内外腐蚀对凹陷管道剩余强度影响分析＊

司刚强，薛正林，孙伟栋，刘保余，何世亮

内外腐蚀对凹陷管道剩余强度影响分析＊

司刚强1，薛正林1，孙伟栋1，刘保余1，何世亮2

（1.中国石化管道储运有限公司，江苏 徐州 221008；2.浙江工业大学海洋研究院，浙江 杭州 310014）

以长输油气管道作为研究对象，采用球形压头对管道腐蚀区域展开位移加载，以实现管道局部区域的塑性变形，使管道出现腐蚀缺陷、凹陷缺陷、外腐蚀缺陷共存的组合缺陷，并围绕此展开研究分析。用ABAQUS有限元软件分析了管道内外腐蚀深度、长度以及凹陷深度分别对组合缺陷作用下管道剩余强度的影响。研究表明，凹陷深度对管道剩余强度影响最大，且内腐蚀缺陷对剩余强度的影响比外腐蚀缺陷大，对工程实际情况有一定的指导意义。

长输管道；剩余强度；腐蚀缺陷；凹陷管道

1 引言

目前，中国长输干线管道里程已突破12万千米，承担着全国70%的石油和99%的天然气运输。油气管道在长时间运营后，会出现严重的老龄化，再加上腐蚀、凹陷等因素，使管道输送效率明显降低，甚至引发爆炸、中毒以及火灾等重大安全事件，给经济发展以及人员健康造成严重威胁。中国很大一部分管线建于20世纪七八十年代，服役年限已将近40年，而在役管道中约60%服役时间超过20年，设备及材料的老化日渐明显，多年连续的较大管道泄漏事故使得管道是否能够再用、是否需要报废处理、如何保障其运行安全等成为必须面对的主要问题。

对于压力管道的腐蚀以及凹陷，目前有大量的相关研究。西南石油大学薛涛[1]利用韧性断裂失效模型，研究分析了凹陷管道损伤程度在不同参数下的变化情况，并且针对凹陷深度准则展开验证，与此同时，分析了在管道内压不断变化条件下，球形凹陷临界失效应变现象。刘维洋等[2]的研究主要围绕管道凹陷的深度、长度、初始内压以及下压深度等维度展开，明确了各因素对含腐蚀凹陷管道极限载荷的作 用。邹海翔[3]在研究过程当中，重点围绕含体积缺陷凹陷管道的失效压力、管道凹陷回弹、单纯凹陷管道极限承载能力等展开。朱豪豪等[4]采用非线性有限元法，利用ABAQUS软件构建相应的研究模型，用于分析缺陷宽度、长度以及深度3个参数对含缺陷埋地管道承载力的影响。王战辉等[5]从方形缺陷的视角展开研究，选取缺陷宽度、深度以及长度为自变量，研究各自变量对剩余强度与等效应力的具体影响，并结合采油厂实际数据进行管道寿命预测。

以往，很多专家与学者都将研究的重点集中在管道腐蚀以及凹陷两方面，而将上述两种现象综合研究的非常少[6-8]。

鉴于此，本次研究过程中，采用球形压头对管道腐蚀区域进行位移加载，以达到管道局部区域的塑性变形，从而产生内腐蚀缺陷、凹陷缺陷、外腐蚀缺陷共存的组合缺陷，同时结合实际工程案例展开详细分析，以期达到夯实理论基础的目的。

2 凹陷管道评价方法

目前对于凹陷管道的评价方法主要有两种，分别为基于深度评价方法和基于应变评价方法[9-11]。此外，在ASME B31.8中指出：管道出现腐蚀与凹陷情形时，要根据ASME B31G中腐蚀剩余强度评价法求解管道的失效压力。

2.1 基于深度评价方法

以深度为标准的评价法中，所采用的依据为凹陷的最大深度值，如果数值和标准既定的值一致，即认为需要采取移除或修理措施。ASME B31.8标准明确指出，平滑凹陷与带腐蚀的凹陷深度不得大于管道外径的6%。而加拿大工业标准协会所制定的CSA Z662则强调，如果管道的外径小于 105.6 mm，平滑凹陷的深度必须小于6 mm；如果超过该临界值，那么深度必须小于管道外径的6%，存在裂纹的凹陷是不允许的。

