陳國(guó)民1,２  王威*１,２  陳琦１,２  魯瑜３  張宗超３
1.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院；2.廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心； 3.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司

摘要：為了預(yù)測(cè)海底管道的腐蝕情況，確定腐蝕對(duì)管道結(jié)構(gòu)完整性的損傷程度，在調(diào)研海底管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，運(yùn)用OLGA7.1多相流模擬軟件對(duì)海底管道進(jìn)行模擬計(jì)算，建立海底管道仿真模型、掌握海管路由高程變化與管線(xiàn)劃分情況，并利用有限元方法確定給定腐蝕缺陷尺寸下海底管道的強(qiáng)度。可靠性分析表明：當(dāng)腐蝕深度為6—7 mm時(shí)，海底管道雖滿(mǎn)足安全標(biāo)準(zhǔn)，但已經(jīng)接近強(qiáng)度極限；當(dāng)腐蝕深度為8 mm時(shí)，管道不符合安全標(biāo)準(zhǔn)，存在極大的安全隱患。管道服役期間應(yīng)合理控制運(yùn)行參數(shù)，加強(qiáng)海管腐蝕監(jiān)測(cè)，做好相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。
關(guān)鍵詞：海底管道；腐蝕缺陷，剩余強(qiáng)度；評(píng)估

腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)是在彈塑性力學(xué)和斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上建立的、對(duì)腐蝕管道進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)和完整性評(píng)價(jià)的重要組成之一[1]，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利等領(lǐng)域，并取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的目的是為了研究缺陷能否在某一操作壓力下允許存在，以確定當(dāng)前腐蝕缺陷下的剩余強(qiáng)度和最大失效壓力，以及在某一輸送壓力下允許存在的最大腐蝕缺陷尺寸等，為管道維修計(jì)劃和安全生產(chǎn)管理提供科學(xué)的指導(dǎo)。
筆者在調(diào)研海底管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，運(yùn)用OLGA7.1多相流模擬軟件對(duì)海底管道進(jìn)行模擬計(jì)算，建立海底管道仿真模型、掌握海管路由高程變化與管線(xiàn)劃分情況，并利用有限元方法確定給定腐蝕缺陷尺寸下海底管道的強(qiáng)度，進(jìn)行了可靠性分析。
1  海底管道參數(shù)
1.1  海管設(shè)計(jì)參數(shù)






1.2  海管運(yùn)行參數(shù)
         
2  海底管道工況模擬
選取2013年5月1日的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，在軟件計(jì)算時(shí)，按照下列參數(shù)進(jìn)行基本設(shè)置：海管入口端壓力：1.4MPa；海管入口端溫度：61℃；海管出口端壓力：0.7MPa；海管出口端溫度：58℃；環(huán)境溫度為15℃；介質(zhì)比熱：4 200 J/g·℃；管道總傳熱系數(shù)：2.4 W/(m2·℃)；介質(zhì)流量：4 877 m3/d。
根據(jù)海底管道的路由數(shù)據(jù)，結(jié)合海管走向的高程變化，把該海管劃分為24段，共計(jì)4 460小段。運(yùn)用OLGA7.1多相流模擬軟件結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)海底管道進(jìn)行模擬計(jì)算。建立的海底管道仿真模型、路由高程變化與管線(xiàn)劃分如圖1、2所示。

圖 1  海底管道多相流模擬仿真模型

圖 2   海底管道路由高程變化
根據(jù)海底管道的基本數(shù)據(jù)，對(duì)其運(yùn)行壓力、溫度以及流量等參數(shù)進(jìn)行海底管道多相流模擬，模擬得到其壓力、溫度變化曲線(xiàn)如圖3所示。

