海底管道腐蚀剩余强度评价方法

于桂杰，段安琪，陈晓强

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)①



海底管道腐蚀剩余强度评价方法

于桂杰，段安琪，陈晓强

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)①

海底油气管道在内外环境下会不可避免地造成腐蚀，严重威胁海上生产的安全性。从海底管道腐蚀成因入手，展开对管道腐蚀剩余强度评价方法研究。验证了有限单元法判断管道剩余强度的可靠性，并找出影响管道强度的因素。通过建立海底管道内腐蚀有限元模型，分析了在无外部载荷的环境下均匀腐蚀坑长度、宽度和深度对管道强度影响的大小，以及点蚀的孔径与孔深对管道强度影响的大小。讨论了在内外压联合作用下，海洋拖曳力对腐蚀管道受力的影响以及外部集中载荷下腐蚀管道极限应力。所得结果与ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC方法进行比较，得出了有限元仿真海底管道腐蚀剩余强度评价方法是可靠的，腐蚀深度是影响管道强度的主要因素。

海底管道；腐蚀；剩余强度；模拟；评价标准

海底管道是海上油气田的生命线，作为海上油气运输的大动脉，海底管道发挥着重要作用，其运行状况直接关系到海上油气田的安全[1]。与陆地管道不同，海底管道的服役条件更加苛刻，监测难度更大，其一旦发生事故将带来海洋油气田停产、水下维修、环境污染等诸多棘手问题。长时间的监测与试验证明，腐蚀失效是海底管道失效的主要形式，所占比例达35%[2]，严重影响着海底管道的使用寿命。海底管道多使用钢质材料，因其耐腐蚀性较差，随着海上油气生产年限的延长，海底管道损坏率逐年上升，泄漏和破裂事故逐渐增多。因此，评估海底管道腐蚀风险，对海底管道生命周期安全运行具有深远的工程意义和社会效益。

1　海底管道腐蚀剩余强度理论基础

本文研究海底管道腐蚀剩余强度的评价方法，选用规格为ø711.2 mm(28 英寸)的我国南海某海底管道进行计算分析。

管道内壁施加内载荷，管道内应力的计算式为[3]：

(1)

式中：σ为管道的环向应力，MPa；D为管道内径，mm；p为管道内压，MPa；t为无缺陷时管道的壁厚，mm。

本文基于弹性失效，即腐蚀区Von Mises等效应力达到管材的屈服强度时，管道会发生失效[3-4]。根据Von Mises准则，保证管道安全的基本条件是[5]：

(2)

式中：[σ]为屈服应力，MPa；σ1、σ2、σ3分别为x、y、z方向上的主应力，MPa。

采用保守的评估方式，即当腐蚀区的VonMises等效应力满足式(3)时管道处于危险状态。

(3)

2　海底管道腐蚀剩余强度有限元分析

有限元方法不受模型的限制，可以有效分析含复杂缺陷管道的安全状态，已经在工程领域得到广泛的应用[6]。本文运用有限元模拟软件ANSYS进行分析对比。

2.1无外载荷管道有限元计算结果分析

根据有限元软件ANSYS计算结果，绘制腐蚀缺陷长度、缺陷圆心角、腐蚀深度与应力的关系图。

2.1.1均匀腐蚀

1)腐蚀缺陷长度对应力的影响。

图1给出了腐蚀缺陷长度对管道产生的影响。由图1可知，3种不同的腐蚀深度，腐蚀缺陷长度对管道应力的影响发展趋势相同：等效应力的大小均随着长度的增加而上升，但上升幅度逐步减小，当腐蚀长度达到一定值时，应力几乎不再变化。另外，不同深度腐蚀缺陷的等效压力不同：深度越大，等效应力越大。

图1　腐蚀缺陷长度对内应力的影响

2)腐蚀缺陷圆心角对应力的影响。

图2给出了腐蚀缺陷圆心角对管道应力的影响。

图2　腐蚀缺陷圆心角对内应力的影响

由图2可知，3种不同的腐蚀深度下，腐蚀缺陷宽度的圆心角对管道应力的影响发展趋势相同：等效应力的大小均随着圆心角的增大而降低，当圆心角<20°时，等效应力减小的很快，当圆心角>20°时，等效应力基本不变。同样，不同深度腐蚀缺陷的等效压力不同：深度越大，等效应力越大。

