（化工过程机械专业论文）含螺旋型腐蚀缺陷管道剩余强度的研究.pdf

摘要 摘要 管道输送一直以来作为石油、天然气运输的重要方式，管道事故会 给国民经济带来巨大的损失。管道腐蚀引起的失效已成为压力管道安全 技术问题的重要内容。 评价腐蚀管道剩余强度的目的是为了研究缺陷能否在某一操作压力 下允许存在，确定当前腐蚀缺陷下的剩余强度和最大失效压力，以及在 某一输送压力下允许存在的最大腐蚀缺陷尺寸等，为管道维修计划和安 全生产管理提供科学的依据。 本文首先对a s m eb 3 1 g 、d n v - r p f 1 0 1 及p c o r r c 三种评价方法 进行了回顾、总结。并利用管道爆破实验结果对三种评价方法进行了分 析比较，指出三种评价方法的局限性及适用性。在此基础上结合这些评 价方法用m i c r o s o t tv i s u a lc 抖6 0 开发了含腐蚀缺陷燃气管道剩余强度 的评估软件，可在现场对腐蚀管道进行简单评估。 其次利用有限元分析软件a n s y s 对含螺旋型腐蚀缺陷管道的失效 进行有限元分析，考虑了几何非线性和材料非线性，分析采用三维六面 体等参单元建立合适的有限元模型，用两倍弹性斜率法来确定腐蚀管道 的极限载荷。通过对几组算例的计算，将有限元计算结果与利用三种评 价准则的计算结果进行了比较，可知有限元法对于各种情况均可得到与 实际比较吻合的结果。 最后，利用有限元计算结果，定量地研究了螺旋型腐蚀缺陷的螺旋 角、长度、宽度、深度变化对评价结果的影响。 关键词：螺旋型腐蚀，燃气管道，体积缺陷，剩余强度，有限元，b 3 1 g ， d n v ，p c o 砌配，极限载荷 a b s t r a c t p i p a g ei sa ni m p o r t a n tw a yo fp e t r o l e u ma n dg a st r a n s p o r t a t i o na l la l o n g i nv i e wo fn a t i o n a le c o n o m y sg r e a tl o s sd u et op i p e l i n ea c c i d e n t ，p i p e l i n e s c o r r o s i o nb e c o m et h ei m p o r t a n tq u e s t i o no fi t ss e c u r i t yt e c h n o l o g y t h ee v a l u a t i o no nr e s i d u a ls t r e n g t ho fc o r r o d e dp i p e l i n ei st oc o n f i r m w h e t h e rt h ed e f e c ti sa l l o w e d0 1 1ac e r t a i np r e s s u r e ，r e s i d u a ls t r e n g t h ，m a o p a n da l l o w e dm a x i m u md e f e c td i m e n s i o no nac e r t a i np r e s s u r e ，o f f e r i n ga t e c h n i c a lg u i d ef o rm a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t a tf i r s t ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h er e v i e wa n ds u m m a r yf o ra s m eb 31g 、 d n v - r p - f101a n dp c o r r c s o m eh y d r a u l i cb u r s t i n gt e s tr e s u l t so fc o r r o d e d p i p e l i n e sh a db e e nu s e dt ov a l i d a t et h i st h r e em e t h o d sa n das o f t w a r eu s e dt o a s s e s st h er e s i d u a ls t r e n g t hw a sd e v e l o p e db yv i s u a lc + + 6 0s o f t w a r e t h e c a l c u l a t e dr e s u l t ss h o w e dt h ed i f f e r e n c e so ft h ep r e d i c t e df a i l u r ep r e