腐蚀管道剩余强度期刊论文资料汇编.pdf
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1、 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2005 T
2、singhua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.文章编号:1006 - 4095(2004)03 - 0061 - 02腐蚀管道剩余强度可靠性评估熊昕东,陈利琼,刘坤(西南石油学院,四川成都610500)摘要:应用结构可靠性分析的基本原理,
3、分析了油气腐蚀管道应力和强度的随机性,重点介绍了腐蚀管道剩余强度可靠性评估模型和可靠度的计算方法,并利用某管线的检测数据给出了计算实例。指出我国管道工业也应该采用这种方法,降低管道工程造价并确保其可靠性。关键词:油气管道;腐蚀;剩余强度;可靠性中图分类号:TE89 文献标识码:A油气管道的安全可靠性始终是管道管理者关 注的问题。目前人们已经认识到无论是材料性能参数、 载荷参数、 计算方法还是测试数据都具有不确定因素,如果要计算这些不确定性因素就需要引进可靠性概率方法。这样,从经济上考虑,可以 改进技术,最大限度地降低整个管道工程的造价;从可靠性工程的角度来讲,设计中纳入了可靠性 指标,可以确保
4、管道安全性水平。1 腐蚀管道的可靠性模型1. 1 腐蚀管道应力和强度的随机性 (1)应力的随机性:由于长输管道横贯各种不同地理环境、 气候条件以及土壤情况,所受载荷变 化不定,因此影响管道应力的因素错综复杂,呈综合随机特征,其中主要表现为:环境土壤弹性模量 (E)的随机性,内压的随机波动,腐蚀缺陷形貌及尺寸的随机性。(2)强度的随机性:对强度随机性的影响因素主要有:实验手段的不稳定性,实验数据检测误 差,实验数据收集统计误差,管道结构的多样性和复杂性。1. 2 模型分析 一般地,腐蚀管道的可靠性分析模型可用下面形式来表达1。假设腐蚀管道的剩余承压能力即管道的破坏压力为Pc,管道的工作内压为P,
5、并且Pc、P相互独立,则管道的功能函数为:Z = g( Pc, P) = Pc-P(1) 这其实就是典型的应力-强度干涉模型。则腐蚀管道剩余强度的可靠度为:Pr= P( Z0) = P( PcP)(2)若Pc、P相应的概率分布函数和密度函数分别为FPc(pc) ,fPc(pc)和FP(p) ,fP(p) ,且(Pc-P)的联合密度函数是f(Pc,P) ,则腐蚀管道的失效概率为:Pf=+0p0fPc( pc)dpc fp( p)dp(3)则可靠度Pr为:Pr=0fP( p) pfPc( pc) dPcdp(4)2 腐蚀管道可靠度计算在建立了可靠性评价模型后,可以看出:要求得腐蚀管道的可靠度,关键
6、是要确定工作内压和 剩余承压能力(破坏压力)的分布,由管材机械性 能测试和管道爆破实验数据和分析表明它们都具有近似正态分布2。对于工作内压p:fP( p) =1 p2exp -1 2(p -p p)20 P) =0fPc( pc) pc0fP( p)dpdpc(7)引进安全裕度y:y = pc-p(8)因为pc与p均为正态分布随机变量,其差y 也是正态分布随机变量。故有:f( y)=1 y2exp -1 2(y -y y)2-4RSFa 4+RSFa(5)第4步,轴向腐蚀缺陷的可接受性评价。 如果LmL ,那末,轴向腐蚀缺陷可以接受,如果Lm L ,则计算轴向的平均剩余壁厚tam。第5步,使用
7、下列准则之一,可以确定腐蚀管道继续服役的可接收性:1)测量的剩余壁厚值应当同时满足下列两个壁厚准则。tam-FCAtmin(6)tmm-FCAmax0.5tmin,2.5 mm(7)2)按照(tam-FCA)计得出的厚度计算出的MAWPr大于或等于原设计的MAWP0。MAWPCr=2SEW(tam-FCA) D(8)MAWPL r=4SEW(tam-FCA)D(9)MAWPr=min(MAWPCr,MAWPL r)(10)同时tmm-FCAmax0.5tmin,2.5 mm(11)15第5期王春兰,等:腐蚀管道剩余强度评价的基本方法 1995-2005 Tsinghua Tongfang Op
