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含腐蚀坑缺陷悬空管道的安全研究

文档作者：赵潇朱亚明廖飞龙史振灵文档来源： 1．西南石油大学机电工程学院2．中国石油天然气管道局；3．中石油川庆钻探公司618000；4．长江大学工程技术学院		点击数：	更新时间： 2021年07月17日
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含腐蚀坑缺陷悬空管道的安全研究
赵潇 ，朱亚明 ，廖飞龙 ，史振灵
(1．西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；2．中国石油天然气管道局，河北廊坊
065000；3．中石油川庆钻探公司安全环保质量监督检测研究院，四川德阳618000；4．长江大学
工程技术学院，湖北荆州434020)
摘要：以西一线甘肃段某天然气管线为工程背景，由于土壤长期对管道腐蚀性影响及不良地质作
用，含有腐蚀缺陷管道意外产生悬空。利用ASME B31G，DNV RP—F101标准和PCORRC方法对
在役含腐蚀坑缺陷悬空管道中允许的腐蚀坑缺陷尺寸进行了确定。基于应变失效准则，建立管道
在不同地区的失效判别标准，借助Abaqus有限元分析软件，研究含腐蚀坑缺陷悬空管道的失效位
置及腐蚀坑缺陷的长度和深度对管道应力、应变、位移和对管道的安全、极限悬空长度的影响，结果
表明，腐蚀缺陷深度系数对管道影响较大，当深度系数k I>0．4后，管道的安全和极限悬空长度急
剧减小，管道极易发生失效。
关键词：悬空管道；腐蚀缺陷；应变失效准则；深度系数
中图分类号：TH49；TQ055．8 文献标志码：B 文章编号：1001-4837(2015)01—0045—07
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2015．01．006
Security Research of Pipeline with Corrosion
Defects in Suspended State
ZHAO Xiao ，ZHU Ya—ming ，LIAO Fei—long ，SHI Zhen—ling
(1．College of Mechanical and Electronic Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，
China；2．China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China；3．Technique Inspection Academe，
SPA，Deyang 618000，China；4．School of Engineering Technology，Yangtze University，Jingzhou 434020，
China)
Abstract：Taking a segment of Gansu part of W est—East Gas Pipeline as the engineering background．
Due to the long term impact of soil on the causticity of pipeline and the effects of unfavorable geology ，the
pipeline with corrosion defects have suspended unexpectedly．Using standard ASME B3 1 G．DNV RP—
FIO1 and PCORRC method on dangling pipeline with corrosion pit containing defects in service to deter—
mine allowable corrosion pit defect size．Different parts of the failure criteria is set up by criterion based
on the strain failure．With Abaqus，containing corrosion pit defect of suspended pipeline tress，strain，dis—
placement，safety and limit suspended length of pipeline on the influence of the depth，length corrosion
flaws and failure position is discussed．Results show that the corrosion depth coeficient have a great influ—