s s u r e s a m o n gt h e m a tt h es a m et i m et h ep a p e rp o i n to u tl i m i t a t i o n so ft h i st h r e e a s s e s s m e n tm e t h o dr e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，a n s y s ，af i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，h a db e e nu s e dt o a n a l y s et h ef a i l u r eo fs p i r a lc o r r o d e dp i p e l i n e s a l lp i p es a m p l e sa r em o d e l e d w i t h2 0n o d eq u a d r a t i ch y b r i db r i c ke l e m e n t sa c c o r d i n gt ot h e i ra c t u a ls h a p e a n dt h ef a i l u r ep r e s s u r ew a si d e n t i f i e db a s e do nt h et w ot i m e so fe l a s t i cs l o p e c r i t e r i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sm e t h o dp r o v i d e sm o r ea c c u r a t e p r e d i c t i o nt h a no t h e r sf o r a l lc a s e s a tl a s t ，e f f e c t so f c h a n g e so fs p i r a lc o r r o s i o nf l a w sh e l i xa n g l e ，l e n g t h ， w i d t ha n dd e p t ho ne v a l u a t er e s u l ta r es t u d i e db yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s k e y w o r d s ：s p i r a lc o r r o s i o n ，f u e lg a sp i p e l i n e s ，v o l u m ed e f e c t ，r e s i d u a l s t r e n g t h ，t h ef i n i t ee l e m e n t ，b 3 1g ，d n v ，p c o r r c ，l i m i tl o a d u l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王许 二口唱年5 月3 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密0 ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密“ ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：王怦 3 o 口墨年6 月f 日 指导教师签名：铅撅 c 轴矿年多月日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 城市燃气管网系统是向城市居民、公共建筑、小工业等各类用户供 应燃料和原料的复杂系统，被称之为城市能源的生命线。城市是国民经 济、文化、政治的中心，人口密集，公共设施众多，燃气管网输送的介 质是易燃易爆的可燃介质，它的安全运行关系到城市国民经济的健康稳 定发展。当今中国城市正处在一个高速发展的时期，市政建设如火如荼。 由于城市燃气管网向大容量、大规模、多压力级制的方向发展，使得城 市燃气管网的突发灾害事故对城市公共安全的威胁巨大。武汉市在用燃 气管道使用年限长，存在严重的老化现象，而且一般都埋于地下，检测、 监测困难，维护成本大。无论新建管网还是老的管网，都存在着泄漏和 破裂的危险，容易导致中毒、火灾、爆炸等重大突发性公共安全事故。 目前，我国长输油气管道有4 万多千米，服役期超过2 0 年的占6 2 ， l o 年以上的占8 5 ，管道老化严重n 1 。这些管道常年埋设地下，外部长期 受到土壤介质、杂散电流的腐蚀，内部受到含有h ：s ，c o ：、c 1 _ 1 等的油、 气、水的腐蚀，常常发生穿孔、泄露和开裂乜1 。