3)腐蚀缺陷深度对应力的影响。

图3给出了腐蚀缺陷深度对管道应力的影响。

图3　腐蚀缺陷深度对内应力的影响

由图3可知，3种不同的腐蚀长度下，腐蚀缺陷的深度对等效应力的影响均很大，等效应力与腐蚀缺陷深度之间存在一定的非线性增加关系，随着深度的增加，等效应力快速增加，而且当深度较大时，等效应力增加明显。

综上，对于均匀腐蚀，深度、圆心角、长度是影响等效应力的主要几何参数，而且影响权数依次递减。因此，可以通过分析均匀腐蚀的深度、圆心角、长度参数初步判定管道腐蚀是否失效。

2.1.2点蚀

1)孔径对应力的影响。

图4给出点蚀孔径对管道应力的影响。

图4　点蚀孔径对应力的影响

由图4可知，随着孔径的不断增加，缺陷处所受的等效应力也不断增加，但增加的幅度无明显特点。当孔径<8 mm时，孔深的增加对等效应力的影响不大，当孔径>8 mm时，孔径的增加对等效应力的影响效果较为明显。

2)孔深对应力的影响

图5给出点蚀孔深对管道应力的影响。

图5　点蚀孔深对应力的影响

由图5可知，等效应力随点蚀孔深的加深而增大。当点蚀孔深<6 mm，孔深对点蚀管道的影响很小。当点蚀孔深>6 mm时，对点蚀管道的影响较为明显。内腐蚀管道所受的等效应力与点蚀孔深呈近似线性关系。当点蚀孔径为20 mm、孔深10 mm时，管道可初步认定为失效。

2.2内外压联合作用下管道有限元计算结果分析

外载荷对管道各处的影响不尽相同，因此腐蚀位置的改变也作为考虑的影响因素之一，建立完整的管道模型进行分析。

2.2.1海洋拖曳力

海底管道在潮流、波浪等水动力的作用下，悬跨段因涡激振动等作用会造成管道损坏。海水由于黏性在绕流时会使海底管道受力，当海水运动的雷诺数很大时，边界层会沿管壁产生分离，分离的水流形成紊动在管道后方产生漩涡，形成负压区，如图6。

图6　管道绕流分离示意

1950年Morison等人提出了波浪力方程[7-8](即Morison公式)，其适用条件为D/L≤0.15。显然，海底管道的直径远小于波长，满足该条件。在管道截面直径D处，Morison公式为：

f=fD+fI

(4)

(5)

(6)

式中：fD为作用在单位高度管道上的拖曳力；fI为惯性力；f为波浪力；ρ为海水的密度；CD和CM分别为阻力系数和惯性力系数；u和α分别为管道截面处水质点水平方向的速度和加速度。

管道参数与前例相同，所处海洋环境参数如表1。

表1　海洋环境参数

本文依据《海港水文规范》[9]来确定CD、CM的值，如表2。

文中只考虑海水拖曳力，并且为了使得CD值对应相应的波浪理论，综合考虑这里取CD=1.2作为拖曳力系数。

表2　CD和CM推荐值

根据海水流动的不同速度，运用Morison公式求得海水拖曳力和各节点所受拖曳力大小如表3。

表3　不同流速的海水拖曳力

1)海水流速对管道等效应力的影响。

当腐蚀长度为1 000 mm，圆心角为20°时，令腐蚀位置面对海水流向，分别讨论3种不同腐蚀深度的情况下，海水流速的改变对管道产生的影响。结果如表4所示。

通过表4可知，在3种不同的腐蚀深度下，海水流速的增加会一定程度上减小管道最大等效应力，但与无海水流速影响时所计算得到的等效应力值相比其影响很小，可忽略不计。通过变形放大100倍的Von Mises图可以看出，虽然海洋拖曳力对管道腐蚀的影响很小，但会造成管道的整体形变，产生疲劳损伤，如图7。