8、tical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第6步,如果腐蚀缺陷不满足1级的评价,采取以 下措施或其组合:1)对该构件进行降压再评价、 修理、 更换;2)通过补救措施调整FCA值和焊缝系数EW;3) 进行二级评价。1.2 均匀腐蚀缺陷的二级评价 二级评价为受内压和轴向载荷及弯曲载荷的腐蚀 管道提供更好的评价方法,评价思路与一级评价相似, 第1步到第4步与一级评价相同,只是在计算最小要求 壁厚时考虑外载荷引起的附加壁厚:tst=F SEWD+4Mx SEWD2(12)第5步,使用下列准则之一确定腐蚀管道继续操作 的可受性。1)测量的平均壁厚应同时满足下列准则
9、:tLam-FCARSFatCmin(13)tCam-FCARSFatLmin(14)最小测量壁厚tmm应满足下列壁厚准则:tmm-FCAmax0.5tmin,2.5 mm(15)2)按照(tam- FCA)/ RSFa)计得出的厚度计算出 的MAWPr大于或等于MAWP0:MAWPCr=2SEW(tLam-FCA)DRSFa(16)MAWPL r=4SEW(tCam-FCA - tsl) DRSFa(17)MAWPr=min(MAWPCr,MAWPL r)(18)测量的最小壁厚tmm应满足下列壁厚准则:tmm-FCAmax0.5tmin,2.5 mm(19)第6步,如果缺陷不满足2级评价,采
10、取以下措施:1)重新评价、 修理、 替换或使构件退役;2)通过补救方 法和措施来调整FCA和焊缝系数EW;3)三级评价。1.3 均匀腐蚀缺陷的三级评价 三级评价是最高水平和最复杂的评价,这级评价 采用保守性最小的判据、 最为详细的检测信息和设备 服役数据,整个过程完全建立在定量分析的基础上,如 应力分析采用有限元方法。2 局部腐蚀缺陷的剩余强度评价局部腐蚀剩余强度评价的基本过程如图2所示,整 个评价过程都是建立在双剪屈服条件基础上的,二级 评价比一级评价要复杂但精确得多。2.1 局部腐蚀缺陷剩余强度一级评价第1步,确定下列参数,D为管道的内径,Lm为均 匀腐蚀缺陷的轴向长度,tmm为最小测量壁
11、厚, FCA为 设计的未来腐蚀裕量,缺陷到最近的管道连接处的距离为Lmsd,如果是沟漕状的腐蚀缺陷,还需确定缺陷的 基部半径gr。 第2步,计算允许的最小要求壁厚tmin。 方法与均 匀腐蚀缺陷一级评价中的计算相同。 第3步,计算剩余壁厚比Rt和管壁参数。Rt=tmin-FCA tmin(20)=1.285LmDtmin(21)图2 局部腐蚀缺陷管道剩余强度评价过程Fig.2 Residual strength Assessment procedure for localcorroded pipe第4步,限定的缺陷尺寸的校核:如果满足下列要 求,就进行第5步。 否则,按1级评价,此缺陷不可接受
12、。Rt0.20(22)tmin-FCA2.5 mm(23)Lmsd1.8Dtmin(24)第5步,如果金属损失区可以分类为一个LTA(在LTA中不存在沟槽型腐蚀)。 那末,就进入第6步。 否则 对沟槽形缺陷按下述准则校核: 计算临界半径: gcr=max0.25tmin,6.4mm (25)如果满足下述两方程,就进入第6步。 否则,按1级25四川大学学报(工程科学版)第35卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.评价,此缺陷不可接受。gr gcr(26)gr (1- Rt) tmin1.0
13、(27)第6步,用求得的和Rt值,在图3中作图。 如果点(, Rt)落在图中曲线的上方或左侧,则缺陷的轴向长度Lm是可以接受的,反之,则缺陷的轴向上度Lm是不 可以接受的,但可以用以下公式重新计算管道的最大 允许工作压力MAWPr。RSF =Rl1-1 M(1- Rl) - 4Rl(28)其中:M = (1+0.482)0.5(29)则,MAWPr= MAWP0RSF RSFa(30)图3 腐蚀缺陷轴向尺寸Lm的可接受性判据Fig.3 Acceptance criteria for longitudinal size of corrosion defect第7步,缺陷环向长度C可接受性判据。