特别是在较高压下工作管 线一旦破裂，会引起火灾、爆破等灾难性事故，尤其是通过人口稠密地 区的管网发生事故，其后果就更不堪设想。 我国油气管道的腐蚀问题非常严重，事故时有发生。其中大部分是 由腐蚀引起的事故。2 0 0 4 年全国压力管道事故共1 6 起，其中重大事故1 起、 严重事故1 3 起，死亡2 3 人，受伤6 3 人。2 0 0 7 年7 月，山东省德州市平原县 德齐龙化工集团有限公司发生一起压力管道重大事故，造成8 人死亡，1 人重伤，1 人轻伤；2 0 0 7 年8 月，重庆市沙坪坝宇冠生物液体燃料有限公 司公司发生一起压力管道爆炸事故，造成2 人死亡，1 人重伤；2 0 0 7 年9 月， 武汉工程大学硕士学位论文 江苏中阳建设集团有限公司发生一起压力管道爆炸事故，造成2 人死亡， 1 人受伤1 。国外方面，1 9 8 8 年，前苏联乌拉尔山地天然气干线泄漏爆炸， 导致3 0 0 多人死亡，8 0 0 多人受伤h 1 。另外，对老龄管线进行修复和更换也 要花费昂贵的代价，1 9 9 0 年，阿拉斯加为修复管线花费了1 5 亿美元；1 9 9 1 年，英国北海更换管线费用为2 6 5 亿美元晦3 。 鉴于管道重要的战略地位和管道事故危害的严重性以及维修管道费 用的高昂，对含有腐蚀缺陷的管道进行剩余强度评价是非常必要的，评 价的目的就是研究含腐蚀缺陷管道所容许的最大操作压力以及在某一操 作压力下允许存在的最大缺陷尺寸，从而做出正确的决策降低运行 压力、继续服役或修复或更换等，这样既可避免事故的发生又可节省维 修费用。国外在2 0 世纪6 0 年代已经开始了这方面的工作，并且颇具体 系。我国在这方面相对起步较晚，与国外相比差距较大，没有完整的理 论体系，多为借鉴国外的经验，并且在预测的精度和准确性上也有待提 宣 闻。 目前，国内外对腐蚀管道安全评价的准则很多。例如：美国a s m eb 3 1 g ， 英国的r 6 1 ，挪威船级社的d n vr p f 1 0 1 口1 ，加拿大的c s a z 1 8 4 一m 8 6 陋3 标 准，澳标a s 3 7 8 8 - 1 9 9 0 附录n 圆柱壳、锥壳和球壳局部减薄的评定等等。 这些标准由于制定的时期不同，评价对象不同，使用中往往出现不同的 评价结果，给使用者造成不必要的麻烦。例如，b 3 1 g 评价中高级钢材管 道时就会出现过度保守的情况，导致出现腐蚀管线被过早的更换，造成 经济损失凹1 。所以本文拟对目前国际上通用的评价标准进行比较分析，指 出其适用性和局限性。在此基础上结合这些评价方法用m i c r o s o f tv i s u a l c + + 6 0 开发了含腐蚀缺陷燃气管道的评估软件。 1 2 埋地管道的研究现状 1 2 1 国外研究现状 第1 章绪论 国外对腐蚀管道剩余强度评价方面的研究工作较早。美国、加拿大 及英国等国，对受腐蚀的油气管道的评估己有规范可循。在这方面，美 国机械工程师协会( a s m e ) 、美国天然气协会( a g a ) 和英国天然气公司做了 大量的工作，在管道腐蚀方面的研究己取得了很大的成就。美国德克萨 斯州东部输气公司和美国天然气协会( a g a ) 的管道研究委员会共同对管 道的腐蚀进行了研究，主要用断裂力学的方法研究了裂纹缺陷的扩展机 理和失效模式以及缺陷评估方法等，在此研究的基础上提出了表面缺陷 评估公式，用来计算腐蚀管道的剩余强度，又通过一些试验验证，提出 了评估腐蚀管道的准则，艮p b 3 1 g 准则。1 9 8 4 年，美国机械工程师协会把 b 3 1 g 准则收录到管道设计的规范中，即a n s i a s m eb 3 1 g 标准。目前，这 一标准已广泛应用于管道工业，用于评估腐蚀管道的剩余强度。因为b 3 1 g 准则的基础是基于断裂力学的表面缺陷评估公式，此公式基于一定的假 设和简化，所以用b 3 1 g 标准来评估腐蚀管道时具有很大的局限性，有时 给出非常保守的结果，致使一些管道被没有必要的拆除和更换，造成了 不必要的浪费。针对标准的保守性，1 9 8 9 年美国天然气协会又进行研究， 对b 3 1 g 准则保守的原因进行了研究分析，根据研究结果对b 3 1 g 准则进行 了修正，得到了修正的b 3 1 g 准则。改进的标准可得出更合理的结果，且 大大提高了评估速度。但对一些具体的情况，仍存在一定的缺点，评估 结果仍然偏于保守n 引。 w a n g n 在有限元分析的基础上，提出了一种用弹性极限原则来评估 管道剩余强度的方法。用有限元方法分别计算腐蚀管道在内压、轴向载 荷和弯矩作用下的应力集中系数，再利用已有的方法计算完好管子的各 向应力，然后可得到腐蚀区的应力状态，计算出最大等效应力，如果最 大等效应力不大于材料的屈服强度，则认为是安全的，否则失效。