长输管道剩余寿命的预测VIP

第 4 2 卷 第 5期 2 0 1 3年 5月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a I n d u s t r y V o 1 4 2 N O 5 M a y，2 0 13 长输管道剩余寿命的预测 赵清娜，张 迪，晏 军，刘瑞凯，李二伟 ( 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司 ，河北 任丘 0 6 2 5 5 2) 摘 要：由于服役环境的原因，长输管道经常存在大量的管道腐蚀缺陷，对管道的安全运行产生了危害， 近些年来管道由于腐蚀而造成穿孔、泄露等事故频频发生 ，因此对管道的寿命预测变得越来越重要。运用理论 法与 A N S Y S 有限元法，在已知管道的腐蚀速率的前提下，对运营管道进行剩余寿命预测。 关键词：长输管道；有限元法；腐蚀缺陷；剩余寿命 中图分类号：T E 8 3 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 1 0 4 6 0( 2 0 1 3)0 5 0 6 5 1 0 2 Re s i dua l Li f e Pr e di c t i o n o f L0n g di s t a nc e Pi pe l i ne s Z HA 0 Qi n g - n a ，Z H A NGDi ，Y A NJ u n ，L I UR u i k a i ，L I E r - we i ( Ch i n a P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g Co L t d No r t h Ch i n a Co mp a n y , He b e i Re n q i u 0 6 2 5 5 2 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Du e t o t h e r e a s o n o f wo r k i n g e n v i r o n me n t ， l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e s o f t e n h a v e a l o t o f c o r r o s i o n d e f e c t s ； t h e s e c o r r o s i o n d e f e c t s c a n a ffe c t t h e s a f e o p e r a t i o n o f t h e p i p e l i n e s I n r e c e n t y e a r s ，t h e p u n c h i n g a n d l e a k a g e a c c i d e n t s o f t e n h a p p e n ， S O t h e l i f e p r e d i c t i o n o f p i p e l i n e i s b e c o mi n g mo r e a n d mo r e i mp o r t a n t I n t h i s p a p e r , u n d e r t h e c o n d i t i o n o f k n o wi n g t h e p i p e l i n e c o r r o s i o n r a t e ， t h e r e s i d u a l l i f e o f o p e r a t i n g p i p e l i n e wa s p r e d i c t e d b y t h e t h e o r y me t h o d a n d ANS YS Ke y wo r d s ： L o n g d i s t an c e p i p e l i n e ； ANS YS ； Co r r o s i o n d e f e c t s ； Re s i d u a l l i f e 油气长输管道在运行过程中，由于各种各样的 原因，将会不可避免遭受腐蚀的侵害。腐蚀会导致 管道壁厚减薄，影响到管道的使用强度和寿命 ， 更严重的腐蚀可能会造成管道破裂 ，从而引起油气 泄漏 ，污染环境 。因此 ，预测管道腐蚀寿命对管道 及时采取降压 、补强等措施有着重要 的指导意义。 1 长输管道剩余寿命 的理论预测方法 通常求解管道腐蚀寿命的计主要建立在已知腐 蚀速率的基础上。当对管道进行腐蚀检测时， 若发现 腐蚀缺陷不存在， 则可以认为开挖管道的剩余寿命与 新管道相同。如果发现腐蚀缺陷存在，则需要根据检 测数据进行腐蚀速率求解计算 ， 然后根据已知的管道 运行压力、壁厚等数据进行腐蚀管道剩余寿命求解。 通常使用的理论预测剩余寿命计算公式 为： =c t ( ) 其中：届 一剩余寿命 ，a ； C一修正系数 ，O 8 5 ； ， 一公称壁厚，m m： 一 腐蚀速率 ，mm a ； 一 安全边际量=f 失效压力比率一 最大操作比率 ) 。其中，失效 压力比率= 计算失效压力 屈服压力； 最大允许操作压力比率= 最大允许操作压力 屈服压力 2 有限元法预测剩余寿命 对腐蚀管道临界剩余壁厚的求解方法有很多 种 ， 其 中 A N S Y S有限元法求解腐蚀管道的临界最小 壁厚是其 中一种方法。