表4　流速对管道等效应力的影响

图7　拖曳力对管道形变的影响

2)内腐蚀相对位置对管道等效应力的影响。

管道所处环境包含正压区和负压区，因此内腐蚀所在位置的不同对整体管道的受力也会产生影响。为了方便描述，这里规定海水拖曳力沿x轴的正方向为0°，沿y轴的正方向为90°，θ角即表示腐蚀所在的位置与x轴所呈的角度，如图8。

图8　拖曳力矢量角示意

当腐蚀长度为1 000 mm，圆心角为20°时，取海水流速为2.26 m/s，分别讨论5种腐蚀深度的情况下，腐蚀位置的改变对管道产生的影响。结果如表5所示。

表5　腐蚀位置对等效应力的影响

注：θ为腐蚀所在的位置与x轴所呈角。

通过对比无外载荷的情况可知，当腐蚀位置与流速呈180°时，拖曳力对管道等效应力的影响最大；当腐蚀位置与流速呈0°时，拖曳力对管道等效应力的影响最小；当腐蚀位置与流速呈90°和270°时，拖曳力对管道等效应力的影响是等效的。腐蚀位置与流速呈0°和180°时，拖曳力对管道等效应力有降低的效果；腐蚀位置与流速呈90°和270°时，拖曳力对管道等效应力有增加的效果。

2.2.2外部集中力

对管道模型中某一节点施加集中力，探讨集中力位置改变对管道失效的影响，以及腐蚀深度对集中力极限值的影响。设加载在腐蚀面上的集中力角度α=0°，逆时针方向增大角度。

1)缺陷深度对集中力极限值的影响。

取缺陷长度为1 000 mm，圆心角为20°的情况进行分析，如图9。

图9　缺陷深度对集中力极限值的影响

由图9知，缺陷深度对引起失效的集中力极限值影响明显，缺陷越深，失效集中力越小。当腐蚀达到9 mm时，仅需12 kN就可造成管道失效。当α=90°，α=180°时，引起管道失效的极限集中力明显增大，且3个位置上的极限值基本相等，均不随缺陷深度的改变而变化。

2)缺陷长度对集中力极限值的影响

取缺陷深度为7 mm，圆心角为20°的情况进行分析，如图10。

图10　缺陷长度对集中力极限值的影响

由图10知，当α=0°时，缺陷长度对引起失效的集中力极限值影响有限，在长度为500～2 000 mm时，极限值随长度的增加而增加，当长度>2 000 mm后，极限值基本保持不变，缺陷长度的改变不会对极限值造成影响。当α=90°，α=180°，α=270°时，引起管道失效的极限集中力明显增大，均随缺陷长度的增加而增加，且3个位置上的极限值基本相等。

3)缺陷圆心角对集中力极限值的影响。

取缺陷深度为7 mm，缺陷长度为1 000 mm的情况进行分析，如图11。

图11　缺陷圆心角对集中力极限值的影响

由图11可知，当α=0°时，圆心角的大小对引起失效的集中力极限值影响明显，集中力极限值随圆心角的增加而增加，基本呈线性关系。当α=90°，α=180°，α=270°时，3个位置上的极限值基本相等。当圆心角<15°时，极限值随圆心角的增加而增加。当圆心角>15°时，极限值随圆心角的增加略有下降。

3　海底管道剩余强度其他评价方法比较

针对腐蚀管道的剩余强度，多个国家均已出台了相关的评价标准和规范，其中应用较多的为：ASME-B31G[10]、DNV-RP-F101[11]、PCORRC[3]、有限元分析方法。对前3种剩余强度评价方法的比较如表6。

表6　剩余强度评价方法比较

为了更直观地反应各种剩余强度评价的特点，针对海底管道参数，取腐蚀长度为200 mm，圆心角为20°，通过改变腐蚀深度将此3种工程标准与有限元分析的方法进行计算比较，结果如表7。