14、用计算 的C/ D和Rt值,在图4中作图。 如果点( C/ D , Rt)落在图中曲线的上方或左侧,则缺陷的轴向长度C是 可以接受的,管段能够继续使用;反之。 则不可以接 受,须降压使用或更换腐蚀管段。图4 腐蚀缺陷环向尺寸C的可接受性判据Fig.4 Acceptance criteria for circumferential size ofcorrosion defect第8步,如果腐蚀缺陷不满足1级的评价,采取 以下措施或其组合:1)对该构件进行降压再评价、 修理、 替换或退役;2)通过补救措施和方法来调整FCA值和焊缝系数EW;3)进行二级评价。2.2 局部腐蚀缺陷剩余强度二级评价 局
15、部腐蚀缺陷二级评价为受内压和轴向载荷及弯曲载荷的腐蚀管道提供更好的评价方法,评价思路与一级评价相似,第1步到第5步与一级评价相同,只是在计算最小要求壁厚时考虑由于外载荷引起的附加壁厚。 附加载荷用公式(12)计算。第6步,根据轴向临界壁厚断面图确定剩余强度系数。 在壁厚断面重新分组的基础上,计算每次评价点的剩余强度系数,在所有的剩余强度系数中取最小者即为评价的剩余强度系数。RSFi=1-Ai Ai01-1 MitAi Ai01- 41-Ai Ai01-1 MitAi Ai0-1(31)其中, Mil= (1+0.482 i)0.5(32)Ai0= Limtmin(33)i=1.285LimDt
16、min(34)Ai为评估区的损失面积,Ai0为评估区的原始金属面积,Lim为评估区域金属的长度。如果计算的RSF值小于设计允许的RSFa值,则该设备不能再继续使用,反之,则可以继续使用。第7步,对于环向腐蚀缺陷长度的评价,在受到内压、 轴向载荷和弯曲载荷的联合作用下,计算腐蚀后管壁的剩余面积上受到的轴向和环向应力,采取形状改变比能条件进行评价。2cm-cmlm+2lmS(35)其中,lm为轴向最大应力,cm为环向最大应力。第8步,如果缺陷没能通过二级评价,采取以下措施:1)重新评价、 修理、 替换或退役;2)通过补救方法和措施来提高FCA和焊缝系数EW;3)进行三级评价。2.3 局部腐蚀缺陷剩
17、余强度三级评价 与均匀腐蚀缺陷三级评价的思想相同。3 点蚀的剩余强度评价3.1 点蚀的一级评价 点蚀剩余强度评价的基本过程如图5所示。第1步,确定下列参数, D为管道的内径, RSFa为许用剩余强度系数。第2步,确定最小要求壁厚tmin。第3步,确定点蚀对的的平均深度 ?Wavg,点蚀的35第5期王春兰,等:腐蚀管道剩余强度评价的基本方法 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.平均直径davg和点蚀对之间的平均间距Pavg。 第4步,计算剩余强度系数。Eavg=3avg/2(36)avg=P
18、avg-davg Pavg(37)RSF =min1.0-wavg tmin+Eavg(t -FCA + wavg- tmin tmin,1.0(38)第5步,按照点蚀类型分别进行评价。 第6步,对单个点蚀进行评价。图5 点蚀的剩余强度评价过程Fig.5 Residual strength Assessment procedure ofpitting corroded pipe对点蚀的直径,应满足方程(39)。dL(39) 其中,L是轴向极限长度,用公式(5)计算。 对于点蚀的深度,推荐使用临界剩余壁厚比。Rt0.20(40)第7步,如果腐蚀缺陷不满足1级的评价,采取 以下措施或其组合:1)对