ence on pipeline．After the depth coefficient kl t>0．4，the safety and limit suspended length of pipeline
decreases sharply，pipe prone to failure．
Key words：suspended pipeline；corrosion pit；strain failure；depth coeficient
· 45 ·
CPVT 含腐蚀坑缺陷悬空管道的安全研究
0 引言
长输埋地压力管道在受到自然灾害的破坏
时，极易导致管道悬空。管道意外悬空后受到拉
伸、压缩、弯曲、剪切等荷载的作用，可能会发生塑
性变形，引起局部屈曲、褶皱等形式的破坏 J。
随着管线腐蚀老化问题的日益严重，管道悬空段
可能含有各种腐蚀缺陷，而导致悬空管道进一步
引发裂纹、管内介质泄漏、燃爆等严重灾害事故。
目前，对悬空管道的研究主要是针对不同自
然灾害的因素，比如洪水冲刷、地震灾害、风载荷
等，而对悬空管道的管体缺陷的研究甚少。针对
长输油气管道悬空的理论和管道常见的腐蚀坑缺
陷，研究这些缺陷失效位置以及对悬空管道失效
长度的影响，为埋地油气管道的维护和抢修作业
提供理论依据、完善管道的完整性管理，对埋地油
气管道的安全运行具有重要的意义。
1 压力管道腐蚀缺陷参数的计算
采用西一线甘肃段管道工况对腐蚀坑缺陷的
分析。我国甘肃地区地表的盐渍土对混凝土和钢
管具有强腐蚀性，且土壤呈碱性，使管道防腐层的
电阻率变化率很高，由于土壤是十分复杂的的电
解质，易引起管线外腐蚀。在对含腐蚀坑缺陷的
悬空压力管道进行研究时，需要确定腐蚀坑缺陷
的深度和长度。对于腐蚀管道缺陷参数，作以下
设定：k 表示腐蚀坑缺陷深度的系数，沿管道壁
厚方向；k 表示腐蚀坑缺陷长度的系数，沿管道
轴向方向。
k1=a／t (1)
k2=l~(50Dt) (2)
式中a，f——腐蚀缺陷深度、长度，mm
t，D—— 管道壁厚、外径，mm
对腐蚀坑缺陷的深度确定时，ASME B31G，
DNV RP—F101标准和PCORRC方法是比较有代
表性的评价标准和方法。文献[4—5]通过对不
同评价标准和方法的对比，得出对X60以上中高
强度钢腐蚀管道的失效压力计算时，采用DNV
RP—FIO1标准和PCORRC方法要更准确些。文
中在对腐蚀坑缺陷的深度确定时，采用了DNV
RP—F101标准和PCORRC方法。
． 46 ．
1．1 ASME B31G标准
该标准的失效压力p，表达式 J：
= ( ) (3j )
式中 —— 流变应力，MPa
— — F0lias膨胀系数，无量纲
与屈服强度 有如下关系：
or= +68．95 (4)
按下式取值：
当 2 ≤1时：
= ~／l+31．375k2 一8．4375k2 (5)
当五2 >1时：
M =1．6k2 +3．3 (6)
1．2 DNV RP—F101标准
该标准的失效压力表达式 ]：
2to-6 1一k1 ，
p， 丽 ‘ 1)、
式中 ——管材的抗拉强度，MPa
p— — 长度校正系数，无量纲
Q的表达式如下：
Q=√1+0．3l(z／ D￡) (8)
1．3 PCORRC方法
PCORRC(Pipeline Corrosion Criterion)方法是
由美国Battlle实验室开发。PCORRC方法的公式
如下 J：
” 卜exp(-0． 7志 I
(9)
式中 — — 管道半径，mm
1．4 缺陷参数的确定
ASME B31G标准规定：缺陷最大许可深度为
壁厚的80％ ，深度小于壁厚的10％ 的缺陷可以忽
略不计。由西一线甘肃段管道数据并结合上述的
确定方法，在长度系数k =0．3488时，可得到不
同深度系数k 下的失效压力，如表1所示。
表1 不同深度系数下的失效压力
深度系数k． O．5 O．6 O．7 0．8
DNV RP—F101标准计算的 11
失效压力／MPa ． 8 1O．3 8．58 6．32
PCORRC方法计算的 l1
失效压力／MPa ． 95 l0．69 9．14 7．13
第32卷第1期 压 力 容 器 总第266期
实际工况管道工作压力为10 MPa，结合表1
可知，当深度系数k，=0．7和k1=0．8时，在1O
MPa的工作压力下，管道已失效。当k =0．6时，
X70管道的工作压力接近DNV RP—F101标准计
算的失效压力10．3 MPa。管线的安全运营中，可
能存在最大缺陷深度系数为0．5。当k ≤1时，腐
蚀坑为短缺陷；当k >1时，腐蚀坑为长缺陷，长
度系数的最大值取到1．0465。缺陷参数取值如
表2所示。
表2 缺陷参数取值
缺陷参数 取值
kl 0．2，0．3，0．4，0．5
0．1163，0．2326，0．3488，0．4651，0．5814k ，
2 0
． 6977，0．8140，1．0465
2 基于应变的失效判据
基于许用应力的设计准则为管道安全运行提
供了很好的保障。但是，随着管材性能的不断提
高，管道还能满足输送要求，在这种情况下，基于
应力的判别标准就显得过于保守，放宽管道的失