研究 表明，这种方法得到的结果和试验结果相比，存在一定的保守性，但要 l l b 3 1 g 预测的结果准确。 武汉工程大学硕士学位论文 加拿大滑铁卢大学的b a c h o u c h a o u i $ 1 r j p i c k n 2 1 用有限元方法对 腐蚀管道的剩余强度进行了研究。主要研究了单一腐蚀的特性及相邻腐 蚀的相互作用，同时还考虑了轴向力的影响，并做了大量的试验进行验 证。研究结果表明，用有限元方法得到的结果和试验结果吻合得很好， 具有很高的精确度，同时指出b 3 1 g 标准的保守性。 英国天然气公司的h o p k i n 和j o n e s n 3 1 提出了一种称为塑性极限原则的 方法。研究认为：腐蚀管道的失效可以由腐蚀区的环向应力值来确定， 当环向应力达到材料的极限抗拉强度( u t s ) 时，管子发生塑性失效，否则 是安全的。但在研究中没有考虑材料屈服后管子材料强化作用的影响， 因此，结果是偏于保守的。 后来，b i nf u 和m g k i r k w o o d 口钔用有限元方法对腐蚀管道的塑性失 效进行了研究，分析中考虑了几何和材料的非线性。基于管子的实际变 形过程，提出了一个失效准则，即屈服强化阶段结束时，管子的最d x m i s e s 应力达到极限抗拉强度( u t s ) 时，管子发生塑性失效，否则是安全的。该 准则预测结果和试验结果进行对比表明，本准则具有很高的准确性。 1 9 9 9 年，由英国燃气公司b g 和d n v 合作开发的d n v - r p f 1 0 1 标准口3 ， 充分考虑了缺陷深度的尺寸和材料性质的不确定性，引入了不同的分项 安全系数一深度分项安全系数、腐蚀模型预测分项安全系数等。除内压 外，该方法还考虑了轴向应力。此标准针对中高级钢管道，适用范围可 以达到x 8 0 ，对于现代高强度大口径管道的安全评价而言更加适合。 1 2 2 国内研究现状 近年来，我国的专家学者也在这一方面做了大量工作，相关部门制 定并发布了一些标准和法规，如含有缺陷管道剩余强度评价和剩余寿 命预测方法研究项目技术研究报告n5 | ；化工部1 9 9 5 年颁布的化工 企业压力管道检验规程，钢制管道管体腐蚀损伤评价方法n 引，含缺 4 第1 章绪论 陷压力容器安全评定等。中华人民共和国石油天然气行业标准n 刀 ( s y t 6 4 7 7 2 0 0 0 ) 第一部分，介绍了对含体积型缺陷油气输送管道剩余强 度评价的方法。国家“八五 科技攻关课题：压力容器极限与安定性分 析及体积型缺陷安全评估工程方法研究。“九五期间，国家质量技术监 督局锅炉压力容器检测中心主持的国家重大科技攻关项目对含局部减薄 缺陷压力管道的评定方法进行了较全面研究，其成果编入了在用含缺 陷压力容器安全评定( g b t1 9 6 2 4 - 2 0 0 4 ) 附录h n 引。中国石油大学提 出了基于腐蚀缺陷检测的管线可靠性整体评价与预测方法，将有限元数 值模拟、断裂力学和损伤力学等分析方法引入在役管道的失效分析中， 提高了管道安全评价的准确程度和预测功能n 们，其研究成果广泛用于秦 京输油管道、陕京输气管道等国内重要油气输送管道的安全维护，取得 了显著的经济效益。 蔡文军晗们等利用a n s y s 软件对腐蚀管线的剩余强度进行非线性有 限元分析。采用规则的轴向沟槽来近似模拟轴向腐蚀区，将预测结果与 b 3 1 g 预测结果进行了比较，证明用此方法对腐蚀管线的剩余强度进行评 估是可行的，能得到比较准确的结果，并说明了内腐蚀和外腐蚀对管线 剩余强度的影响没有太大的差别。 沈士明乜盯提出了以a d i n a 与s u p e rs a p 相结合的计算程序计算腐蚀 管道的极限载荷。利用s u p e rs a p 的优异的数据前后处理能力来弥补 a d i n a 的不足。计算时采用v o n m i s e s 屈服准则，同时结合含人工缺陷 管道的四点弯曲实验结果，得到了含不同球型蚀坑缺陷的压力管道在内 压和弯矩联合作用下的极限弯曲载荷，这个实验确定的管道极限载荷与 有限元计算结果基本一致，其最大误差为7 3 2 。在此基础上，参照含球 型凹坑的压力容器在内压作用下极限载荷的处理方法和美国a s m e 标准 中的相应规定，提出了在役缺陷管道的工程安全评定方法可用于在役含 腐蚀球形凹坑缺陷的压力管道的安全评定。 武汉工程大学硕士学位论文 赵新伟乜2 1 采用有限元数值分析软件m s c a r i e s 软件进行前后处 理，包括建立几何模型、边界条件、网格划分和计算结果处理。利用 n a s t r a n 软件中的非线性模块，计算不同内压下的v o n m i s e s 应力分 布，分析蚀坑间距改变对管道极限承压能力的影响规律。并由此确定两 近邻轴向蚀坑和两近邻环向蚀坑产生交互作用的有效距离。 