组合载荷下单缺陷腐蚀海底管道的安全分析

发布时间：2019-09-11 11:33

【摘要】：采用许用应力法对腐蚀海底管道的安全性进行评估,并通过有限元模拟对组合载荷(内压与轴向压应力叠加作用)下单缺陷腐蚀海底管道进行应力分析,探讨了影响管道峰值应力的缺陷几何参数的敏感性。结果表明:轴向压应力一定时,随内压不断增加,管道有效应力呈先下降后上升的变化趋势,进入屈服稳定阶段后,有效应力继续增大,直至管道破坏。
【图文】：

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为管道抗拉强度；Ｄ为管道外直径；ｄ为管道缺陷深度；Ｑ为缺陷长度系数。许用应力法是针对海底管道极限内压的计算方法。它忽略了评估过程中多种与概率统计相关的参数，较大程度地简化了计算过程。通过许用应力法对内压与轴向压应力叠加作用下单缺陷腐蚀海底管道进行安全性评估的流程如图１所示。图１单缺陷腐蚀海底管道安全评估流程图Ｆｉｇ．１Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｓａｆｅｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｓｉｎｇｌｅｄｅｆｅｃｔｃｏｒｒｏｄｅｄｐｉｐｅ２案例分析待评价管道参数：管道外径Ｄ为４００ｍｍ；未腐蚀的管壁厚度ｔ为１５ｍｍ；缺陷长度ｌ为２００ｍｍ；缺陷宽度ｃ为１００ｍｍ；缺陷处最大深度ｄ为９ｍｍ（管壁厚度６０％）；定义最小抗拉强度σｕ为４５５．１Ｎ／ｍｍ２（Ｘ５２钢），管道最大轴向压应力σＬ为－２００Ｎ／ｍｍ２。２．１案例评估步骤步骤一：判定缺陷腐蚀管道是否需要考虑外部载荷作用。通过式（３）计算约束极限的失效应力σ１。σ１＝－０．５σｕ１－ｄ（）ｔ１－ｄ（）ｔＱ（３）如果σＬ＞σ１，则管道外载荷作用不能忽略。将待评价管道参数代入式（３）得σ１等于－１３８．４５Ｎ／ｍｍ２，所以不能忽略管道外载荷。步骤二：按式（４）计算仅内压作用下的单缺陷腐蚀管道的极限内压ｐｐｒｅｓｓ，为２１．５８Ｎ／ｍｍ２。ｐｐｒｅｓｓ＝２ｔσｕＤ－ｔ１－ｄ（）ｔ１－ｄ（）ｔＱ（４）步骤三：按式（５）～（８）计算内压和轴向压力叠加作用下的单缺陷腐

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模拟将管道长度设为管道外径的２倍。在安全工作应力下腐蚀管道缺陷处应力分布如图２所示。图２腐蚀管道缺陷处应力分布云图２Ｃｌｏｕｄｍａｐｏｆｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅａｒｄｅｆｅｃｔｉｎｐｉｐｅ由图２可知：由于腐蚀缺陷的影响，海底管道的缺陷位置出现几何特性突变，并出现应力集中现象，管道的峰值应力出现在缺陷的四周，且管道应力从缺陷位置往周围呈减小趋势；安全工作应力下腐蚀海底管道峰值应力为２５９．９ＭＰａ，未达到管道材料的屈服强度；而当管道达到极限内压时，，管道缺陷的峰值应力为３４２．６ＭＰａ，接近管道的屈服强度。图３为内压递增情况下腐蚀海底管道峰值应力变化图。其中，腐蚀管道内压ｐ与完好管道极限内压ｐ０的比值ｐ／ｐ０为无量纲变量。图３腐蚀海底管道峰值应力随极限内压变化图Ｆｉｇ．３Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆｐｅａｋｓｔｒｅｓｓｗｉｔｈｂｕｒｓｔｐｒｅｓｓａｒｅｉｎｃｏｒｒｏｄｅｄｓｕｂｍａｒｉｎｅｐｉｐｅ通过ＡＢＡＱＵＳ模拟结果可知完好海底管道的极限内压ｐ０为２７．３７ＭＰａ。由图３可以看出，纯内压作用下，随腐蚀管道在内压的不断增大，峰值应力线性增加；且当内压增大到管道极限内压时，峰值应力刚好达到管道屈服强度。纯内压作用的腐蚀管道在服役过程中经历了弹性变形阶段、非弹性扩展阶段和屈服强化阶段。内压与轴向压力叠加作用的腐蚀管道在内压增加的过程中，峰值应力先下降后升高。组合载荷的部分应力相互抵消使管道的弹性阶段线性特征不明显，当腐蚀管道峰值应力达到屈服强度时，管道也进入非弹性扩展阶段。且当ｐ／ｐ０大于０．４时，轴向压应力的存在减小了腐蚀
【作者单位】：海南大学土木建筑工程学院;
【分类号】：P756.2

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