19、该构件进行降压再评价、 修理、 替换或退役;2)通过补救措施和方法来调整FCA和焊缝系数EW;3)进入2级评价。3.2 点蚀的二级评价 点蚀缺陷的二级评价与一级评价相同,其中剩 余强度系数用下面的方法确定。计算管壁薄膜应力:1=PD 2EWtc(41)2=PD 4EWtc(42)用式(38)计算每个点蚀对的剩余强度系数。 其中: Eavg, k=min 50时MT=01032L2 Dt+313(3)腐蚀区金属损失面积计算方法也进行了 修改,有等效面积法和有效面积法两种计算方法。用改进的B31G准则评估符合条件的腐蚀管线 时,可以得到比原准则更接近实际的结果,消除了 原准则的一些不足之处。它还给
20、出了3种相互作用 腐蚀缺陷的处理方法和它们发生相互作用的临界间 距。但是对一些特殊的腐蚀情况,如螺旋腐蚀、焊接腐蚀和环向腐蚀等,所得结果不太理想。2.对B31G准则的进一步研究第27卷 第11期石 油 机 械 1999年蔡文军,助理工程师,生于1972年, 1998年毕业于石油大学(华东)机械工程专业研究生部,获硕士学位,现从事石油机械的研究和开发工作。地址:(257025)山东省东营市。电话:(0546)8554121。 (收稿日期: 1999 - 02 - 03;修改稿收到日期: 1999 - 05 - 12) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Dis
21、c Co., Ltd. All rights reserved.很多学者针对B31G准则的局限性作了进一步 的研究,这些研究在一定程度上弥补了B31G准则 的不足。(1)轴向载荷和弯矩的影响 B31G准则中,只考虑内压作用,没有考虑轴向载荷和弯矩的影 响。通过用有限元分析方法对腐蚀管线的研究表 明2,轴向载荷对管线失效有影响,轴向拉伸应力 可以延迟管线屈服和破坏,而压缩应力则加速管线 屈服,降低管线的承载能力。管子弯曲时,将会有很高的轴向拉伸应力,在这种情况下,应考虑腐蚀 宽度。 (2)腐蚀宽度的影响 B31G准则没有考虑腐蚀宽度的影响,但当腐蚀缺陷的环向尺寸很大时, 应该考虑宽度的影响。St
22、ewart等提出用一修正系数来考虑腐蚀宽度的影响3。修正系数与腐蚀的宽度 和材料的特性有关。 (3)腐蚀缺陷螺旋角的影响 Mok进行了大量的试验以检验B31G准则对长螺旋腐蚀的适用 性4。试验表明,对长的螺旋腐蚀, B31G准则得 到的破坏压力要比实际的破坏压力低50 %左右。保守程度受螺旋角度大小的影响。Fu和Jones提出 用B31G准则对螺旋腐蚀进行评估时,在Falios系 数的计算时引入一个修正系数,来考虑螺旋腐蚀的 影响5。3.环向腐蚀的评估当腐蚀的环向尺寸很大和管线受轴向载荷或弯 曲载荷作用时,环向尺寸和轴向应力对管线失效起 主要作用,这类腐蚀一般称为环向腐蚀。B31G准 则不适用
23、于这类腐蚀的评估。韦尔考斯基-爱勃法 考虑了轴向应力的影响,认为管线的失效是由轴向应力决定的。韦尔考斯基-爱勃研究了腐蚀缺陷宽 度对剩余强度的影响,并得出以下结论: (1)当腐蚀的深度d小于壁厚t的一半时,即d 018t时,拆除或修复。对环向腐蚀的管线,特别是焊接腐蚀的管线,还可以用基于塑性极限分析的方法进行评估。目 前,对在内压和拉伸载荷、弯曲载荷以及内压和弯曲载荷共同作用下的环向腐蚀管线有了相应的评估方法。有限元分析方法近年来,很多学者采用有限元方法分析腐蚀管线的剩余强度,取得了很大的进展。有限元分析主要有弹性分析和非线性分析两种方法。弹性分析就是以材料的弹性极限为根据分析管线失效。Wan
24、g对腐蚀管线进行了弹性分析,提出了一种用弹性极限原则来评估管线剩余强度的方法6。推导出了在受内压、轴向载荷和弯曲载荷的情况下管线腐蚀区应力集中系数的计算公式。非线性分析就是采用三维弹塑性大变形单元,用有限元方法对腐蚀管线进行塑性失效分析,分析中应考虑几何形状和材料的非线性。加拿大的Chouchoaui、Pick、Bin Fu和M. G. Kirkwood等都对腐蚀管线进行了非线性有限元分析,并进行了试验验证2 ,7。应用有限元方法对腐蚀管线的剩余强度进行研究,可以考虑多种载荷的联合作用,同时可以模拟复杂的腐蚀形状,使得分析模型更接近于实际,所得结果的精确度和可信度较高。通过有限元分析,证实了B
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