在我国，利用有限元方法进行腐蚀管道评价还是比较新的内容，远 不如国外发展的技术那么成熟，在有限元计算的精度上还不够高，另外， 对于复杂缺陷、弯矩及轴向应力等方面的研究刚刚起步。 1 3 极限载荷分析方法 1 3 1 极限分析概念乜3 4 1 对于由理想弹塑性材料制成的构件或结构，由于外载荷的逐渐增加， 结构会由弹性状态进入塑性状态，此时即使载荷不再增加，塑性变形仍 可继续增长，这种状态称为极限状态，这种状态所对应的载荷就称为极 限载荷。由于实际材料进入塑性变形阶段后，其应力应变关系是非线性 的，因此我们在计算时往往采用近似的方法，即只计算结构的极限载荷 而不考虑其变形过程，这种方法叫极限分析方法。与弹性分析相比，极 限分析更能反映结构的性能，能进一步发挥材料的潜力。 1 3 2 极限载荷的分析方法 分析结构的极限状态，计算与之相对应的极限载荷，可以为确定结 构的安全度提供必要的依据，通常极限载荷的分析可以采用以下四类方 法： ( 1 ) 应力函数法 采用应力函数法比较容易满足平衡条件，但其物理意义不明确，边 界条件不易满足，而且求解也比较复杂。 第l 章绪论 ( 2 ) 解析分析法 根据塑性力学的基本理论，确定结构塑性破损极限，从而得出极限 载荷解析解。但解析分析法主要适用于较简单的结构，对复杂结构的求 解往往无能为力，对于多数较复杂的工程实际问题，如不通过简化处理， 就不可能得到极限载荷的解析解。 ( 3 ) 数值分析法 采用数值分析法需要大规模的求解数学规划问题，这在以前是难以 做到的，近年来，随着计算机技术的飞速发展，这一问题已基本得到解 决，各种数值法得到了较多的应用，其中大多数采用的是有限元方法和 有限差分法。有限元方法是利用非线性有限元的方法进行数值计算，做 出载荷变形曲线，然后利用各种极限载荷准则确定结构的极限载荷。由 于有限元法相对于试验法来说成本低，并能较容易的实现在一个模型上 加上各种不同的载荷和载荷组合，并且有限元分析的结果经过验证表明 是一种可靠的近似解，对于工程问题，有限元方法往往具有其他方法所 不具备的优势，因此该方法是目前最常用的分析手段。 ( 4 ) 实验法【2 5 】 该方法通过对试件逐步加载，测出试件对应特征变形量，绘出载荷一 变形曲线，根据试验极限载荷定义准则，从载荷应变曲线上得出试验极 限载荷。此方法也是确定结构极限载荷的一种很常用的方法。 1 3 3 确定极限载荷的准则 理论极限载荷定义为与极限状态相对应的载荷，在此载荷作用下， 即使载荷不再增加，而结构的变形将无限地增加，从而失去承载能力。 其前提是假定材料为理想塑性材料，变形为小变形。而实际材料存在应 变硬化效应以及几何的强化和弱化效应，变形也非完全小变形，理想的 极限状态几乎是不可能发生的。因此确定真实结构的极限载荷应采用什 武汉工程大学硕士学位论文 么准则一直是许多工程师十分关心的问题，由于塑性流动的判断依据不 同，因而产生了不同的确定极限载荷的方法： ( 1 ) 两倍弹性变形准则 该准则用在a s m e 锅炉及压力容器规范第1 i i 篇1 9 7 4 年版中。极限 载荷p 砂定义为挠度达到初屈服载荷下弹性挠度两倍时的载荷。这种定义 方法的准确性取决于初始屈服载荷p y 的准确性。见图1 1 ( a ) 所示。 ( 2 ) 切线交点准则 该准则是由s a v e 瞳阳提出的，具体的做法：分别作出p s ( 载荷一应变) 曲线或p w ( 载荷一位移) 曲线的弹性部分和塑性流动部分的切线，则极 限载荷p ，定义为与双切交点处相应的载荷值。如图1 1 ( a ) 所示。 ( 3 ) 三倍万准则 s c h r o e d e r 乜7 1 将d e m i r - d r u c k e r 方法中的弹性响应位移取为载荷一应 变曲线上弹性和塑性部分切线交点所对应的应变万，并定义试验极限载 荷p ，5 为p w 曲线上的测定位移等于3 艿时的载荷，见图1 1 ( a ) 。 ( 4 ) 两倍弹性斜率准则 这是被a s m e 锅炉及压力容器规范第1 i i 篇和第篇1 9 7 5 - 1 9 8 6 年乜胡 各版本所采用的准则。极限载荷p 口定义为p g 曲线和两倍弹性斜率线 之交点所对应的载荷值，见图1 1 ( b ) 所示。 ( 5 ) d e m i r d r u c k e r 准贝l j d e m i r - d r u c k e r 以印子1 9 6 3 年建议的极限载荷p d ，此定义的实质就 是三倍弹性斜率准则，如图1 1 ( b ) 所示。 ( 6 ) 塑性功准则 该准则是g e r d e e n 口们在1 9 7 9 年提出的，他用图1 1 ( c ) 中载荷一位移 曲线下的相应面积来定义弹性功。和塑性功矿p 。用适当选择参数 口= 形。矽口的数值来定义极限载荷r 。 ( 7 ) 最大环向主应变倒数外推法 第1 章绪论 该法是由w e n i e l s e b 妇提出的，其理论根据是当构件达到极限状态 时，应力最高点的最大环向主应变值趋于无穷大，而其倒数将趋近于零。 