于海底管道与低强度钢相比高强度管线钢具有较大的屈强比和较低的极限抗拉应变以下针对存在轴向腐蚀缺陷的中高强度钢管道的极限内压承载力进行研究考虑腐蚀深度长度特别是宽度对极限内压的影响根据有限元计算结果回归得到轴向腐蚀管道极限荷载计算公式并通过试验数据验证该回归公式的合理性和准

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曳能
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1 文章编号轴向腐蚀缺陷宽度对管道极限内压荷载的影响苏晨亮李昕周晶大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室辽宁大连摘要针对海底管道的中高强度钢腐蚀极限内压预测问题采用有限元弹塑性分析方法考虑材料非线性和几何非线性建立非线性分析模型并与试验数据进行对比分析验证了有限元模型的合理性和准确性基于有限元计算结果分析得出腐蚀深度腐蚀长度及腐蚀宽度对海底管道极限内压的影响并回归得到了适用于轴向腐蚀管道极限荷载的计算公式通过与腐蚀管道爆破试验数据和现有腐蚀管道计算方法的比较分析验证了该方法能够得到较准确的结果可为海底腐蚀管道在内压荷载作用下的评估提供一定的依据图 7 表 4 参 20 关键词钢质管道腐蚀缺陷极限内压承载缺陷宽度中图分类号 TE832 文献标识码 A doi /j.issn Impacts of axial corrosion width on ultimate internal pressure load of pipeline SU Chenliang, LI Xin, ZHOU Jing State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning, Abstract: To predict the ultimate internal pressure of subsea pipelines in case of medium/high-strength steel corrosion, a plastic finite element analysis is made. Besides, considering the nonlinearity and geometric nonlinearity of materials, the nonlinear analysis model is built and the modeling results are compared with the experimental data to verify if the finite element model is reasonable and accurate. On this basis, the impacts of corrosion depth, length and width on ultimate internal pressure are obtained. The formula for ultimate load of pipelines with axial corrosion is also gained by regression. Compared with the burst test data of corrosion pipes and existing corrosion calculation methods, it is proved that this method can provide more accurate results, which will be used as a basis for assessing subsea corrosion pipelines under internal pressure loads. (7 Figures, 4 Tables, 20 References) Key words: steel pipeline, corrosion defect, ultimate internal pressure load, corrosion width 由于恶劣的海洋环境和管内腐蚀介质的双重作矩形腐蚀管道爆破试验并通过数值分析回归得到适用海底管道腐蚀损伤不可避免海底管道发生腐蚀用于 X65 钢的腐蚀管道极限内压荷载计算公式 Leis 后会引起管壁整体或局部变薄使管道的强度降低或等[6]认为腐蚀宽度对于管道极限内压的影响可以忽略发生应力集中导致内压承载力下降为了确保管道不计韩良浩等[7]认为腐蚀深度较大时考虑腐蚀宽安全运行美国机械工程协会提出了 ASME B31G 腐度的影响得到的管道极限内压更准确谭开忍等[8]基蚀管道极限内压荷载规范 [1] 并进一步改进形成了于 X52 钢进行腐蚀管道极限内压荷载有限元分析提 [2] B31G 方法 21 世纪初基于试验数据和数值模拟出了极限内压荷载计算公式帅健等[9]通过有限元计方法形成了 DNV-RP-F101 腐蚀管道剩余强度评估算结果拟合得到含腐蚀缺陷管道的失效压力预测公 [3] [4] 规范随后 Stephens 等发展了全新的腐蚀管道式此外 Fekete 等[10]开展了腐蚀缺陷长宽比对管道极限内压荷载计算程序 PCORRC 腐蚀缺陷尺寸是极限内压的影响研究 [5] 影响腐蚀管道破坏的主要因素 Choi 等开展了轴向网络出版时间 :44:43 随着现代管道技术的发展大量中高强度钢应用网络出版地址 723

于海底管道与低强度钢相比高强度管线钢具有较大的屈强比和较低的极限抗拉应变以下针对存在轴向腐蚀缺陷的中高强度钢管道的极限内压承载力进行研究考虑腐蚀深度长度特别是宽度对极限内压的影响根据有限元计算结果回归得到轴向腐蚀管道极限

试验测得的失效内压 p exp=22.68 MPa 有管线钢为 API 5L X80 材料屈服强度为 534.1 MPa 极限元计算值 p FEM=22.58 MPa 通过有限元计算得到限抗拉强度为 661.

44 根据构模型模拟材料试验测得真实应力-应变曲线试验失效图片与有限元模型计算得到的等效应力云图图 2 对比结果可知有限元计算得到的管道失效位置与试验失效位置基本吻合由此验证了所采用有限式中 σ t 为真实的应力值 MPa ε

1 mm 腐蚀长度 L 为 39.6 mm 腐蚀深度 d 为 5.39 mm 腐蚀宽度 w 为 31.