在腐蚀速率 已知的条件下 ， 运用 A N S YS方法求解腐蚀缺陷管道 目前能够安全 运行 的承压能力。 通常进行有限元分析时 ，为了能得到腐蚀缺陷 管道的安全评估结果，往往将缺陷简化成规则的形 状。管道在工作中所受的载荷主要有内压 、弯矩 ， 其它载荷对管道产生的影响很小 ， 。 建模时只截取一 段含有腐蚀缺陷的管段。由于缺陷已经简化 ， 并且 由于管道本身的对称性和缺陷的对称性，只需要考 虑腐蚀缺陷的 1 4即可。由于缺陷处的应变和应力 梯度变化最大 ， 因此这些区域的网格划分需要更密。 根据圣维南原理 ，当管道模型的长度为缺陷长度 的 的 3 5倍时，可以忽略边界效应 。 有限元分析主要包括 ：环向应力集中系数 的 确定 ( ) 、极限载荷的计算方法和有限元模型的 非线性分析。当含腐蚀缺陷的管道只受内压作用， 其他作用不考虑时，管道的轴向应力和径向应力就 很小 ，此时只需要考虑环向应力 即可。在弹性范围 收稿 日期： 2 0 1 2 1 2 一l 2 作 者 简 介： 祭 哩 5 - ： 山 东 潍 坊 人 ， 且 理 l币 _， 硕 士 研 究 生 ， 2 0 1 1 年 毕 业 于 中 国 石 油 大 学( 华 东) 油 气 储 运 专 业 ， 研究 方 向 从 事 油 气 储 运 技 术 工 作 。 E -ma i l ：z h a 0 q 1 n q n a o v e 1 6 3 c o m 。 一 。 化 工 2 0 1 3年 5月 内，管道所受内压与环向应力成线性关系，环向应 力集中系数是固定不变的，因此可以根据某一个压 力值计算出环向应力集中系数，然后根据管道的屈 服强度和已求得的环向应力集中系数求得管道的最 大承载能力 。管道腐蚀 区域 的环向应力集 中系数 可以由有限元分析求解。当管道只受到环向应力作 用时，腐蚀区域所受的M i s e s 等效应力为： 。= ( 2 ) 式中：a 一腐蚀区域的等效应力，M P a ； a _ h 一腐蚀区域的环向应力 ，M P a 。 管道环向应力求解公式为 ： O- h = 。 f o - k ( 3 ) 式中： f 一环 向应力集 中系数； c r k 一无缺陷管道的环向应力，M P a 。 无缺陷管道的环向应力求解公式为 ： ： ( 4 ) “ 2f 式中：JD 一管道运行压力，M P a ； D一管道外径 ，mF 1 ； ， 一管道壁厚 ，mln 。 由强度理论可知 ，当等效应力 Mi s e s等于管道 的屈服强度时 ， 我们可 以认为管道达到 了极 限承压 状态。此时可以得到含缺陷管道的极 限内压为： 瓦 2 t (5 ) 式中： P -ir 一管道运行极限内压，M P a ； 当对管道进行非线性有限元分析时，要在几何 非线性 和材料非线性的基础上进行建模 这样使得 到的预测结果更精确 、更符合实际。 对模型施加载 荷时， 要逐步增加 ， 在满足工程精度要求的前提下 ， 用线性方法近似解决非线性问题 。 以铁 大线鞍 山一 大石桥 管道剩余 寿命 预测为 例 ，管道材料及其性能参数如表 1 。 表 1 管道材料及其几何尺寸和力学性能参数 Ta b l e 1 P a r a me t e r s o f t h e p i p e l i n e ma t e r i a l s ， g e o m e t r y a n d m e c ha n i c a l p r o p e r t i e s 管 体材 料 1 6 Mn 管体直径 ra m 管壁厚度 m m 屈服强度 M P a 弹性模量 M P a 泊松 比 ( 1 ) f 壬意选取 4个均匀腐蚀 的开挖点做为研究 对象， 然后分别利用理论预测法与 A N S Y S 有限元预 测法进行剩余寿命的预测，结果如表 2 。 表 2 腐蚀管道剩余寿命预测结果 T a b l e 2 Re s i d u a l l i f e p r e d i c t i o n o f l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e 对表 2的比较结果作图如下图 1 。 腐蚀 速 率( m ma ) 图 1 两种方法计算结果比较 Fi g 1 The r e s ul t s o f t wo me t hods 3 结束语 由上表可以看出，运用 A N S Y S有限元法和理论 预测法对腐蚀缺陷管道的剩余寿命预测结果相差不 大， 理论预测的剩余寿命较小，预测年限相对保守， 而 A N S Y S有限元法可以将许多因素考虑在内，从而 求得的结果相对来说比较准确。 因此将 A N S Y S Y有限 元法用于预测腐蚀管道的剩余寿命是具有可行I生 的。 参考文献： 1 刘墨山 油气管道剩余强度有限元模拟分析及剩余寿命预测 J 】 科 技导报，2 0 0 9 ， 2 7 ( 6 ) ： 3 4 3 7 2 崔进起 ， 于晓勇，郭泽荣 基于 A N S Y S 有限元法的长输油气腐蚀管 道 剩 余 强 度 与 剩 余 寿 命 研 究 【 J J l 实 验 技 术 与 管 理 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 0 ) ：5 6 - 5 9 3 李增亮，陈猛外腐蚀管道剩余强度及剩余寿命的有限元分析【 J 】 润 滑与密封，2 0 1 0 ，