因此极限载荷兄的定义为：取应变值最高点的环向主应变倒数，用外推法 求得倒数值为零时的载荷点即为极限载荷点。如图1 1 ( d ) 。 ( 8 ) 0 2 残余应变准则 a s m e 锅炉及压力容器规范第1 i i 篇1 9 7 1 年版曾采用该准则。极限载 荷r ：定义为引起0 2 永久应变的载荷。如图1 1 ( e ) 。 ( 9 ) 零曲率准则 该准则是章为民口2 3 在准则( 2 ) 的基础上的改进，实际极限载荷只定义 为载荷一位移( p w 或p 一占) 曲线上的零曲率点相应的载荷，其物理意义 为：理论极限载荷相应于载荷一位移曲线的零曲率条件d 。d 。= 0 ，即导 致无限塑性流动的载荷。如图1 1 ( f ) 。 对于以上的各种确定极限载荷的准则，经过研究发现，用双切线法、 两倍弹性斜率、三倍万准则以及0 2 残余应变准则方法来确定极限载荷 所得的结果相差不大，而且这几种方法比较简单实用，使用也比较方便， 在工程实际中应用也较为广泛。因此本文采用两倍弹性斜率法来确定 腐蚀管道的极限载荷，该方法也是我国钢制压力容器一分析设计标准 2 3 4 7 3 2 9 5 所推荐的方法。 武汉工程大学硕士学位论文 ， 震 图1 1 极限载荷确定准则 1 4 本论文的研究内容和方法 目前，对含体积型缺陷腐蚀管道剩余强度的评价大致有以下几类方 法：基于断裂力学经验公式的评价准则，如b 3 1 g 、d n vr p f 1 0 1 、 p c o r r c 等评价标准；实验法即全尺寸水压爆破试验，此种方法结果准 确，但是费用昂贵；有限元法，利用有限元软件如a n s y s 。有限元方法 综合考虑了腐蚀缺陷的形状和材料参数，计算的结果更加合理，更接近 实验值。 本论文将选取b 31 g 、d n v 、p c o r r c 三种评价准则进行回顾和分 析，开发了含缺陷燃气管道的剩余强度评价模块，并结合国外水压爆破 数据进行验证和计算分析。另外，采用有限元分析软件a n s y s 对水压爆 第1 章绪论 破实验的含缺陷管道进行非线性模拟计算得到极限载荷，并和实验结果 比较。最后，利用有限元计算结果，定量地研究了螺旋型腐蚀缺陷的螺 旋角、长度、宽度、深度变化对评价结果的影响。 第2 章腐蚀管道剩余强度工程评估方法 第2 章腐蚀管道剩余强度工程评估方法 2 1 管道腐蚀的类型 腐蚀缺陷主要分为三类：体积型缺陷、平面型缺陷( 裂纹) 、弥散损 伤型缺陷( 氢致鼓泡和氢致诱发型裂纹) 。体积型腐蚀缺陷包括一般性腐 蚀和局部腐蚀( 局部减薄) 。一般性腐蚀是指管线上大部分发生腐蚀情况。 局部腐蚀主要是发生在管线的某一小部分，主要有： 点蚀( 图2 1 ) ：腐蚀面积小，严重情况下会造成穿孔情况。在点蚀 中，深度的影响最大。 沟槽型腐蚀( 图2 2 ) ：分为环向和轴向两种。 焊缝腐蚀( 图2 3 ) ：存在于焊缝的腐蚀。 螺旋型腐蚀( 图2 4 ) ：腐蚀缺陷与管线的轴向成一定的角度。螺旋 型腐蚀的评估比轴向腐蚀要复杂一些。 另外，有些管段上同时存在的缺陷由于距离较近会发生交互作用。 这些缺陷分为： ( 1 ) 环向排列缺陷：指沿管段的环向分布，缺陷中间以全壁厚管段 相隔，投影在轴向上重叠( 图2 5 a ) 。 ( 2 ) 轴向排列缺陷：指缺陷沿管段位于同一轴线方向上，中间被全 璧厚管段隔开( 图2 5 b ) 。 ( 3 ) 交叠排列缺陷：指在一较长较浅的缺陷内部有一个或多个较深 的蚀坑( 图2 5 c ) 。 图2 1点蚀 1 3 武汉工程大学硕士学位论文 a 轴向沟槽腐蚀 图2 2 沟槽腐蚀缺陷 。 图2 3 焊缝腐蚀 b 环向沟槽腐蚀 4 4 8 时，为长缺陷，用矩形面积模拟。如图2 7 所示。 第2 章腐蚀管道剩余强度工程评估方法 图2 7 缺陷面积简化 即：a 生o = 了2 了d 此时扣丽s 4 。且o 1 ( d ， 5 0 ) ( 2 1 3 ) ( 3 ) 金属损失面积的确定方法的修正 在原始b 31 g 标准中，采用了抛物线和矩形两种形状来表征腐蚀缺陷 的面积。但是缺陷处金属损失的形状是很复杂的，对腐蚀坑深度剖面测 量的越细致，则对金属损失的描述越真实。过去简单的使用最大深度和 最大长度来描述肯定是不合理的。有人提出了下面三种确定面积的方法： 精确面积法 测量腐蚀缺陷，然后绘制腐蚀面积的等高线图，根据此等高线图， 第2 章腐蚀管道剩余强度工程评估方法 得到准确的剖面图。在剖面图上，沿轴向间隔相等的距离，测量腐蚀区的 深度d i ，假设测量n + 1 次，得到n + 1 个深度值d o ，d l ，一- ，d n ，这样就可以通 过计算每个小梯形的面积得到腐蚀区的损失面积，公式如下： ”川降) + ，( 警) ，( 华) = ，( 警+ 纠弦 式中：a 是金属损失面积；，为两次深度测量的间隔；d i 为第i + 1 次测量 的深度值；d o 、“为腐蚀区两端出的深度。