基于凹陷深度的评价标准归纳总结如表1所示。

2.2 基于应变评价方法

美国机械工程师协会所制定的ASME B31.8标准详细介绍了基于应变的评估准则，即管道的凹陷区域最大应变超过6%，那么就需要采取相应的措施，修理或者移除凹陷管道。而ASME B31.8详细解释了管道轴向弯曲应变、环向弯曲应变、轴向薄膜应变的求解公式，具体如下所示：

式（1）中：0为管道外半径，mm；1为管道凹陷环向横截面曲率半径，mm。

式（2）中：为管道壁厚，mm；2为管道凹陷轴向横截面曲率半径，mm。

式（3）中：为凹陷深度；为凹陷长度。

管道内外壁的应变：

3 有限元分析

3.1 工作条件与缺陷参数

以东黄复线管道为例，东黄复线（黄岛—昌邑）管道全长96 km，管道规格为Φ711.2×7.14 mm，材质为X60，弹性模量为206 000 MPa，泊松比为0.3，最小屈服强度为 414 MPa。

管道最大允许运行压力为4.2 MPa，运行时介质温度60 ℃。

缺陷参数信息如表2所示。

表1 基于凹陷深度的评价标准归纳总结

标准纯凹陷含腐蚀凹陷含裂纹凹陷 ASME B31.4≤6%OD（NPS 4及更小管径管道，深度小于等于6 mm）不允许不允许 ASME B31.8≤6%OD≤6%OD不允许 CSA Z662小于等于6 mm（小于等于105.6 mm管道），≤6%OD（大于105.6 mm管道）腐蚀深度小于等于40%管道壁厚不允许 API 1156≤6%OD，＞2%OD 需进行疲劳评价不允许不允许

表2 缺陷参数信息

特征名称特征长度/mm特征宽度/mm特征深度/（%）时钟方向 凹陷——66：00 金属损失-腐蚀内壁200100106：00 金属损失-腐蚀外壁200100106：00

3.2 有限元模型

运用ABAQUS有限元软件建立带缺陷的直管模型，管道长为6倍外径，按照圣维南理论，管道的长度超过其外径5倍时，可以忽略边界条件造成的影响[12-13]。假设管道内压作用在管道内没有压力损失，即管道内的内压力作用是定值。而此次研究的管道主要功能为长距离运输，满足以上条件，所以管道的热损失不纳入考虑范围内[14-15]。将钢球约束为刚体，给钢球加载方向的位移，位移值为凹陷深度，在管道凹陷的时钟方向施加凹陷，如图1所示。本模型选择实体三维八节点缩减积分单元（C3D8R）划分网格，这种单元避免了剪切“锁闭问题”，具有计算精度较高、计算效率高的优点。材料属性为线弹性。

图1 带缺陷管道模型

3.3 边界条件

将刚体球和管道的相互作用简化为切向接触和法向接触，对这两个方向的接触关系分别进行假定，采用无摩擦硬接触。根据所研究对象实际受力变形情况，利用耦合约束将左右端面六个自由度与参考点的运动约束在一起，参考点的位置位于左右端面圆心处。将管道一端固定，另一端设置为沿管道轴向对称。

3.4 施加载荷

管道自重以及土壤压力对管道失效压力的影响非常小，因此，为简化计算，可忽略上述因素，仅关注管道内压和温差影响。输送介质压力，在管道内表面施加压力8 MPa。温度荷载将初始温度设置为20 ℃，分析时第一步温度设置为60 ℃。常温状态铺设的管道，工作状态时温度会变成内部介质的温度。

3.5 剩余强度结果

带缺陷的管道MISES应力云图如图2所示。管道压力与最大Von Mises应力曲线如图3所示。当分析到0.52步时，管道达到屈服强度，为414 MPa。此时加载的压力为8×0.52= 4.16 MPa，剩余强度为4.16 MPa，小于最大允许运行压力，为4.2 MPa，管道无法继续使用，需要修复缺陷或更换管道。

