腐蚀坑形貌对油气管道失效压力的影响

第１８卷第ｌ－２期　
２０１４年２月　
船舶力学　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　
Ｖｏ１．１８　Ｎｏ．１－２　

Ｆｅｂ．２０１４　

文章编号：１００７—７２９４（２０１４）０１—０１２４—０８　
腐蚀坑形貌对油气管道失效压力的影响　

崔铭伟　，曹学文　，封子艳２　
（１中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛２６６５８０；２延长石油集团研究院，西安７１００７５）　

摘要：ＡＳＭＥ　Ｂ　３１Ｇ规范把复杂的腐蚀坑剖面曲线简化成矩形或抛物线投影，是造成ＡＳＭＥ　Ｂ　３１Ｇ规范预测结果　
出现保守和不稳定性的重要原因。文章采用非线性有限元方法，综合分析了腐蚀坑剖面面积和腐蚀坑形状系数对　
腐蚀管道失效压力的影响，提出一种新的以腐蚀坑剖面面积和腐蚀坑形状系数描述腐蚀坑形貌的Ｂ３１Ｇ修正公　
式，实际算例表明新提出的Ｂ３１Ｇ修正公式的预测结果保守性低，预测误差稳定。　
关键词：油气管道；腐蚀坑形貌；腐蚀坑剖面面积；腐蚀坑形状系数；有限元法　
中图分类号：ＴＥ８８　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—７２９４．２０１４．ｈ１．０１６　

Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔ　ｐｈｏｌｏｇｙ　ｔｈｅ‘．ｐａｃｔｉｔ　ｍｏｒＤｈＯｌＯ￣ｙ　０ｎ　ｍｅ　ｉｍｐａｃｔ　０ｆ　０Ｉ　
●■　’　・’・　…　
０ｌｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｔａｉｌｕｒｅ　ＰｒｅＳＳＵｒｅ　

ＣＵＩＭｉｎｇ－ｗｅｉ　，ＣＡＯ　Ｘｕｅ一们ｅｎ　，ＦＥＮＧ　Ｚｉ—ｙａｈ　
ｆ１　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｔｏｒａｇｅ＆Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，　
Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５８０，Ｃｈｉｎａ；２ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＹａｎｃｈａｎｇＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（ｇｒｏｕｐ），Ｘｉ’ａｎ　７１００７５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔｓ　ｗａｓ　ａｎａｌ—　
ｙｓｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔ　
ｏｎ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｘｉａｌ　ａｎｄ　ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｗａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｈｏｗｅｄ　
ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔｓ　ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ａｘｉａｌ　
ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｎｏｔ　ｅｎｏｕｇｈ　ｔｏ　ｆｕｌｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔｓ　
ｏｎ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔｓ　ｂｙ　ＵＳ—　
ｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔ　ａｎｄ　ｆｏｒｍ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔ　ｔｏ　ｄｅｓｃｒｉｐｅ　ｏｎ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　
ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｎｅｗ　Ｂ３　１　Ｇ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｅｒｒｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｌｕｃｔｕ—　
ａｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒ　ａｒｅ　ｌｉｔｔｌｅ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕｌａ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔ　ＣＲＯＳＳ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ；　
ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔ　ｆｏｒｍ　ｆａｃｔｏｒ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　

１引　言　
腐蚀在管道中大量存在，这些腐蚀的存在及进一步增长会危及管道的安全运行。在对腐蚀管道的　
研究过程中发现，通常整个腐蚀表面是凹凸不平的，沿着轴向截取一腐蚀坑剖面线，可以发现该剖面　
曲线是十分弯折的，并且在大的弯折中嵌套着小的弯折，剖面曲线十分复杂，如图１所示。而现有的腐　

收稿日期：２０１３—１０—０９　
基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．５１００６１２３）　
作者简介：崔铭伟（１９８３－），男，中国石油大学博士研究生，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｕｉｍｉｎｇｗｅｉｌ＠１６３．ｃｏｍ；　
曹学文（１９６６一），男，教授，博士生导师。　
第１－２期　崔铭伟等：腐蚀坑形貌对油气管道失效压力的影响　１２５　
蚀管道评价规范均通过腐蚀坑剖面面积或腐蚀坑深度与管道壁厚的比值　
来描述腐蚀坑剖面曲线的形貌，且描述都非常简单。　
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Ｆｕｌｌｌ、Ｂａｔｔｅｔ２１、Ｋｌｅｖｅｒｆ３１以及西方的一些科研单位　为代表的科　
研人员纷纷开展了以有限元模拟为主实验为辅的腐蚀管道研究，有限元模　
拟逐渐取代实验手段成为腐蚀管道研究的主要方法。本文研究采用非线性　
有限元方法分析腐蚀坑形貌对腐蚀管道失效压力的影响，并提出描述腐蚀　
坑形貌的新方法。　

２腐蚀缺陷的评价规范　

图１油气管道真实腐蚀形貌　
Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　
ｏｉｌ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　
ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　