在理想情况下，d o 、d l l 为零， 这时有： 4 = 吐n l = n l d , , , , g = 厶纠d 嘴 ( 2 1 5 ) 式中：代表腐蚀区总长度，代表腐蚀区的平均深度。 可以看出，腐蚀区的精确金属损失面积可以用一个长方形的面积来 代替，腐蚀区的总长度和平均深度的乘积。 等效面积法 把式( 2 1 5 ) 作变换即可得到另一种计算方法： 么= 厶细a 曙：l t o t a i ( d , 冲a , d ) d = l p q d ( 2 16 ) 这里k 称为等效长度，可表示为： z e q = l e o 缸，p 口曙d ) ( 2 17 ) 有效面积法 对不规则的腐蚀缺陷，根据缺陷的总面积和总长度得到的管子的强度 常常不是最小值。有效面积法是分别对一系列连续腐蚀缺陷的每一个梯 形截面计算出管段的失效压力，把其中最小的失效应力作为管子的失效 压力。 武汉工程大学硬士学位论文 图2 9 有效面积 如图( 2 9 ) ，可以计算出1 0 个不同的损失面积。每次计算包括l j ，如一讧b i = 1 ，2 ，1 0 。每次计算得到的面积是厶范围内由不同深度的点形成的梯 形面积的总和。这种方法是以有效面积和有效长度为依据。该方法要求 细致的测量，工作量很大。为了快速计算，人们开发出p c 程序 r s te n g ，同时为了手工计算的方便，提出了一种更加方便、简单、理 想的表达方式，即采用0 8 5 d i 代替2 3 d l ，如图( 2 1 0 ) 。 图2 1 0 用o8 5 d l 来近似表示腐蚀面积 所以，在修正b 3 i g 标准中，腐蚀面积表达式为： a08 5 d l ( 近似值，矩形和抛物形的平均值)( 2 1 8 ) 结合前面公式( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) ，得到的修正b 3 1 g 的表达式为： 第2 章腐蚀管道剩余强度工程评估方法 尸= 字斟 ( 2 1 9 ) 该修正表达式被收录到1 9 9 1 年版的b 3 1 g 标准中，称为a s m e b 3 1 g 一1 9 9 1 。 该公式也规定：最大缺陷深度为管子名义壁厚的8 0 9 6 ，而缺陷深度为 壁厚的1 0 以下时可以忽略。用改进的b 3 1 g 准则评估腐蚀缺陷时，可以 得到比原准则更接近实际的结果，改进了原准则在面积计算方面的不连 续性，但是对于螺旋腐蚀、焊接腐蚀、环向腐蚀等，所得结果不理想。 为了验证各参数修正对评价结果的影响，本文利用国外多个数据库数 据进行了计算，分析得到了各个因素对评价结果的影响。 ( 1 ) f o l i a s 系数的影响 对公式( 2 3 ) 而言，当流动应力和尺寸等条件相同时，对评价结果 有影响的仅仅是中括号内的部分，所以将此部分称为减速比。从图2 1 l 中可以看出：对于短缺陷，f o l i a s 系数对计算结果的影响较小，但是随 着缺陷的增长，f o l i a s 系数的影响变得明显。 o24681 01 21 41 61 82 02 22 4 l s q r t ( d t ) 图2 1 1同一尺寸下不同m 值对压力预测的影响 ：呈 暑； ：2 ；2 1 o 0 0 o 0 基覃 髦 武汉工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 缺陷面积计算方法的影响 缺陷面积的定义有三种方式，在图2 1 2 中可以看出，当其它条件相 同时，取不同的面积定义方法对失效压力预测值的影响。由图可见，0 8 5 d l 的计算结果介于抛物线形和矩形之间。 图2 1 2 中表明了选用原始b 3 1 g 公式计算失效压力与完全选用三种 面积表达式计算失效压力时的结果差异。可以看出当量长度因子 三d f 4 4 8 时，计算结果则十分接近矩形，这也表明对于长缺陷 而言，选用抛物线面积公式计算失效压力具有一定的局限性。原始的 b 3 1 g 标准要求根据当量长度范围的不同来确定采用不同的面积公式进 行计算。而采用0 8 5 这个系数时，则避免了这个问题，使计算更加容易 和合理。 5101 52 02 5 l s o r t ( d t ) 图2 1 2b 3 1 g 以及不同的面积定义对减速比的影响 ( 3 ) 流动应力的影响 2 4 ， 0 g 8 7 6 5 1 1 o 0 o o 0 越瑙堪 第2 章腐蚀管道剩余强度工程评估方法 o & 、一， r 醴 较 水 p l ，s m y s + 6 8 9 5 m p a p 2 ，1 1 s m y s p 3 ，1 1 5 s m y s1 4 ，s m t s 图2 1 3 流动应力的选取对压力预测结果的影响 从图2 1 3 可以看出当流动应力从1 1 s m y s 变到s m t s 时，预测的失 效压力发生了显著的变化，可见流动应力的选择对失效压力的预测结果 是有很大影响的。