效判据成为趋势 。。。管道意外悬空后，管道受
到自身及油气重力或额外受到其他外载荷作用
下，导致管道产生较大的弯曲。管道要适应曲率
的变化，管道应变由弯曲曲率决定，而不是通过计
算应力来获得管道应变，这时采用基于应变设计
就更为合适。
2．1 拉伸应变
当管道存在缺陷时，拉伸应变达到或超过极
限值，可能导致管道断裂。为了防止管道在外载
荷或者综合作用下，导致管道拉断失效，拉伸应变
应满足以下因子化的载荷一阻力设计公式[1 ：
，≤咖 占 “ (1 0)
式中 ，— — 环向或纵向的因子化拉伸应变，无
量纲
咖 —— 拉伸应变的阻力因子，无量纲，可
取0．7
crit
— — 管道的拉伸极限应变，由试验确
定，需考虑缺陷、焊缝及热影响
区，而现场管道无法进行拉伸试
验，此时拉伸应变极限取值
0．75％，海底管线取值为2％【12]
文中 crit取0．75％ ， 取0．7，代人式(1O)，得
到按照上式建立的拉伸应变临界值为0．525％。拉
裂极限一般使用弹性和塑性相结合的方法。其中，
DNV—OS—F101(2000) 规定累计塑性应变超过
0．3％时，需进行工程临界评价(ECA)；累计塑性应
变超过2．0％ 时，不仅需要进行工程临界评价
(ECA)，还需要满足材料的其他附加要求。
2．2 不同地区基于应变的失效判别标准
GB 50251-2003《输气管道工程设计规
范》¨ 中规定了根据管道通过地区沿线的人口和
建筑物的密集程度，将安全设计系数划分为4个
等级。因此输气管道的失效判别标准在各穿越地
区有所不同，根据设计系数计算出各地区失效判
别标准，如表3所示。
表3 输气管道在不同地区的失效判别标准
一地 区等级 级 二级 三级 四级
地区 地区 地区 地区
安全悬空长度对应 0
．的应变值／％ 3 0．25 0．2083 0．1667
极限悬空长度对应 0
的应变值／％ ．525 0．4375 O．3646 0．2917
3 含腐蚀坑缺陷悬空管道仿真分析
随着有限元理论不断成熟，以有限元模拟为
主的腐蚀管道研究广泛展开，而且被证明是一种
可靠的分析技术¨ 。采用Abaqus软件进行有
限元分析，对管道进行网格划分，管体采用三维4
点减缩壳单元(S4R)，土体采用8节点线性减缩
积分单元(C3D8R)。由于缺陷形状复杂，分析中
需要简化，文中用矩形坑来模拟腐蚀缺陷。管一
土接触部分和缺陷处网格划分比较密集，远离管
道处的土体单元相对稀疏。根据理论，无限长位
移为0，因此应选取一定长度的土体设定土体端
轴向位移为0，经计算，土体长度为悬空管道长度
的1／2时的长度可以满足要求，设定土体表面
(上表面和内表面除外)全约束，管体两端全约
束。管一土接触类型为面对面接触，设定管体外
表面为主表面，土体与管道接触的表面为从表面，
． 47 ．

第32卷第1期
深度系数
(a) 悬空长度5O
深度系数
(a) k．=O．2
悬空长度／m
(c) k】=O．4
图3
压 力 容 器
深度系数
(b) 悬空长度100 m
悬空长度／m
(b) k =0．3
悬空长度／m
不同深度系数时，悬空长度对极值应力应变的影(d响) k f=0 ． 5
总第266期
· 49·
uJ、龄 ， 、
肇 茸
g＼ 苗＼
姜
＼ ＼
善R
暑＼ ＼斟
譬、 邋
＼
要R
含腐蚀坑缺陷悬空管道的安全研究 V01．32 No．1 20l5
当腐蚀坑缺陷深度增大到k =0．4时，管中
腐蚀坑缺陷处的应变变化很大，当管道悬空段长
度为90 m时，该处应变达到最大值0．4953％ ，也
说明此深度系数下，管中腐蚀坑缺陷对悬空管道
的失效长度影响开始变大。当k，=0．5时，随着
管道悬空段长度的增加，管道的失效位置均在腐
蚀坑缺陷处。
3．2 腐蚀缺陷长度的影响
3．2．1 腐蚀坑位于悬空段管端的仿真结果分析
为了研究长度系数与应力应变位移之间的关
系，取悬空段长度为5O，80，100，150 m，对腐蚀坑
位于悬空段管段时进行模拟。
山
由
长度系数
(a) 悬空段长度50 m
(c) 悬空段长度100 nl
g
、
漤
，
、
制
＼
，
q
、
由图4可以看出，在悬空长度为50 m和80
nl时，管线始终处于弹性阶段；悬空长度为100 m
和150 m时，管道均进入塑性阶段，此时随着长度
系数的增加，应力和位移变化很小。悬空管道从
无缺陷状态进入有缺陷状态，应变急剧增加，但随
着缺陷长度的增加，应变值在逐渐减小。这是因
为在管道悬空段长度不变的情况下，当腐蚀坑长
度沿管道轴向增加时，腐蚀坑内处于危险截面内
的面积相对较小，使得管道壁厚减薄的区域增加，
管道的承载能力减小，管道承载力的减小要比管
道刚度的减小要快，因此导致了管道腐蚀坑区域
内最大应变在减小，最大应力也随之缓慢减小。
善300
j
0
凸一
芝300
j
0
应力
／ ／ — — ～ — 一
．
—
／
变 ．
|
位移
●
长度系数
(b) 悬空段长度80 in
一 应力 一
一 、
_～
／ 移
●
(d) 悬空段长度150m