２０世纪６０年代末７０年代初，美国德克萨斯东方运输公司与美国天然气协会管道管理委员会联　
合提出了一份评定腐蚀管道可行性的报告ＮＧ一１８ｔ９－“】。目前应用广泛的腐蚀缺陷评定规范ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ　
就是在ＮＧ－１８公式的基础上发展起来的。但由于ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ一１９８４１　的计算结果过分保守［１　～４１，１９９１　
年ＡＳＭＥ重新颁布了Ｂ３１Ｇ标准㈣，从三个方面对Ｂ３１Ｇ一１９８４标准进行了修正分别是：流变应力　，、　
Ｆｏｌｉａｓ系数　和腐蚀坑面积。　
修正后的ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ一１９９１标准相对ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ一１９８４标准对失效压力的预测结果更贴近工　
程上实际爆破压力，保守程度有所降低　，但仍有一定的保守性，有改进的余地【　。文献［１７—１８１中主要　
从流变应力ｏｒ／／　、Ｆｏｌｉａｓ系数　两个方面对ＡＳＭＥ　Ｂ３１Ｇ规范进行了修正，一定程度地改善了ＡＳＭＥ　
Ｂ３１Ｇ规范的保守性，但对腐蚀坑剖面面积仍采用抛物线或矩形进行近似，文献［１９—２１］分别提出采用　
拟合样条曲线和分形模型来计算管道腐蚀坑剖面面积，做出了有益的尝试。　
表１给出了ＮＧ一１８、ＡＳＭＥ—Ｂ３１Ｇ、修正的Ｂ３１Ｇ三种评价规范的失效压力和腐蚀坑剖面面积公　
式。　
表ｌ评价规范失效压力和相应的腐蚀坑剖面面积公式　
Ｔａｂ．１　Ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕｌａｓ　ｏｆ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｉｎ　
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　

式中：　表管道的失效压力，ＭＰａ；ｏｒ￣。　代表管材的流变应力，ＭＰａ；Ａ代表轴向缺陷投影面积，ｍｍ　；　。　
代表缺陷所在处管壁面积，ｍｍ　；　代表Ｆｏｌｉａｓ系数；ｏｒ　代表材料的抗拉强度，ＭＰａ；ｄ代表缺陷深度，　
ｍｍ；　代表管壁厚度，ｍｍ；Ｌ代表腐蚀缺陷轴向长度，ｍｍ；Ｄ代表管道外直径，ｍｍ；Ｑ代表长度校正系　
数。　

３非线性有限元分析方法　
３．１失效准则和模型假设　
失效准则是评判失效的依据，它依失效模式而定，目前应用比较广泛的有两种准则：　
第１－２期　崔铭伟等：腐蚀坑形貌对油气管道失效压力的影响　１２７　
ＭＰａ；Ｅ为弹性模量，ＭＰａ；￣为硬化系数；　为幂硬化指数。初始应变　的计算公式为：　
￡　
ｓ

｜Ｅ　

表２　Ｘ６５管线钢性能参数　
Ｔａｂ．２　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　Ｘ６５　ｓｔｅｅｌ　

用非线性有限元模型计算了４６例不同情况下的含腐蚀管道的失效压力。图３￣６分别说明了腐蚀　
坑剖面面积比和腐蚀坑形状系数对腐蚀管道失效压力的影响。　
图３—５中腐蚀坑剖面面积比ｋ表示：腐蚀坑剖面真实面积／ｄＬ。由图３可以看出随着腐蚀坑剖面　
面积比ｋ的增加，带轴向腐蚀管道的失效压力明显降低，且最大和最小失效压力之间相差１０．０９　ＭＰａ，　
最高误差可达３３％，说明正确表示腐蚀坑剖面面积对腐蚀管道失效压力的影响非常大，而腐蚀坑剖面　
面积比ｋ对带环向腐蚀管道的失效压力影响不大，最大与最小值之间不超过１　ＭＰａ，在工程上可视为　
没有影响。　
由图４可以看出，在不同腐蚀深度下，腐蚀管道失效压力随着腐蚀坑剖面面积比ｋ的增加不断降　
低，且降低的趋势大致相同，其他规律不明显。　

４５　
毛４０　
幽　
梗３５　
士ｌ＜　

３０　

２５　
０．５　０．６　０．７　０．８　０　９　Ｊ
．
０　

腐蚀坑剖面面积比　

图３管道失效压力随腐蚀坑剖面面积比ｋ的变化　
Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｉｔｈ　
ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｉｔ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｒａｔｉｏ　ｋ　５０　４５　帕　毛４０　幽　棱３５　士Ｉ《　３Ｏ　２５　０．５　０．６　０．７　０．８　０．９　１．０　腐蚀坑剖面面积比ｋ　图４管道失效压力随腐蚀坑剖面面积比对的变化　Ｆｉｇ．４　ｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｐｉｐｅｌｉｎｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ＣＯｒｒＯｓｉｏｎ　ｐｉｔ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｒａｔｉｏ　ｋ　

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