数设计方法，考虑了检测的精度和材料性质的不确定性影响，降低了分析结果的保守性。但分项系数法对管道腐蚀缺陷尺寸的精度非常敏感，壁厚越薄，管道剩余强度下降越快，趋势如图1所图1 缺陷深度与剩余强度的关系曲线

考虑到本项目管道剩余壁厚较薄，分项系数法计算结果更接近于管道实际剩余强度，从而降低了计算结果的保守程度，有利于帮助决策海底管道的维修方式和确定管道修复的紧急程度，因此在针对内检测结果的评估中，优先选择使用了DNV RP F101规范中的分项系数法。评价结果如表3所示。

2.2 缺陷管道剩余强度有限元分析

运用分项系数法进行管道剩余强度评估时，对腐蚀坑的尺寸确定往往进行简化，导致计算结果与实际值产生较大差距，使分析结果显得较为保守。对于关键的多点腐蚀、环向腐蚀以及更为复杂情况下的腐蚀管道，经过分项系数法进行评估后，采用有限元的方法对分析结果二次验证在某些时候也十分必要。

在进行有限元分析之前，需要先明确管线的失效准则。如果管道的设计强度为极限抗拉强度，则应该考虑管线的弹塑性。本文采用了线性强化的弹塑性模型（图2），即假设管线达到屈服强度之后，会产生塑性变形并强化，塑性变形与应力仍呈线性关系。考虑管线的弹塑性，以及对切线模量的选取会对最终结果造成影响。假定切线模量为弹性模量的1/10（2.06×1010Pa），则管线应力在达到限抗拉强度（531MPa）之后失效。

下面以3#缺陷点为例，进行腐蚀减薄缺陷管道的剩余强度有限元分析。3#修复点有两处缺陷，详细情况列于表：

依据表4数据，在ANSYS软件中建立上述两个缺陷模型，如图3所示，其外径219.1mm，壁厚 9.5 mm，长 1m，泊松比μ=0.3，Ee=2.06e11，Et=2.06e10。在管道模型内部施加环向均布载荷（相当于管道内压），经过后处理分析得出计算结果，如图4所示。应力云图显示管道缺陷位置的最大应力处于腐蚀凹坑的最深处。同时我们还可以发现，两个缺陷点产生的应力集中没有相互影响，且环向尺寸对管道的承压能力没有较大影响。

4 管道剩余强度评价结论

通过对腐蚀管线的剩余强度的研究与分析实践，总结如下：

规范提供的剩余强度的计算公式，通常结合了管线的内压爆破实验与有限元数值分析获得，具有计算简便、效率高的特点，但通常都会获得较为保守的结果。

经过有限元的验证，DNV RP F101规范提供的评价方法适用于海底管道，可以获得较好的评价结果。

必须注意计算公式的适用范围，如适用的荷载工况、缺陷的深度、分布及形状等。要了解管线本身的设计准则，避免因为评价方法与设计准则的不同，造成安全系数和其他因素选取时产生的变化。

有限元法发展相对成熟，且相较原型实验更为经济、方便。所以在评估管道剩余强度方面，也扮演了重要角色。

参考文献

[1] 天然气工业. 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.

作者简介

奉虎（1980.8-）男，汉族，四川渠县人，本科，工程师，目前主要从事海底管线/电缆铺设、检测与维修，导管架安装与检测，ROV与潜水作业技术支持工作。