基于随机腐蚀分布的海底管道延寿评估方法

徐志刚

1中国石油大学（华东）2中国石化石油工程设计有限公司

基于随机腐蚀分布的海底管道延寿评估方法

徐志刚1；2

1中国石油大学（华东）2中国石化石油工程设计有限公司

当海底管道与海床间距大于管道直径后，其下游尾迹的周期性开始显现，水动力出现脉动幅值，此时海管在脉动水动力作用下的动态响应成为影响其安全性的重要因素。针对渤海湾浅滩海油田服役后期的海底管道，采用随机腐蚀分布的有限元方法，改变海底管线端部约束条件及与海床间隙，根据载荷和应力的连续性质，考虑诸多不确定因素（海况、随机腐蚀分布）的存在，将各类不确定因素和服役后期海底管道疲劳寿命作随机变量处理，得到各种不确定因素影响下的管道疲劳寿命，较合理地评估了服役后期海底管道在役状态及延寿可行性。

海底输油管道；随机腐蚀；分布；模型；应力计算

位于渤海湾的浅滩海油田经过多年开发，海底铺设各类管线300多公里，且大部分已运行十几年，逐渐接近设计寿命并进入超期服役阶段，这些复杂的海底管网肩负着油田原油外输及油田注水的重要使命。该海域油田地理位置特殊，海域水深3～20 m，属极浅海海域，波浪、潮流作用明显。10～15m等深线为强流区，主流流速强，流向稳，持续时间长，呈明显的不对称分布，有较强的冲刷能力[1]。另外该海域海底不稳定，有些区域海底淤泥层厚度达到3m以上，存在相对滑移变迁的趋势。这类海底管道长期处在恶劣的海洋环境中，受到不同海洋环境荷载的共同作用，不可避免地产生各种腐蚀、变形、裂纹、损伤甚至造成结构破坏。因此，对于达到设计期限后拟进入超期服役阶段的海底管道，为满足安全生产的需要，对其结构状态进行延寿安全评估是非常必要的。

1 模型假设

对于处于服役后期海管的建模，以往的有限元研究大多在确定位置之后，再确定形状的缺陷。本文在给定位置处建立了四个相同尺寸的椭球形点腐蚀，通过对腐蚀处的网格进行局部细化后，模型可以较准确地反映海管腐蚀中心处的应力集中现象。为贴切而高效地描述海管的表面形貌和力学行为，将被腐蚀后的内径和外径作为表征含海管腐蚀程度的主要变量，应用随机函数，建立具有一定统计参数的服役后期海管的模型[2]。对海管模型作以下假设：

（1）环向均匀单元假设。外径沿管轴线方向随机分布，但在同一单元内，横截面依然保持平面圆形，海管模型的复杂程度主要取决于有限元网格密度。

（2）水动力学假设。海管的水动力与表观尺寸直接相关，海管腐蚀后外径有所减小，因此水动力载荷参数采用腐蚀后的平均外径。

2 几何模型

应用随机函数生成一系列具有一定均值和方差的伪随机数，但生成的样本中可能有超出完好海管壁厚的数据，所以需限定样本极值。如可限定极小值为一半壁厚对应的直径，极大值为完好海底管道外径，这样生成的随机数样本就可用来创建服役后期海底管道的几何模型了[3]。图1显示的是腐蚀随机分布的海底管道表面形貌，虚线表示无缺陷的完好海底管道外径边缘，灰色区域表示含缺陷海底管道材料物质的剩余部分。

图1 随机腐蚀分布的海底管道表面形貌

3 应力计算方法与模态分析

腐蚀海底管道同样受到浮重、水动力的作用，由于表面出现小尺度的凹凸，这些地方会出现应力集中现象，需进行应力修正[4]。根据Tipton(1996)对轴肩处应力集中的有限元计算研究，采用其拟合的应力集中系数公式计算名义应力

其中σ1为名义应力；σ1c为修正后的应力；Kt,bend是应力集中系数。

由于海底存在冲刷，海底管道平管段运行多年后产生悬空。当海底管道与海床间距大于管道直径后，其下游尾迹的周期性开始显现，水动力出现脉动幅值，此时海管在脉动水动力作用下的动态响应成为影响其安全性的重要因素。对于自由振动的海管，其本征方程为

在流体中，结构振动会带动周围的流体一起运动，所以结构沿振动方向受到的非定常阻力与其排开流体的质量有关，因此该阻力又称为附加质量力，它会影响结构的模态特性。海管动态失效行为的表现形式为疲劳失效，动应力则是用来考察疲劳失效的主要力学参数。采用三维有限元方法，考虑水动力荷载、自重及随机腐蚀对海底管道进行动态响应计算。

将模态分析得到的升力脉动幅值分布作为初始条件，采用中心差分格式和直接数值积分方法，进行动态位移和应力计算。图2为服役后期海底管道应力轴向分布随时间的变化，其轴向分布仍大致呈中间大、两端小。但由于腐蚀的影响，应力分布出现随机波动的现象。对每一节点求计算时长内的均方根，完好海底管道的最大值位于跨中位置，而服役后期海底管道的最大值则偏离跨中。

图2 服役后期海底管道应力轴向分布随时间的变化

4 疲劳损伤寿命

用确定性的方法进行疲劳分析，通常认为结构在疲劳寿命内是承受单一的恒定幅值的交变载荷或多级的恒幅载荷作用，对于结构受单一恒幅载荷作用的情况，简单的从S—N曲线就可得到疲劳寿命[5-6]。海底管道结构所受的是多级恒幅载荷，例如计算出动应力响应时间历程多为变幅值的应力循环。将最大应力的时程曲线作为疲劳载荷样本，应用线性累计损伤理论和S—N曲线，计算海底管道的疲劳寿命。在S—N曲线中，设置参数A为一个随机变量，它反映了疲劳强度的不确定性。其次，在计算过程中，对海况的描述、海底管道模型的简化、应力分析等方面采取了种种基本假设，使得计算得到的应力范围与真实应力范围之间必然存在误差，这种误差是随机的、不确定的，可用随机变量来描述。计算出海底管道疲劳寿命后，可准确、快速地评估其可靠度。

5 结语

结合实际工程，针对渤海湾浅滩海油田的服役后期海底管线，基于随机腐蚀建立有限元模型，与海底管道的实际检测状态较为接近。该方法可以合理估算出海底管道的剩余寿命，为海底管道的延寿评估及工程运行管理提供依据。

[1]ChenYanfei，LiXin，ZhouJing，etal．Studyoninteraction relationshipforsubmarinepipelinewithaxialcorrosiondefects[J]．ChinaOceanEngineering，2008，22（3)）：359-370.

[2]CarberryJr，SheridanJr，RockwellD．Forcesandwakemodes ofanoscillatingcylinder[J]．JournalofFluidsandStructures，2001，15（2）：523-532.

[3]DetNorskeVeritas．DNV-RP-F101Corrodedpipelines-RecommendedPractice[S]．Oslo：DNV，2010.

[4]DetNorskeVeritas．DNV-RP-C203Fatiguedesignofoffshoresteel structures-RecommendedPractice[S]．Oslo：DNV，2012.

[5]DetNorskeVeritas．DNV-RP-F105Freespanningpipelines-RecommendedPractice[S]．Oslo：DNV，2006.

[6]FurnesGK，BerntsenJ．Ontheresponseofafreespanpipeline subjectedtooceancurrents[J]．OceanEngineering，2002，30（9）：1553-1577.

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（栏目主持李艳秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.004

徐志刚：中国石油大学（华东）博士研究生，现为中石化石油工程设计有限公司高级工程师，研究方向为海洋石油工程。