腐蚀管道剩余强度仿真建模及试验

赵洪洋，杨志国，梁 旭，朱贤辉

（浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021）

0 引言

油气资源及其产品广泛应用于生产、生活的各个领域，对国民经济发展具有重要作用［1］。在油气资源的开采、集输等环节使用大量钢制管道，而利用管道运输油气的经济性和安全性得到国内外学者的广泛关注。由于油气资源的特殊性，在管道运输中一旦发生穿孔泄漏、爆破等事故，会造成一定的经济损失和安全问题［2-3］。大量研究表明，管道周围环境使其易发生腐蚀，腐蚀是导致管道失效破坏的主要原因［4-5］。因此，有必要对腐蚀管道剩余强度进行研究，以判断管道是继续服役、修复还是更换，既能避免管道提前退役造成经济浪费和安全事故，又能科学地指导管道的维修计划和安全生产管理［6-7］。

对于腐蚀管道剩余强度的研究，国外拥有一系列的评价准则，比较有代表性的有API579、DNV-RPF101、ASME B31G，然而这些腐蚀管道剩余强度评价方法在描述不同钢级腐蚀管道失效压力时具有一定局限性，在指导实际工程的管道运行维护上过于保守［8-12］，以至于管道提前检修或更换。随着计算机虚拟仿真技术和有限元理论的发展，研究者利用有限元分析软件对腐蚀管道剩余强度进行研究，取得了不错的效果［13-16］。但由于在虚拟仿真中对管道腐蚀区域边界条件的处理以及对实际腐蚀情况的假设，使得仿真结果在描述实际腐蚀管道剩余强度存在一定误差。

为精确评估腐蚀管道的剩余强度，本文基于有限元数值模拟方法，利用SolidWorks和ABAQUS 软件建立含有腐蚀缺陷的油气管道三维模型，根据腐蚀类型，设置腐蚀区域边界条件以及合理假设，通过施加不同的压强载荷，分析研究了模型长度及腐蚀区域结构参数对管道应力的影响规律；同时，搭建了含腐蚀缺陷的X120钢级管道耐水压试验平台，开展了腐蚀管道耐水压试验，实测腐蚀管道的剩余强度，对比验证数值模拟结果。

1 失效准则及模型简化

1.1 失效准则

管道失效的判断标准是评估腐蚀管道剩余强度的重要基础。一般情况下，油气管道失效主要由腐蚀区域发生塑性失效导致，即在腐蚀区域的等效应力（Von Mises准则）达到管道材料的屈服强度，腐蚀区域发生塑性形变，管道面临穿孔泄漏风险。根据Von Mises准则，管道失效准则：

1.2 模型简化

根据油气管道长距离输运的特点以及管道工作环境的复杂性，管道不仅要承受内部油气的压力，还可能受到横向集中载荷、轴向拉压载荷、弯曲载荷以及各种载荷的耦合作用，其作用结果复杂难以预测。通常情况下，油气管道设计施工环节应避免管道受内部油气压力以外的载荷，因此在仿真模拟时，仅考虑管道受内部油气的压力。由于大多油气管道都深埋地下，在考虑管道和土壤及周围环境之间相互作用时，只考虑管道受腐蚀作用，故只研究含腐蚀缺陷的管段。

腐蚀区域是管道最薄弱的位置，对腐蚀缺陷的模拟关系到管道应力水平模拟结果的准确性。由于管道长细结构的特点，其腐蚀区域多呈现轴向尺寸（腐蚀长度）大于环向尺寸（腐蚀宽度），径向尺寸（腐蚀深度）最小的形状。研究表明，局部及均匀腐蚀是管道失效的主要形式，仿真建模时可将腐蚀区域简化为轴向同底方形凹槽，同底方形结构为圆环柱一部分与管道相交所得［13］。管道腐蚀是受周围环境长时间作用效果，而非管道在短期内局部致损，腐蚀区域表面不会呈台阶变化，所以对管道模型凹槽结构面的相交处以圆角过渡，避免出现应力集中。

2 建模及仿真

2.1 建 模

在模型简化的基础上，利用SolidWorks软件按1∶1的比尺完成含局部及均匀腐蚀缺陷的X120 钢级管道三维实体建模，管道外径325 mm，壁厚12 mm。为研究边界条件对管道腐蚀区域应力的影响，建立4 个管道模型，模型1～4 的长度分别设为腐蚀长度的2、3、4、5 倍，各模型的腐蚀区域均设在模型中间位置。