2 于海底管道与低强度钢相比高强度管线钢具有较大的屈强比和较低的极限抗拉应变以下针对存在轴向腐蚀缺陷的中高强度钢管道的极限内压承载力进行研究考虑腐蚀深度长度特别是宽度对极限内压的影响根据有限元计算结果回归得到轴向腐蚀管道极限荷载计算公式并通过试验数据验证该回归公式的合理性和准确性 1 有限元模型验证 b Benjamin 等[11]开展了一系列轴向腐蚀管道全尺寸试验研究选取 IDTS2 试验数据验证有限元模型图1 轴向腐蚀管道有限元模型 IDTS2 试验测得的失效内压 p exp=22.68 MPa 有管线钢为 API 5L X80 材料屈服强度为 MPa 极限元计算值 p FEM=22.58 MPa 通过有限元计算得到限抗拉强度为 MPa 通过 Ramberg-Osgood 本的预测值与试验数据较吻合误差仅为 0.44 根据构模型模拟材料试验测得真实应力-应变曲线试验失效图片与有限元模型计算得到的等效应力云图图 2 对比结果可知有限元计算得到的管道失效位置与试验失效位置基本吻合由此验证了所采用有限式中 σ t 为真实的应力值 MPa ε t 为真实的应变值元模型的正确性说明该模型可以用于开展轴向腐蚀 σ ut 为极限拉伸强度真实值 MPa 管道极限内压的相关研究管道试件长度 1.7 m 外径 D 和壁厚 t 分别为 mm 和 8.1 mm 腐蚀长度 L 为 39.6 mm 腐蚀深度 d 为 5.39 mm 腐蚀宽度 w 为 31.9 mm 考虑几何非线性和材料非线性通过 ABAQUS 有限元软件建立模型由于荷载和结构的对称性取 1/4 管道模型进行计算采用 20 节点减缩积分单元 C3D20R 采用对称约束端部边界面节点用约束方程进行约束荷载为单一内压加载为了更好地模拟现场试验管道密封端的影响在有限元管道端部施加相对应的轴力图 1 根据应力失效准则的定义 Andrade 等[12]采 a IDTS2 试验破坏照片用 σ ut 作为确定管道极限内压荷载的参考应力值 b IDTS2 有限元等效应力云图 a 724 图2 试验失效情况与有限元等效应力云图

3 苏晨亮等轴向腐蚀缺陷宽度对管道极限内压荷载的影响 2 轴向腐蚀管道有限元分析 2.1 有限元模型工况选择的应力分布为标准确定管道的长度通过失效压力采用光滑的槽型腐蚀来模拟管道的轴向腐蚀收敛性计算确定管道的网格剖分密度 D /t d /t L / β /π 等无量纲参数对失效压力的影响表 1 通过有限元计算以端部约束不影响缺陷位置图 3 其中管道外径为 D 壁厚为 t 腐蚀深度为 d 腐蚀长度为 L 腐蚀宽度相对应的角度为 β 边缘倒角半径 r =d /2 腐蚀位置关于坐标轴对称轴向腐蚀管道分别选用 API 5L X65 和 API 5L X80 两种不同等级钢进行分析 Kim 等[13-14]针对 X65 钢开展了轴向腐蚀管道全尺寸爆破试验采用其真实的应力-应变曲线模拟 X65 钢[15] 对于 X80 钢仍采用式 1 进行模拟腐蚀管道的极限内压荷载的应力失效准则 Choi 等[5]建议 X65 钢采用 0.9 σ ut 作为参考应力而 X80 钢仍采用 σ ut 作为参考应力分别考虑表1 类型 X 腐蚀缺陷管道示意图计算工况参数表无量纲参数屈服强度极限强度弹性模量泊松比 σ y/mpa σ u/mpa E /MPa ν X65 图3 D /t d /t L/ β /π 腐蚀深度的影响极限内压荷载明显降低对于轴向长腐蚀腐蚀长度变腐蚀缺陷深度是影响管道极限内压的重要参数化对管道极限内压荷载的影响很小根据不同腐蚀深度对管道极限内压荷载的影响图 4 其中 p 0=2 tσ u / D -t 随着腐蚀深度的增加腐蚀管道的极限内压荷载呈近似线性的递减趋势图5 2.4 腐蚀长度对极限内压荷载的影响腐蚀宽度的影响分析不同腐蚀宽度对管道极限内压荷载的影响轴向短腐蚀情况下腐蚀深度 d =0.7 mm 时腐蚀宽度图4 2.3 腐蚀深度对极限内压荷载的影响对管道极限内压影响非常明显图 6a 图 6c 对于腐蚀长度的影响轴向长腐蚀情况腐蚀宽度总体上对管道极限内压的腐蚀缺陷长度也是影响管道极限内压的一个重要影响不大图 6d 图 6e 根据考虑腐蚀宽度影响的极参数 ASME B31G 规范定义腐蚀长度 L < 限内压偏差分析结果表 2 其中 p max 为极限内压的最的腐蚀为短腐蚀腐蚀长度 L 大预测值 p min 为极限内压的最小预测值对于轴向的腐蚀为长腐蚀根据不同腐蚀长度对管道极限内压荷载的影响图 5 对于轴向短腐蚀随着腐蚀长度的增加管道的短深度腐蚀情况极限内压的预测值偏差接近 20 因此需要考虑腐蚀宽度对极限内压的影响 725