表7　几种方法的计算比较

通过以上的数据显示，ASME B31G相较于DNV RP-F101标准与PCORRC方法来说具有较大的保守性，说明了B3lG标准的安全可靠性。与PCORRC方法相比，DNV RP-F101计算后得到的结果差别不大，且DNV保守性小，但是也可能使预测偏于危险。通过有限元分析得出失效压力值均ASME B31G与DNV RP-F101、PCORRC计算值之间，处于合理的区间内，由此可知，运用有限元方法进行管道剩余强度分析是可行的。

4　结论

1)均匀腐蚀坑的深度和孔径是影响管道安全性的重要因素。深度越深，管道的等效应力越大；孔径越大，管道的等效应力也越大。腐蚀长度和圆心角对等效应力增加几乎无影响，因此腐蚀面积对管道安全性影响很小。

2)海水拖曳力对腐蚀管道安全性影响很小。但是，当腐蚀深度增加时，海水拖曳力是引起安全失效的主要因素。

3)集中力位置的改变对管道的安全性有很大影响。当集中力作用于腐蚀面时失效的概率增大，作用于其他位置时管道失效概率变化不大。腐蚀的深度、长度、圆心角均对集中力情况下失效有较大影响。

[1]张炬，陈振栋.海底管道腐蚀与防护措施研究现状[J].腐蚀研究，2015，29(6)：55-58.

[2]王诗鹏.海底管道腐蚀缺陷修复评估方案的确定[J].油气储运，2011，30(12)：949-950.

[3]帅健，张春娥，陈福来.非线性有限元法用于腐蚀管道失效压力预测[J].石油学报，2008，29(6)：933-937.

[4]CRONIN D S，ANADREW R K，PICK R J.Assessment of long corrosion grooves in line pipe[C]// Calgary：Proceedings of the 1st International Pipeline Conference，1996.

[5]帅健.管线力学[M].北京：科学出版社，2010.

[6]樊敦秋，李秀美，陈国明，等.基于有限元的管道缺陷精细评估程序[J].石油矿场机械，2013，42(7)：11-15.

[7]Sarpkaya T，Isaacson M.Mechanics of Wave Forces on Offshore Structure[M].New York：Van Nostrand Reinhold，1981：473-563.

[8]邱大洪.波浪理论及其在工程中的应用[M].北京：高等教育出版社，1985：272-290.

[9]兰梅雅.桩基结构物的波流作用力研究[D].上海：上海交通大学，2006.

[10]ASME B31G—2009，Manual for determining the remaining strength of corroded pipelines[S].American Social of Mechanical Engineers，2009.

[11]DNV-RP-F101，Corroded Pipeline[S].1999.

Evaluation Method of Residual Strength of Corrosion Submarine pipelines

YU Guijie，DUAN Anqi，CHEN Xiaoqiang

(CollegeofPipelineandCivilEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

The effects of internal and external environment cause corrosion inevitably，which threaten the operation safety of submarine oil.From the causes of submarine pipeline corrosion，the evaluation method of pipeline corrosion residual strength is studied.The purpose of this study is to verify the reliability of the finite element method in residual strength evaluation and to find influence factors of pipeline strength.With submarine pipeline internal corrosion finite element model，it was concluded that the length，width and depth of uniform corrosion pit size how to affect pipeline strength in the absence of any external load.In internal and external pressure situation，drag force and external concentrated load were discussed about how to affect corrosion pipelines.The data for finite element method was compared with three evaluation standard of residual strength (ASME B31G，DNV RP-F101，PCORRC).The results show that the finite element method is verified in residual strength assessment and the depth of pipeline is the greatest influence factor in pipeline strength.

submarine pipeline；corrosion；residual strength；simulation；evaluation standard

1001-3482(2016)09-0012-06

2016-03-22

于桂杰(1962-)，男，山东招远人，教授，博士，目前主要从事工程力学方面的教学与科研工作，长期从事结构强度及可靠性、机械工程、油气管柱等安全评价与研究，E-mail：yuguijie@upc.edu.cn。

TE952

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.003