图4 不同悬空长度下，应力应变位移与长度系数关系
3．2．2 腐蚀坑位于悬空段管中的仿真结果分析
通过有限元分析发现，当悬空段长度不大于
100 m时，不论腐蚀坑缺陷长度大小，管道上最大
量
、
漤
，
～
量
～
，
冰
＼
制
应力和应变均位于管中腐蚀坑缺陷处，最大位移
在管道悬空段管中，随着腐蚀坑缺陷长度增大，此
处应力应变也随之增大。当腐蚀坑位于悬空段管
第32卷第1期 压 力 容 器 总第266期
中，长度系数k =0．1163和k：=1．0465时，管道
管中和管端的最大Mises应力和最大应变与管道
悬空长度之间的关系曲线如图5所示。长度系数
k =1．0465时管中腐蚀坑处出现的极值应力应
日
山
=
4 结论
变要比k =0．1163时大，但不同长度系数下管中
最大应力均未超过500 MPa，且最大应变均未超
过0．3％。腐蚀坑缺陷在悬空段管中时，对悬空
管道的失效长度影响较小。
西
山
(b) k2=1．0465
图5 不同长度系数时，悬空长度对最大应力应变的影响曲线
利用ASME B31G，DNV RP—FIO1标准和
PCORRC方法对在役含腐蚀坑缺陷管道中允许的
腐蚀坑缺陷尺寸进行了确定，这对准确建立含缺
陷悬空管道模型是可靠的。
基于应变失效准则，建立了管道在不同地区
的失效判别标准，当管道变形量较大时，还应该采
用大挠度理论进行验证校核。按照基于应力建立
的含缺陷悬空管道失效准则不能准确反映管道实
际安全状态，从应变分析角度得出的结论对管道
悬空下沉过程中的力学行为、管道的安全状态分
析具有切实的帮助。
腐蚀坑深度对含缺陷管道意外悬空后安全运
营的影响比腐蚀坑长度的影响大，当深度系数
k I>0．4后，管道的安全和极限悬空长度急剧减
小，缺陷尺寸大于该深度尺寸时，管道极易发生失
效；腐蚀坑缺陷位于管段时要比位于管中对悬空
管道的失效影响大，对于悬空管道，应重点防护埋
地段与悬空管段交界范围处。
参考文献：
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【下转第56页)
· 5】·
CPVT 接管内壁钴基合金堆焊层上裂纹的修复 V01．32 No．1 2015
内最大温差≤65 c【=；
(2)热处理时采用经校准的热电偶监测温度
(接管内外均布4个热电偶)；
(3)升降温期间，加热区内任意长度内的温
差不得大于120 oC。
5．6 热处理后检查
热处理后对堆焊表面进行100％lrf检测，I
级合格，未发现裂纹。硬度检测均超过HRC40，
满足了堆焊表面硬度要求。
6 N1B接管焊接
N1A接管返修合格后，对另一接管N1B与简
体进行组焊，考虑到1．3节裂纹产生情况，作了如
下改进。
(1)基层焊接采用．1507 4,3．2 mm小直径手
工焊焊条，焊接参数见表5。每道施焊前，测量温
度，待温度≤150℃ ，方可焊接下一道。
表5 基层焊接参数
项目 焊条牌号 焊条直径／mm 焊接电流／A 电弧电压／V 焊接速度／mm·rain 道问温度／℃
数值 J507 击3．2 80～110 20～24 70～16O ≤l50
(2)因接管堆焊后缩口导致接管与简体装配
时间隙过大，将筒体侧坡口基层部分堆焊5～6
mill，重新加工坡口后，再与接管焊接，以减少装配
后焊接填充量。
(3)对接管相贯线采用砂轮打磨。
N1B接管焊后对接管内壁进行全面积Iyr检
测，未发现裂纹。
7 结论
通过对NIA接管裂纹的产生原因分析、返修
工艺的逐步改进以及后续施焊N1B接管的成功，
说明：钴基堆焊对预热温度、加热形式、工艺执行
的要求都比较严格。
在本次裂纹的修复过程中，改进了部分工艺
措施，将局部预热改为整体预热，同时注重焊接参
数控制，加强道问温度控制，从而避免裂纹的
产生。
此次修补工艺的成功，对钴基合金堆焊层上
裂纹的修复，获得了一些宝贵的经验，值得同行
借鉴。
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收稿日期：2014—11—21 修稿日期：2014—12—18
作者简介：何建波(1963一)，男，高级工程师，主要从事压
力容器制造及石油化工工程管理工作，通信地址：315103
浙江省宁波市高新区院士路660号中石化宁波工程有限
公司，E—mail：hejb．snee@sinopec．com。
(上接第51页)
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管道的安全评定方法讨论[J]．压力容器，20t0，
27(5)：21—25．
收稿日期：2014—10—07 修稿日期：2015一叭一06
作者简介：赵潇(1990一)，男，主要从事长输管道力学行
为相关研究工作，通信地址：610500四川省成都市新都区
新都大道8号西南石油大学机电工程学院，E—mail：
309272974@ qq．COtll

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