4 e L / a L / 图6 =0.854 b L / =1.423 = 腐蚀宽度对极限内压荷载的影响表2 腐蚀深度极限内压偏差分析极限内压偏差 d /t = d /t = d /t = 极限内压荷载计算方法与验证 3.1 极限内压荷载计算方法由于现有规范和方法没有考虑腐蚀宽度对管道极限内压的影响而以上研究表明影响轴向腐蚀管道的极限内压主要为腐蚀深度长度和宽度因此轴向腐蚀管道极限内压荷载可表示为采用最小二乘法进行拟合轴向腐蚀管道极限内压荷载计算公式进一步表示为 c L / =2.846 当 L< d L / 726 =5.692 时

5 苏晨亮等轴向腐蚀缺陷宽度对管道极限内压荷载的影响根据采用回归公式计算腐蚀管道的极限内压结果与试验数据及相关规范计算结果的对比表 4 可知有限元计算结果回归的轴向腐蚀管道极限荷载计算公式用于腐蚀管道评估时可以得到更准确的预测值当 L 表4 时不同预测方法所得结果与试验数据 p exp/p pred 的对比分析预测方法 ASME B31G 改进 B31G DNV-RP-F101 PCORRC 极限内压荷载计算方法 4 G 0 0 G 1 0 G 最小值最大值平均值方差结论 1 对于轴向短腐蚀情况腐蚀宽度对于管道极限预测结果与试验数据的对比内压有一定影响特别是深度腐蚀腐蚀宽度对管道极选取中高强度钢的 52 组试验数据表 3 对极限限内压影响非常明显 2 腐蚀缺陷管道极限内压计算公式可以考虑为内压荷载计算方法进行验证其中机加工矩形腐蚀缺陷试验数据 44 组真实腐蚀缺陷试验数据 8 组表3 中高强度钢腐蚀缺陷试验数据数据来源 Vieth 和 Kiefner[16] Freire 和 Benjamin[17-18] Kim 等[13-14] Advantica[19] Cronin 等[20] 腐蚀缺陷数量腐蚀缺陷类型真实和矩形腐蚀矩形腐蚀矩形腐蚀矩形腐蚀真实腐蚀根据试验结果 p exp 与各种预测方法所得结果 p pred 的对比图 7 其中实线表示 p exp / p pred=1 表明试验值极限抗拉强度 σ u 及相关无量纲系数 D t /t d /t L/ 和 β /π 的函数 3 根据中高强度管线钢的有限元计算结果回归得到的轴向腐蚀管道极限荷载计算公式可以更准确地预测试验结果参考文献 [1] American Society of Mechanical Engineers. ANSI/ASME B31G- 与预测值相等数据越靠近实线表明预测值越准确 1991 Manual for remaining strength of corroded pipelines[s]. 数据位于实线下方即 p exp / p pred>1 表明预测值偏于保 New York ASME 守数据位于实线上方即 p exp / p pred<1 表明预测值偏 [2] KIEFNER J F VIETH P H. A modiﬁed criterion for evaluating 于危险 ASME B31G 规范方法计算得到的预测结果 the remaining strength of corroded pipe PR-3-805[R]. Ohio 最保守与其他方法相比极限内压荷载计算方法结果 Battelle 更贴近实线 p exp / p pred=1 说明其准确性较好 [3] Det Norske Veritas. DNV-RP-F Recommend practice corroded pipelines[s]. Oslo DNV [4] STEPHENS D R LEIS B N. Development of an alternative criterion for residual strength of corrosion defects in moderateto high-toughness pipe[c]. Proceedings of International Pipeline Conference Calgary Alberta Canada September [5] CHOI J B GOO B K KIM J C et al. Development of limit load solutions for corroded gas pipelines[j]. International Journal of Pressure Vessels and Piping 图7 相关方法理论值与试验值的对比 [6] LEIS B N STEPHENS D R. An alternative approach to assess 727

the integrity of corroded line pipe-part I current status and Part studies and verification analysis[j]. International Journal of II: alternative criterion[c].