4 缺陷尺寸对剩余强度影响分析

4.1 内腐蚀缺陷深度

假设管体和凹陷的尺寸不变，凹陷深度为管径的6%，内腐蚀长度为200 mm，宽度为100 mm，分别研究不同内腐蚀深度下管道剩余强度变化情况，腐蚀深度为壁厚的5%～50%，间隔5%。剩余强度结果如图4所示，从图4可以看出，随着内腐蚀深度的增加，缺陷管道剩余强度逐渐减小，而且减小的趋势越来越陡，可见内腐蚀深度对管道剩余强度的影响较大。

图2 带缺陷的管道MISES应力云图

图3 管道压力与最大Von Mises应力曲线

图4 剩余强度结果（内腐蚀深度）

4.2 外腐蚀缺陷深度

假设管体和凹陷的尺寸固定，凹陷深度为管径的6%，外腐蚀长度为200 mm，宽度为100 mm，分别研究不同外腐蚀深度下管道剩余强度变化情况，腐蚀深度为壁厚的5%～50%，间隔5%。

剩余强度结果如图5所示。从图5可以看出，随着外腐蚀深度的增加，缺陷管道剩余强度逐渐减小，且减小的趋势越来越强，但是没有内腐蚀深度对管道剩余强度的影响大。

4.3 内腐蚀缺陷长度

假设管体和凹陷的尺寸固定，凹陷深度为管径的6%，内腐蚀深度为壁厚的10%，宽度为100 mm，分别研究不同内腐蚀长度下管道剩余强度变化情况，内腐蚀长度为50～500 mm，间隔50 mm，剩余强度结果如图6所示。根据图6可知，当内腐蚀缺陷长度上升时，剩余强度不断降低，且形成平缓下降趋势，可见这种影响是发生在特定范围中的。另外，腐蚀缺陷长度的影响比深度的影响要小很多。

图5 剩余强度结果（外腐蚀深度）

图6 剩余强度结果（内腐蚀长度）

4.4 外腐蚀缺陷长度

假设管体和凹陷的尺寸固定，凹陷深度是管径的6%，耐腐蚀深度是壁厚的10%，宽度值为100 mm，分别分析不同外腐蚀长度下管道剩余强度变化情况，外腐蚀长度为50～500 mm，间隔50 mm，剩余强度结果如图7所示。分析图7可知，当外腐蚀缺陷长度增大时，剩余强度呈下降趋势，同样形成平缓下降趋势，但是比内腐蚀长度的影响要小一些。

4.5 凹陷深度

假设管体的尺寸不变，内腐蚀和外腐蚀的深度均为壁厚的10%，宽度为100 mm，长度为200 mm，分别研究不同凹陷深度下管道剩余强度变化情况，凹陷深度为1%～6%，间隔0.5%，剩余强度结果如图8所示。分析图8可知，当凹陷深度值增大时，剩余强度呈下降趋势，减小的趋势越来越强，可见凹陷深度对剩余强度的影响很大，从剩余强度数值上看凹陷深度影响比腐蚀深度大。

5 结论

对于腐蚀缺陷深度与缺陷管道剩余强度，两者呈明显的反比关系，并且剩余强度随着腐蚀深度增加，下降的趋势越来越强，可见腐蚀深度对管道剩余强度的影响较大，且内腐蚀缺陷深度对剩余强度的影响比外腐蚀缺陷深度大。

对于腐蚀缺陷长度与缺陷管道剩余强度，两者呈明显的反比关系，且形成平缓下降趋势，可见其对于缺陷管道剩余强度所形成的影响是在特定范围内发生的，而且腐蚀缺陷长度产生的影响要远远低于深度产生的影响。内腐蚀长度的影响要比外腐蚀长度对剩余强度的影响大一些。

图7 剩余强度结果（外腐蚀长度）

图8 剩余强度结果（凹陷深度）

对于凹陷深度与缺陷管道剩余强度，两者呈明显的反比关系，剩余强度随着凹陷深度的增加，下降的趋势越来越明显，可见凹陷深度对剩余强度的影响很大，从剩余强度数值上看凹陷深度影响比腐蚀深度大。

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X937

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.23.005

2095－6835（2019）23－0012－04

司刚强（1968—），男，硕士，高级工程师，研究方向为油气管道工程及原油储运管理与技术。

中国石油化工股份有限公司“基于完整性管理技术的长期服役油气管道安全运行策略研究”（编号：315006）

〔编辑：严丽琴〕