圖 3  海底管道輸水條件下工況模擬
根據(jù)海底管道輸水工況下模擬計(jì)算結(jié)果，可知其在管道運(yùn)行工況條件下溫度曲線(xiàn)與實(shí)際工況相吻合，而管道出口端的壓力1.3 MPa，可知在管線(xiàn)理想狀態(tài)下，管道輸送產(chǎn)生的壓降很小，而在實(shí)際運(yùn)行工況條件下，出口端壓力為0.7 MPa，兩者差值為0.6 MPa，另外，通過(guò)改變管道內(nèi)壁的壁面粗糙度的值進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其對(duì)管道壓降影響較為明顯，故可知這部分壓降可能是由于管道內(nèi)的結(jié)垢或銹垢等因素增大了管內(nèi)壁粗糙度從而阻礙介質(zhì)流動(dòng)而造成的，故說(shuō)明有實(shí)施清管作業(yè)的必要。圖3（c）為實(shí)際運(yùn)行工況下壓降為0.7 MPa反算輸量時(shí)得到的壓力曲線(xiàn)，此時(shí)壓力曲線(xiàn)入出口壓力及壓降滿(mǎn)足實(shí)際工況，得到的反算輸量為13 400 m3/d，即在0.7 MPa壓降下管道的最大輸量可以達(dá)到13 400 m3/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際輸送量4 877 m3/d。滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要。
3   剩余強(qiáng)度評(píng)估
3.１ 有限元分析
運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行海底管道有限元建模分析。該海底管道是單層管，海管內(nèi)部產(chǎn)生較多的腐蝕凹坑，存在不同程度的內(nèi)腐蝕現(xiàn)象。管道要受到內(nèi)壓和外壓，故在有限元建模時(shí)對(duì)內(nèi)管進(jìn)行建模，分析內(nèi)管的受力情況。海底腐蝕缺陷管道的失效模式以應(yīng)力失效準(zhǔn)則來(lái)考慮。為計(jì)算精度準(zhǔn)確且便于建模，根據(jù)其缺陷形狀，海底管道考慮用柱形來(lái)模擬[2-4]。
幾何模型：海底管道鋼級(jí)為X52，其他參數(shù)見(jiàn)表 1所列，最大運(yùn)行壓力4.75 MPa，最高溫度31℃。不考慮材料非線(xiàn)性的問(wèn)題。
環(huán)境資料：海水的最高溫度為23.23 ℃，最低溫度為-1.64 ℃，水面流速1.23 m/s，底部流速0.88 m/s，海水密度1 050 kg/m3。
所受載荷：管道受內(nèi)壓為4.75 MPa，外載荷主要為管道上方所受到的海水和泥土的重力，海水密度為1 050 kg/m3，海底泥土的密度為2 050 kg/m3，海水深度為31 m，海管埋深為1.5 m，由P=ρgh計(jì)算可得管道受到的外載荷為0.34 MPa。
（1） 均勻腐蝕
采用solid185單元模擬平管管道，利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)，建立管道模型。所建模型的長(zhǎng)度為3 m。對(duì)于可能出現(xiàn)高應(yīng)力的區(qū)域及腐蝕區(qū)域采用規(guī)則的細(xì)網(wǎng)格，其他區(qū)域采用粗網(wǎng)格。由于只分析被腐蝕的一段管道，對(duì)被剖開(kāi)的管壁截面施加對(duì)稱(chēng)邊界條件。平管有限元模型如圖4所示。

圖 4  平管有限元模型
模擬計(jì)算可得其最大等效應(yīng)力為118 MPa，具體受力云圖如圖5所示。

圖 5  管道均勻腐蝕受力云圖
（2）局部腐蝕
對(duì)于海底管道，除了均勻腐蝕外，還可能存在局部腐蝕凹坑[5]。局部腐蝕凹坑會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在管道的極限應(yīng)力計(jì)算中有必要對(duì)此加以考慮。腐蝕區(qū)的尺寸影響管道的剩余強(qiáng)度，而腐蝕坑深度的影響比長(zhǎng)度的影響更大，計(jì)算時(shí)選取具有代表性的半球形腐蝕凹坑。只需按最嚴(yán)重的蝕坑計(jì)算管道腐蝕剩余強(qiáng)度。
同上，采用solid185單元模擬管道，局部缺陷有限元模型如圖6所示。