6 the integrity of corroded line pipe-part I current status and Part studies and verification analysis[j]. International Journal of II: alternative criterion[c]. Proceedings of the 7th International Pressure Vessels and Piping Offshore and Polar Engineering Conference Honolulu USA May [7] 韩良浩柳曾典. 内压作用下局部减薄管道的极限荷载分析[J]. 压力容器 [8] 谭开忍肖熙. 含有腐蚀缺陷海底管道极限荷载分析[J]. 海洋工程 [9] 帅健张春娥陈福来. 非线性有限元法用于腐蚀管道失效内压预测[J]. 石油学报 [10] FEKETE G VARGA L. The effect of the width to length ratios of corrosion defects on the burst pressures of transmission pipelines[j]. Engineering Failure Analysis [16] VIETH P H KIEFNER J F. Database of corroded pipe tests[c]. PRC L [17] FREIRE J VIEIRA R D CASTRO J et al. Burst tests of pipeline with extensive longitudinal metal loss[j]. Experimental Techniques [18] BENJAMIN A C VIEIRA R D FREIRE J et al. Burst tests on pipeline with long external corrosion[c]. Proceedings of International Pipeline Conference Calgary Alberta Canada September [19] PRCI. Corrosion assessment guidance for high strength steels PR [R].Houston Technical Toolboxes Inc [11] BENJAMIN A C FREIRE J VIEIRA R D et al. Burst [20] CRONIN D S PICK R J. Experimental database for corroded tests on pipeline containing interacting corrosion defects[c]. pipe evaluation of RSTRENG and B31G[C]. Proceedings Proceedings of OMAE th International Conference on of IPC2000 3rd International Pipeline Conference Calgary Offshore Mechanics and Arctic Engineering Halkidiki Greece Alberta Canada September OMAE 收稿日期修回日期编辑潘红丽 [12] ANDRADE E Q BENJAMIN A C MACHADO J P et al. Finite element modeling of the failure behavior of pipelines containing interacting corrosion defects[c]. Proceedings of OMAE th International Conference on Offshore 基金项目国家重点基础研究发展计划 Mechanics and Arctic Engineering Hamburg Germany 计划深海柔性结构非线性流固耦 OMAE 合振动与破坏机理 2011CB 新世 [13] KIM Y P KIM W S LEE Y K et al. The evaluation of failure pressure for corrosion defects within girth or seam weld in 位于焊缝位置的深水管道破坏机理研究 transmission pipelines[c]. Proceedings of International Pipeline NCET Conference Calgary Alberta Canada October 作者简介苏晨亮在读博士生 1983 [14] KIM W S KIM Y P KHO Y T et al. Full scale burst test and 年生 2005 年毕业于大连交通大学土木工程专业现主要从事钢结 ﬁnite element analysis on corroded gas pipeline[c]. Proceedings 构方面的研究工作 of International Pipeline Conference Calgary Alberta Canada SU Chenliang, Ph.D candidate, born in 1983, graduated from Dalian September Jiaotong University, civil engineering, in 2005, engaged in the research [15] CHIODO M S RUGGIERI C. Failure assessments of corroded pipelines with axial defects using stress-based criteria numerical 728 纪优秀人才支持计划资助项目腐蚀缺陷 of steel structure. Tel: , suchenliang1983@163.com

实例分析 API 5L X52 t > 360 槡 D D o = mm t =10.30mm σ s = 358MPa σ b = 455MPa ρ =7 850kg/m 3 s > 2 槡 Dt E =206GPa μ = l nm = l m

实例分析 API 5L X52 t > 360 槡 D D o = mm t =10.30mm σ s = 358MPa σ b = 455MPa ρ =7 850kg/m 3 s > 2 槡 Dt E =206GPa μ = l nm = l m 505 含相互作用缺陷海洋立管极限载荷数值分析姜峰 ** 曹鑫周涛摘要对含相互作用缺陷的海洋立管极限载荷进行分析, 考虑了相邻缺陷间轴向距离对含缺陷管道极限载荷的影响, 由于材料和缺陷尺寸的非线性, 采用有限元分析软件 ANSYS 进行分析计算, 得到管道极限载荷与缺陷尺寸和距离的关系曲线, 研究表明相邻缺陷间轴向距离对缺陷管线的影响较大, 特别是当缺陷间距离较近时结果与国内外相关的海洋管道腐蚀缺陷评价标准中的规定是一致的,