有学者指出口引，引起失效压力预测结果差异的主要因 素就是流动应力的定义。 修正后的b 31 g 标准保守程度大大降低，预测结果更加接近实际。 笔者通过计算验证了这一点。在图2 1 4 中，显示了分别利用修正前后的 b 3 1 g 公式计算的失效压力的差别。 武汉工程大学硕士学位论文 公 正 乏 v r 幽 较 水 3 04 05 0 算例标号 图2 1 4 修正前后1 3 3 1 g 计算结果比较 图中的x 轴的缺陷样本号是按照钢号由小到大排列的。样本号1 - 9 的钢号值为x 4 2 ；样本号1 0 - 2 7 的钢号为x 4 6 ；2 8 3 3 钢号为x 5 2 ；3 o 钢号值为x 5 5 ，4 1 5 4 为x 6 0 ，5 5 6 3 为x 6 5 。l 4 0 号数据出自文献 4 4 1 ； 4 1 4 9 号出自文献【4 5 】；5 0 - 5 5 号出自文献 4 6 】；5 6 - 6 2 号出自文献 4 7 】； 6 3 号出自文献 4 8 1 。通过比较可以看出：修正后b 3 1 g 计算的压力值比修 正前公式计算的值有明显提高，可见，修正后的b 3 i g 保守程度降低。 很多学者对b 3 1 g 的局限性作了进一步的研究，这些研究在一定的 程度上弥补了b 3 i g 的不足： ( 4 ) 轴向载荷和弯矩的影响。 b 3 1 g 中只考虑了内压作用，没考虑这两者的影响。通过有限元方法 研究表明，轴向载荷对管线失效有影响，轴向拉伸应力可以延迟管线的 屈服和破坏，而压缩应力则加速管线的屈服，降低管线的承载能力。对 于内压作用的情况，轴向载荷降低了管线的失效压力；但是拉伸载荷是 第2 章腐蚀管道剩余强度工程评估方法 有益的，当它小于管线屈服强度的6 0 时，影响不大；当大于屈服强度的 6 0 时，轴向拉伸载荷是很重要的。管子弯曲时，则有很高的轴向拉伸应 力，此时利用b 3 1 g 准则评估将得到不保守的结果，在这种情况下应考虑 弯矩的影响。 ( 5 ) 腐蚀宽度的影响。 修正前后的b 3 1 g 中都没有考虑宽度的影响。因为在一般情况下，管 子只受内压时，轴向腐蚀的环向尺寸对管线强度的影响不大。但是当环 向的尺寸很大时，则应该考虑到腐蚀宽度的影响。s t e w a r t 等人提出用一 修正系数来考虑腐蚀宽度的影响，修正系数与腐蚀的宽度和材料的特性 有关。下面是修正系数表达式： 厂= ( 丽) ” ( 2 2 0 ) 式中，w 为轴向腐蚀的宽度( w 一0 是裂纹情况，w _ d 是圆周腐蚀情 况) ；n7 是材料的强化参数，根据l u d w i k 指数定义，可以由下式计算： n = i n ( 1 + 8 ，。) ( 2 2 1 ) 式中的eu 是极限拉伸应变。 韦尔考斯基爱勃法考虑了轴向应力的影响，认为管线失效由轴向应 力决定，并且通过研究腐蚀宽度对剩余强度的影响，得出了下述结论： 当腐蚀深度d 0 5 t 时，不考虑环向尺寸； 当腐蚀深度0 5 t d 0 6 t 时，环向尺寸不能超过圆周的1 6 ； 当腐蚀深度0 6 t d 0 8 t 时，拆除或修复。 ( 6 ) 腐蚀缺陷螺旋角的影响。 m o k 进行了大量的实验以检验b 3 1 g 对长螺旋腐蚀的适用性。实验 武汉工程大学硕士学位论文 表明，对于长的螺旋腐蚀，b 31 g 得到的破坏压力要比实际的破坏压力低 5 0 左右，并受到螺旋角度影响：对于纵向投影长度相同的腐蚀缺陷，随 着螺旋角度的增大，失效压力会减小h 9 | 。 1 9 9 1 年，m o k 等人提出了一项针对长螺旋腐蚀的经验公式： p b = 等( ，一q 譬) ( 2 e e ) 其中：q 是螺旋修正系数，表达式为： q = 警了w + q ， ( 2 2 3 ) 式中：w 为腐蚀宽度；t 为壁厚；q l 是螺旋角函数( 缈= 0 。为轴向腐蚀，妒= 9 0 。 为环向腐蚀) ， 10 20 缈 r e 9 g = 0 0 2 口0 0 2 7 r 9 l ， = 0 ( 2 2 8 ) 其中： q ：网 ( 2 2 9 ) ( d t ) 木：( d t ) m e 嬲+ 6 d s t d d t ( 2 3 0 ) ：内压荷载作用下的管道，单个纵向腐蚀缺陷的许用压力( n m m 2 ) d ：腐蚀区域的深度( r a m ) q ：长度校正系数 d ：名义外径( m m ) t ：未腐蚀的管壁的测量厚度( m m ) 乃：腐蚀深度的分安全系数 t 。：按纵向腐蚀模型预测的分安全系数 ( 2 ) 许用应力法 失效压力为： e 2 两2 t u t s i ( 2 3 1 ) 匀一劫 一 一 一 、 第2 章腐蚀管道剩余强度工程评估方法 式中：为失效压力；u t s 为极限拉伸