圖6  局部腐蝕有限元模型
對(duì)在不同腐蝕凹坑直徑和腐蝕凹坑深度等情況下管道的受力情況進(jìn)行模擬對(duì)比分析[6]。不同腐蝕凹坑直徑分析，假定腐蝕凹坑的深度為1 mm，分別對(duì)腐蝕凹坑直徑為8、10、12 mm進(jìn)行了模擬計(jì)算；不同腐蝕凹坑深度分析，假定腐蝕凹坑直徑為12 mm，分別對(duì)腐蝕凹坑深度為1、2、3、4、5、6、7、8、9 mm進(jìn)行了模擬計(jì)算。
當(dāng)假定腐蝕凹坑深度為1 mm，腐蝕凹坑直徑為12 mm時(shí)，模擬計(jì)算得最大等效應(yīng)力為153 MPa，其具體受力云圖如圖7所示。

圖7  腐蝕凹坑直徑為12 mm時(shí)受力云圖
當(dāng)假定腐蝕凹坑的直徑為10 mm，腐蝕凹坑深度為9 mm時(shí)，模擬計(jì)算得最大等效應(yīng)力為281 MPa，其具體受力云圖如圖8所示。

圖8  腐蝕凹坑深度為9 mm時(shí)受力云圖
3.２ 可靠性分析
以上模擬計(jì)算結(jié)果如表3所列， 在4.75 MPa操作壓力下平管均勻腐蝕受力最大為L(zhǎng)d=118 MPa，計(jì)算得到的設(shè)計(jì)抗力Rd=273.6 MPa，Ld<Rd。根據(jù)DNV OS F101，當(dāng)海底管道的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)（Ld）小于等于設(shè)計(jì)抗力（Rd）時(shí)，說(shuō)明管道符合安全標(biāo)準(zhǔn)[7]。

由表3可知，在4.75 MPa操作壓力下，腐蝕凹坑直徑為10 mm，腐蝕深度為1—5 mm時(shí)，平管局部腐蝕受力最大為L(zhǎng)d=236 MPa， Rd=273.6 MPa，Ld<Rd。說(shuō)明管道符合安全標(biāo)準(zhǔn)。 

當(dāng)腐蝕深度為6—7 mm時(shí)，Ld=254 MPa， 雖然Ld<Rd，滿(mǎn)足安全標(biāo)準(zhǔn)，但是管道已經(jīng)接近強(qiáng)度極限。
當(dāng)腐蝕深度為8 mm時(shí)，Ld=274 MPa， Ld>Rd，說(shuō)明管道不符合安全標(biāo)準(zhǔn)。
由該海管的腐蝕缺陷統(tǒng)計(jì)可知，其最嚴(yán)重腐蝕深度均在7 mm以?xún)?nèi)，所以，該海底管道符合安全標(biāo)準(zhǔn)。
4 結(jié)論
（1）在實(shí)際運(yùn)行工況條件下，管道輸送產(chǎn)生的壓降較大。管道內(nèi)壁的壁面粗糙度對(duì)管道壓降影響較為明顯，管道結(jié)垢或銹垢等因素增大了管內(nèi)壁粗糙度，阻礙介質(zhì)流動(dòng)而造成的，建議選擇時(shí)機(jī)實(shí)施清管作業(yè)。
（2）當(dāng)腐蝕深度為6—7 mm時(shí)，管道雖符合安全標(biāo)準(zhǔn)，但是已經(jīng)接近強(qiáng)度極限；腐蝕深度為8 mm時(shí)，管道不符合安全標(biāo)準(zhǔn)，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。
（3）應(yīng)加強(qiáng)海管運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)，合理控制壓力、溫度、流量等參數(shù)，同時(shí)縮短海管腐蝕檢測(cè)周期，及時(shí)掌握海管腐蝕速率變化規(guī)律，并就海管腐蝕泄漏風(fēng)險(xiǎn)，做好相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

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作者：陳國(guó)民，男，漢族，1974年生，陜西安康人，博士，副教授，主要從事油氣地質(zhì)勘探、油氣集輸與處理技術(shù)等方面教學(xué)與科研工作。

《管道保護(hù)》2017年第5期（總第36期）