将SolidWorks软件中建立的管道模型保存step文件类型，导入ABAQUS 软件，模型实体采用四面体单元类型，并将X120 管线钢材料属性赋予仿真模型，其材料属性如下：密度ρ ＝7 850 kg／m3，弹性模量E＝210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为996 MPa，抗拉强度为1 115 MPa，屈强比＝0.89（Y／T）。然后进行实体装配，建立分析步，设置模型初始约束条件和压强载荷。

对管道非腐蚀区域采用自由网格划分方式，设置网格单元尺寸为6 mm，对腐蚀区域网格划分需进行加密细化处理，其网格单元尺寸设为4 mm，以提高腐蚀区域应力水平仿真精度，划分后模型如图1 所示；由于仿真模拟只研究了含腐蚀缺陷的管段，所以对管道模型一端轴向位移进行约束，其他5 个自由度不约束，以避免管道模型约束端应力集中。

图1 管道模型网格划分示意图

2.2 仿真结果分析

（1）模型长度对应力影响。各模型腐蚀区域结构参数均设为：腐蚀长度300 mm，腐蚀宽度32 mm，腐蚀深度9 mm，对模型1 施加5 MPa 的内部压强载荷，其等效应力仿真结果如图2 所示。由图2 可知，模型1腐蚀区域中间位置的等效应力最大，为491.6 MPa，位置为模型的1 019 节点，最小等效应力为6.655 MPa，位置为模型的122 669 节点。

图2 载荷5 MPa时模型1应力分布图

采用同样的仿真方法对其余模型施加5 MPa内部压强载荷，应力仿真结果如表1 所示。由表1 可知，不同长度的管道模型等效应力绝对偏差不大，最大等效应力的最大偏差仅为1.7%；最小等效应力的最大偏差为27%。这是由于最小等效应力值过小导致，并且位置远离腐蚀区域，对管道剩余强度影响不大。因此，当被研究管段长度与腐蚀长度比＞2 时，可忽略管段长度对腐蚀区域应力的影响，在仿真模拟和试验时，尽量缩短研究管段的长度，降低仿真模拟计算难度和试验研究成本。

表1 最大／最小等效应力仿真值

（2）应力-腐蚀长度间关系。在软件中设置模型长度1 m，腐蚀宽度32 mm，腐蚀深度9 mm，在腐蚀长度50～500 mm 范围间隔50 mm 建立10 个腐蚀管道三维实体模型。对管道模型加载1～10 MPa内部压强载荷，研究不同载荷下腐蚀长度对管道应力的影响，仿真结果如图3 所示。

图3 最大等效应力与腐蚀长度的关系

由图3 可知，管道腐蚀区域最大等效应力与内部压力p呈线性正相关；在不同载荷下，腐蚀长度l对管道应力的影响规律一致，随着腐蚀长度的增加，应力先是显著增加，而当腐蚀长度与模型长度比达到0.3 后，随着腐蚀长度继续增加，应力增幅很小。这是由于腐蚀长度增加到一定值时，腐蚀区域的应力分布更加均匀所致。因此，当腐蚀宽度和深度不变时，腐蚀长度增加导致管道剩余强度降低。等效应力随腐蚀长度的变化关系可通过多项式拟合得出：

（3）应力-腐蚀宽度间关系。在软件中设置模型长度1 m，腐蚀长度300 mm，腐蚀深度9 mm，在腐蚀宽度12～122 mm 范围间隔10 mm 建立12 个腐蚀管道三维实体模型，对管道模型加载1～8 MPa内部压强载荷，研究不同载荷下腐蚀宽度对应力的影响，仿真结果如图4 所示。

图4 最大等效应力与腐蚀宽度的关系

由图4 可知，在不同载荷下，腐蚀宽度b对管道应力的影响规律一致，随着腐蚀宽度增加，应力先是显著减小，而当腐蚀宽度与管道外径比达到0.19 后，随着腐蚀宽度继续增加，应力降幅很小。这是由于腐蚀宽度越小，腐蚀区域应力愈加集中，反之，腐蚀区域的应力分布更加均匀。因此，当腐蚀长度和深度不变时，腐蚀宽度增加使管道剩余强度增大。等效应力随腐蚀宽度的变化关系可通过多项式拟合得出：

（4）应力-腐蚀深度间关系。在软件中设置模型长度1 m，腐蚀长度300 mm，腐蚀宽度62 mm，在腐蚀深度d＝1～10 mm 范围间隔1 mm 建立10 个腐蚀管道三维实体模型，对管道模型加载1～10 MPa 内部压强载荷，研究不同载荷下腐蚀深度对应力的影响，仿真结果如图5 所示。

