钢腐蚀管道强度分析对比

自20世纪70年代以来，腐蚀引起的管道事故日益增加，国绕腐蚀管道的破坏机理与极限承载力开展了一系列研究工作，成果显著。1984年，美国机械工程师学会（ASME）颁布了ASMEB31G规范，该规范基于大量试验数据总结了腐蚀管道剩余强度的经验公式。1991年，ASME颁布了修正的B31G规范，该规范主要对流变应力和Folias系数进行了修正[1]。1999年，英国标准委员会（BSI）了最新完整版的BS7910《金属结构中缺陷验收评定方法导则》，该规范是当前国内海洋石油工程评定验收的主要依据[2]。同年，英国燃气公司（BG）和挪威船级社（DNV）合作开发了DNV-RP-F101规范，由于数据库较新、适用范围广泛且保守程度较低，该规范的应用越来越广泛[3]，近期开发的PCORRC（PipelineCorroosionCriterion）方法[4]在改善评价方法的保守性方面表现出明显的优越性。从20世纪90年代中期开始，随着计算机技术的发展和有限元理论的不断成熟，以Fu、Batte、Klever等[5-7]为代表的科研人员和机构[8-12]纷纷针对腐蚀管道开展了以有限元模拟为主、试验为辅的研究工作，取得了丰硕的研究成果。以下利用5种评价规范和非线性有限元法对存在腐蚀缺陷不同钢级管道的剩余强度进行计算，并与试验数据对比，研究这些评价规范和方法的适应性和准确性。

1评价规范中的计算公式

1.1ASMEB31G失效压力计算公式：当时，当时，式中：L为腐蚀缺陷轴向长度，mm；D为管道外径，mm；t为管道壁厚，mm；pf为管道的失效压力，MPa；σs为材料的屈服强度，MPa；a为腐蚀缺陷深度，mm；M为Folias系数。Folias系数计算公式：

1.2修正的ASMEB31G失效压力计算公式：

2非线性有限元分析方法

2.1失效准则失效准则是评判失效的依据，依失效模式而定，目前有两种准则应用比较广泛。①基于弹性失效的准则：当腐蚀区的等效应力达到管材的屈服强度时，认为管道失效[13]；②基于塑性失效的准则[14]：当腐蚀区最小等效应力（VonMises或Tresca等效应力，在此采用VonMises等效应力）达到材料的抗拉强度σb时，认为管道失效。油气管道材料韧性较好，采用基于弹性失效的准将导致评判结果过于保守，采用基于塑性失效的准则比较合理。在三维主应力空间，VonMises条件表示为：

2.2模型结构和边界条件根据油气长输管道的特点，做如下假定[15-16]：①管道材料具有塑性应力-应变状态，同时兼顾几何非线性和材料非线性；②只考虑内压对管道内壁的作用，忽略周围环境温度等对管道外壁的影响。采用20节点的六面体等参单元Solid20node95，根据问题的对称性，取含外腐蚀缺陷管体的1/4建立有限元分析模型（图1）。在完整横截面施加轴向约束，在缺陷横截面施加对称约束，在纵向剖开面施加对称约束（图1a）。模型采用六面体网格划分，为验证网格密度对非线性有限元分析的影响，在壁厚方向分别划分2、3、4、6、8层网格，但轴向和环向网格数量保持不变，轴向缺陷周围网格加密（图1b）。为验证所选管道长度对非线性有限元分析的影响，分别选择1D、2D、3D、5D和8D管长进行对比分析2层网格模型在计算过程中等效应力出现极值点，不符合管材的应力变化要求（图2），1D管长模型的分析结果与3D和8D管长模型的分析结果略有不同，而采用4层、8层网格，3D、8D管长模型的计算结果和过程均相同，因此，选择6层网格，单元总数约1×104以及3D管长模型进行计算，若缺陷长度L大于D，则选择3L管长模型进行计算。分别提取X46、X60和X80钢级管道缺陷中心最外层和内层节点（图1c）的计算结果，绘制等效应力随内压荷载的变化曲线（图3），可见内层节点的失效应力大于外层节点的失效应力。为了管道安全，选择外层节点的失效压力作为非线性有限元分析的结果。

3计算结果分析

收集整理了文献中X42、X46、X52、X55、X60、X65、X80和X100不同钢级50例含腐蚀缺陷管道（以序号1，2，，50表示）的规格、腐蚀缺陷尺寸及爆破失效压力[17-23]，同时采用ASMEB31G、修正的ASMEB31G、BS7910、DNV-RP-F101和PCORRC五种评价规范和非线性有限元法进行相关计算，以比较不同规范和方法的准确性和适应性。根据5种评价规范、非线性有限元法的计算结果与试验数据的误差散点图（图4），ASMEB31G规范的计算误差分布对于所有钢级管道均波动较大。根据计算结果与试验数据误差平方的平均值（图5，为减小数据的随机性，删除了4组误差较大的数据，分别是2、3、10和16号管道数据），ASMEB31G规范的计算误差平方的平均值最大，且对于所有钢级管道该值均较大。修正的ASMEB31G规范计算误差分布及误差平方的平均值均较ASMEB31G规范理想，但在5种评价规范中仍属于较差的一种。BS7910评价规范的计算结果优于ASMEB31G规范和修正的ASMEB31G规范，尤其对于X60以上钢级管道。DNV-RP-F101规范和PCORRC规范的计算结果在5种评价规范中最优，尤其对于X60以上钢级管道，其误差波动较小，且误差平方的平均值小于全部钢级管道对应值的50％，说明DNV-RP-F101规范和PCORRC规范更适合评价X60以上钢级腐蚀缺陷管道。非线性有限元法误差分布的波动较小，尤其对于X60以上钢级管道，并且对于全部钢级管道计算误差平方的平均值在6种计算方法中最小，说明采用非线性有限元法计算油气输送管道的失效压力是可行的。

4结论

（1）ASMEB31G规范对X42~X100钢级范围内管道失效压力的计算结果不仅误差大，而且误差分布不稳定，修正的ASMEB31G规范的计算结果虽然有所改善，但误差仍然较大。（2）相比X60以下钢级的腐蚀管道，BS7910、DNV-RP-F101和PCORRC规范更适合评价X60以上中高强度钢级腐蚀管道的失效压力，但BS7910规范计算误差较大，而DNV-RP-F101和PCORRC规范计算误差相对较小且误差分布较稳定。（3）与5种管道评价规范的计算结果相比，非线性有限元法预测得到的X42~X100钢级腐蚀管道的失效压力误差小且分布稳定，预测结果较好。