腐蚀缺陷间相互作用对管道失效压力影响研究

发布时间：2020-08-31 16:53

　　海底管道作为海上油气资源开发的重要组成部分,被誉为海洋油气生产系统中的“生命线”。钢质管道腐蚀是不可避免的,腐蚀是管道破坏的主要因素之一。因此,开展腐蚀管道剩余强度的评估是保证管道安全运行的前提,也是对既有管道是否需要更换进行决策的依据,对于延长管道使用寿命,保障油气田的安全生产具有十分重要的意义。经过多年发展,各国规范提出了不同的轴向单点腐蚀管道失效压力评价方法。但是,实际腐蚀损伤的形成具有一定的随机性,管道腐蚀往往以不同缺陷尺寸的腐蚀群的形式存在,相邻腐蚀缺陷间相互作用对管道的破坏模式和失效压力具有非常重要的影响。针对目前多点群腐蚀管道在内压荷载作用下的破坏机理和失效压力缺乏明确地分析理论和评价方法的状态,本文采用全尺寸爆破试验和数值仿真相结合的研究手段,揭示了腐蚀缺陷间相互作用对管道爆破失效模式和失效压力的影响;通过双点腐蚀缺陷管道失效压力影响因素的敏感性研究,确定了缺陷间发生相互作用的最小距离,提出了内压荷载作用下的腐蚀缺陷间相互作用准则,并验证了该相互作用准则的有效性。本文主要工作包括:(1)采用大连理工大学研发的管道几何尺寸测量机,获取了管道直径、壁厚以及腐蚀缺陷剩余壁厚等相关数据。在此基础上,采用研发的复杂荷载试验机开展了轴向单点腐蚀管道在内压荷载作用下的爆破试验。研究了管道腐蚀深度、腐蚀长度等因素对缺陷管道的破坏模式和失效压力的影响。(2)建立了轴向单点腐蚀管道在内压荷载作用下的三维非线性有限元仿真模型,并通过试验验证了有限元模型的可靠性。给出了不同强度钢管道达到破坏时的应力失效准则。基于轴向单点腐蚀管道失效压力影响因素的敏感性研究,结合爆破试验和理论分析,提出了含有轴向腐蚀缺陷的中高强度管道钢失效压力的半理论半经验的简化计算公式。(3)仍使用复杂荷载试验机,以双点腐蚀缺陷的基本组合形式为基础,考虑不对称双点腐蚀缺陷管道情况,分别开展了轴向和环向双点腐蚀管道在内压荷载作用下的爆破试验。通过对爆破实测数据的分析,揭示了腐蚀缺陷间相互作用对管道反应过程和爆破失效模式的影响。(4)建立了双点腐蚀缺陷管道在内压荷载作用下的三维非线性有限元分析模型,并考虑轴向和环向不对称双点腐蚀缺陷管道计算工况,开展了腐蚀深度、腐蚀长度、腐蚀宽度以及腐蚀间距等因素对缺陷间相互作用的影响规律分析。根据对爆破试验和数值计算结果的分析,进一步发展了内压荷载作用下的腐蚀缺陷间相互作用准则。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE832
【部分图文】：

海底管道,故障原因

油事故频发［３］。随着海洋石油开发向深水发展，管道的失效概率明显增大［４］。欧洲石油逡逑化工协会（ＣＯＮＣＡＷＥ）邋Ｗ将可能引发海底油气管道故障的原因归结为五大类：材料缺逡逑陷或施工故障、操作失误、腐蚀、自然灾害和第三方损伤［６］，如图１．１所示。值得注意逡逑的是由于腐蚀导致的海底管道事故发生率占３０％。《ＰＡＲＬＯＣ邋２００１》数据显示，从〗９７１逡逑年至２００１年北海和墨西哥湾海底管道泄漏事故调查统计发现，内部和外部腐蚀是引起逡逑海底管道失效最主要的原因［７，。目前我国许多在役海底管道己接近或超过设计役龄，逡逑运行状况不佳，损坏率逐年升高，海底管道的安全性问题凸显出来［９］。近年来由于腐蚀逡逑引发的海底管道漏油事故包括：２００４年，南海番禺油田４－２和５－１海底管道腐蚀泄漏；逡逑２００７年，南海涠洲１２－１至１１－４原油管道腐蚀泄漏ｎｍ。海底管道一旦发生失效泄漏，逡逑将会严重污染海洋环境，造成巨大的经济损失，甚至导致人员的伤亡。而且海底管道的逡逑修复工作难度大、周期长、费用高

外部腐蚀,内表面,管道

长期运行的压力管道会受到腐蚀的侵害，严重威胁到管道的完整性Ｍ，１５］。腐蚀是一逡逑个复杂的电化学反应过程，引起海底管道的腐蚀因素众多，影响机理复杂，腐蚀缺陷经逡逑常发生在管道的外部或内部表面，如图１．２所示。海底管道外部腐蚀的形成可能是由于逡逑管道制造故障、涂层或阴极保护问题、残余应力、循环加载、温度或局部环境（土壤化逡逑学）等原因造成，其中涂层的破坏是形成外部腐蚀最主要的原因。由于管内输送油气中逡逑污染物（小颗粒、氨基酸等）的存在，管道内部表面会发生以点蚀为代表的局部腐蚀。逡逑点蚀可以深入到管壁，在管道内产生应力集中，降低管道的内压承载力，严重时造成管逡逑壁穿孔导致海底管道失去抵抗力％邋］７］。逡逑（ａ）管道外部腐蚀逦（ａ）管道内表面腐蚀逡逑图１．２管道外部腐蚀和内表面腐蚀逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｅｘａｍｐｌｅｓ邋ｏｆ邋ｐｉｐｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ｅｘｔｅｒｎａｌ邋ａｎｄ邋ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ｄｅｆｅｃｔｓ逡逑内压荷载作为正常工作运行状态下的海底管道的控制荷载，决定着管道壁厚等主要逡逑设计参数的选取。恶劣的海洋环境导致管道不可避免地发生腐蚀损伤，引起管壁局部减逡逑薄，降低了管道的内压承载力，如果没有得到及时的维修和更换，海底管道极易发生爆逡逑破失效。而且实际工程中管线腐蚀损伤的形成和缺陷位置分布具有一定的随机性和不确逡逑定性，往往包含两个或者多个缺陷形成的腐蚀群，相邻腐蚀缺陷之间会发生相互作用，逡逑从而影响管道的破坏过程和失效压力。准确地预测腐蚀管道失效压力是保证管道安全运逡逑行的前提

示意图,腐蚀缺陷,几何尺寸,相互作用

，并将其应用到双点腐蚀管道失效压力的有限元计算中陷间相互作用准则逡逑，Ｋｉｅｆｎｅｒ等ＤＭ基于对移除的含多种腐蚀缺陷服役管道陷间相互作用：逡逑陷相互独立且环向排列，沿管道壁厚方向轴向投影时，此类型１为相邻环向排列的腐蚀缺陷间相互作用。逡逑陷相互独立且轴向排列，沿管道壁厚方向轴向投影时，壁厚部分隔开。此类型２为相邻轴向排列的腐蚀缺陷间间相互作用发生在由含深层腐蚀缺陷的浅层腐蚀斑块形类为复杂形状腐蚀缺陷的相互作用，也称为不规则形互作用一般通过双点腐蚀缺陷间距来表示。图１．３为双距示意图，其中腐蚀间距分别由轴向间距＆和环向间缺陷深度；Ｚ，、Ｚ２分别为双点腐蚀缺陷长度；ｉｖ，、ｗ２

【参考文献】