图5 最大等效应力与腐蚀深度的关系

由图5 可知，在不同载荷下，腐蚀深度对管道应力的影响规律一致，随着腐蚀深度的增加，应力显著增加，且增幅越来越大。这是由于随着腐蚀深度增加，腐蚀区域管道壁厚减小，使应力完全集中于薄壁处所致。因此，当腐蚀长度和宽度不变时，腐蚀深度增加导致管道剩余强度急剧下降。在腐蚀区域结构参数中，腐蚀深度对管道剩余强度影响最大。等效应力随腐蚀深度的变化关系可通过指数式拟合得出。

3 试验及结果分析

3.1 试验模型设计

为对比验证仿真结果，试验研究了腐蚀管道剩余强度。采用超高强度X120 管线钢的无缝输油管道设计制造试验管道模型，进行4 次含腐蚀缺陷的X120钢级管道耐水压破坏试验，试验管道外径325 mm，壁厚12 mm，试验管道模型长1.2 m，通过机械加工方法，在管道外壁上开设轴向同底方形凹槽代表管道发生局部及均匀腐蚀，各模型腐蚀情况如表2 所示。表中数据为加工后实测值。

表2 试验模型腐蚀区域结构参数 mm

在试验模型一端焊接圆形钢板作为平底封头，另一端焊接法兰盘作为连接装置与法兰盖连接，法兰盘和法兰盖之间通过8 个螺栓连接固定，通过一个O 型橡胶圈密封，在法兰盖端面上设置两个通孔用于加压注水和排气，其结构组成如图6 所示。

图6 腐蚀管道试验模型结构示意图

3.2 试验平台及方法

X120 钢级腐蚀管道耐水压试验平台主要由腐蚀管道试验模型、水压试验加卸载及控制系统、上位机、数据采集系统、压力表、压力传感器和模型爆破防护装置等设备组成，如图7 所示。加卸载及控制系统由麦格思维特（上海）流体工程有限公司生产，最大加载能力为60 MPa，控制精度及压力传感器分辨率为10 kPa，加卸载速度在0.1～0.6 MPa／min连续可调。

图7 X120钢级腐蚀管道耐水压试验平台

对各腐蚀管道试验模型分别进行耐水压试验。待试验模型装配完毕，各管路连接完成并保证密封良好，加卸载及控制系统准备就绪，设定目标加载压力为60 MPa，加载速度为0.5 MPa／min，压力传感器采样频率设为1，在整个加载过程中，对试验模型内部压力进行实时监测，以准确获取腐蚀管道发生穿孔泄漏时耐压值。

3.3 结果分析

通过管道模型耐水压试验实测各模型发生穿孔泄漏时的耐压值。由图8 可知，当模型1 试验压力加载到11.4 MPa 时发生泄漏；其穿孔泄漏效果如图9 所示。由图9 可知，破裂发生在腐蚀区域，且裂痕沿轴向排列，这是因为对轴向局部及均匀腐蚀而言，其环向应力较轴向和径向应力更大，环向应力先达到抗拉强度发生破坏所致。

图8 模型1水压加载情况

图9 试验后发生穿孔的腐蚀管道

采用同样的试验方法可测得模型2、3、4 极限耐压值，并与仿真结果进行比较，如表3 所示。由表3 可知，X120 钢级腐蚀管道模型极限耐压值的仿真和试验结果最大偏差仅为3.5%，说明仿真对腐蚀管道的模型简化和边界条件处理是可行的，能准确预测腐蚀管道的剩余强度。

表3 腐蚀管道极限耐压仿真／试验结果对比______

对比模型1、2 的腐蚀参数和试验结果发现，模型1 腐蚀长度较大，剩余强度较小；对比模型2、3 的腐蚀参数和试验结果发现，模型2 腐蚀深度较大，剩余强度较小；对比模型3、4 的腐蚀参数和试验结果发现，模型4 腐蚀宽度较大，剩余强度较大。与仿真中腐蚀区域结构参数对管道剩余强度影响规律一致。

4 结语

利用SolidWorks 和ABAQUS 软件建立了不同腐蚀程度的管道仿真模型，仿真结果可较为准确地模拟腐蚀区域结构参数对管道等效应力的影响规律，开展的X120 钢级腐蚀管道耐水压试验结果与仿真结果具有较好的一致性。腐蚀长度和深度的增加导致管道剩余强度降低，腐蚀宽度的增加导致管道剩余强度增大，腐蚀深度相较长度和宽度对管道剩余强度的影响更大；腐蚀长度和宽度对剩余强度影响可用多项式描述，腐蚀深度对剩余强度的影响可用指数描述，拟合相关系数达0.99。对含腐蚀缺陷的油气管道剩余强度准确预估非常重要，建立的腐蚀管道仿真模型可有效预测管道剩余强度，对实际工程中油气管道安全集输和运行维护具有重要意义。