一种含腐蚀缺陷的海底管道结构弯曲失效评估方法
技术领域
本发明涉及海底管道失效评估技术领域，特别涉及一种含腐蚀缺陷的海底管道结构弯曲失效评估方法。
背景技术
近些年来，我国对石油、天然气等资源的需求量不断上升。石油、天然气等资源的开发和利用也越来越重要。海底管道作为油气资源开发、生产以及运输的“生命线”，确保管道结构安全有着极其重要的作用。由于海洋环境复杂，海底管道常常会因淘蚀和海水冲刷而处于悬空状态。当海底管道外防腐层出现损坏时，海水会沿防腐层损坏的方向发生侵蚀，易在管道外侧任意位置形成长腐蚀缺陷(环向尺寸小而轴向长度大的腐蚀缺陷，理想状态为轴向腐蚀长度不小于
准确评估腐蚀管道的极限承载力或者极限弯矩(通过极限承载力可以计算极限弯矩，这两者可以互相转换)是确保管道正常工作的前提。在试验研究和理论模拟的基础上，国内外学者对腐蚀管道的极限承载能力进行了大量的研究。 20世纪70年代，美国机械工程师协会提出了腐蚀管道极限内压载荷规范：ASME B31G，仍是目前最为广泛运用于管道极限承载能力评估的规范。考虑B31G在评估腐蚀管道极限内压载荷过于保守，Kiefer、Vieth对B31G中的流应力、Folias 系数等参数进行了改进，进而提出了修正版的极限内压载荷规范：MB31G(0.8dl)。 21世纪初期，挪威船级社(DNV)在考虑轴压和弯曲载荷的前提下，通过对海底腐蚀管道进行了一系列的数值模拟和试验研究，提出了DNV-RP-F101腐蚀管道极限承载能力的评估规范。2003年，Choi等对X65天然气腐蚀管道进行了爆破试验和数值模拟，回归出了含矩形腐蚀缺陷和椭圆腐蚀缺陷管道的极限内压公式。Zhu和Leis等应用有限应变理论和变形失稳理论，提出了适用于完好管道的塑性失效模型，并将模型扩展到腐蚀缺陷管道中。
但是，目前对于海底管道在受弯作用下塑性失效的极限承载能力的评估方法，多是将腐蚀缺陷设定在弯曲应力最大的位置，从而得到含腐蚀海底管道塑性失效临界荷载的下限。但实际海底管道表面腐蚀位置存在任意性，即腐蚀位置不一定位于弯曲应力最大的部位，因此研究包含任意位置海底管道受弯塑性极限承载能力的计算方法更具有实际应用价值，而目前要进行任意腐蚀位置缺陷的失效判定只能通过建立管道有限元模型进行模拟分析实现。
发明内容
针对传统评估方法是通过将腐蚀缺陷设定于管道弯曲最大位置，从而得出腐蚀海的管道塑性失效临界荷载下限，存在评测结果不准确、实际应用价值不高的问题，本发明提供了一种含腐蚀缺陷的海底管道结构弯曲失效评估方法，其包含任意位置海底管道受弯塑性极限承载弯矩的计算方法，而不仅限于腐蚀缺陷仅存在于管道弯曲最大位置的情况。
本发明提供了一种含腐蚀缺陷的海底管道结构弯曲失效评估方法，所述评估方法具体为：
步骤S1：选择一服役管道作为被测管道，检测被测管道最大尺寸腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸；
步骤S2：根据步骤S1的检测数据，进行海浪荷载和海流载荷计算，确定被测管道所承受的弯矩大小及弯曲方向，从而确定出被测管道所承受的最大弯矩位置和最大弯矩值；
步骤S3：推导出含腐蚀缺陷管道的塑性极限弯矩公式，并依据步骤S1的检测结果按照塑性极限弯矩公式，计算出被测管道的塑性极限承载弯矩；
步骤S4：将步骤S2计算得到的最大弯矩值与步骤S3计算得到的塑性极限承载弯矩进行比较，若最大弯矩值等于或大于塑性极限承载弯矩，则被测管道失效；若最大弯矩值小于塑性极限承载弯矩，则被测管道未失效；在实际评估中需要考虑安全系数时，用许用塑性极限弯矩代替步骤S3计算得到的塑性极限弯矩进行比较，此时许用塑性极限弯矩取S3计算得到的塑性极限弯矩除以安全系数n后的值，安全系数n依据管道规范要求确定。
其中，所述步骤S1中，所述腐蚀缺陷的位置包括腐蚀坑位置角α；所述腐蚀尺寸包括腐蚀坑的腐蚀宽度2Rθ、腐蚀深度h和腐蚀长度L。
所述步骤S2中采用海浪谱进行所述海浪载荷的计算，同时要考虑海流载荷的联合作用。
其中，所述步骤S3中被测管道的塑性极限承载弯矩的计算过程，具体如下：
步骤S301：依据被测管道的腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸，确定塑性中性轴的位置，并按照公式(1)和公式(2)计算得被测管道的受拉区面积AI和受压区面积AΠ：
AΙ＝2Rmtβ (1)
AΠ＝2Rmt(π-β)-2Rhθ (2)
其中：
步骤S302：依据被检测管道的腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸，能够得出塑性中性轴的角度β、腐蚀缺陷的位置角α、塑性中性轴与水平轴的夹角γ，进而按照公式(3)-(6)得出受拉区区域和受压区区域的形心坐标(yc1，zc1)和(yc2，zc2)
步骤S303：若被测管道处于塑性极限承载状态，则应满足以下两个条件：
a)：受拉区与受压区的形心连线平行于z轴，即yc1＝yc2；
b)：受拉区面积等于受压区面积，即A＝AI＝AΠ；
由以上两个条件，计算可得：
步骤S304：依据步骤S303的计算结果，进而得到被测管道在塑性极限承载状态下的极限弯矩为：
Mp＝σyA(zc2-zc1)＝σy(4Rm2t sinβcosγ-2Rm2h sinθcosα) (9)
当缺陷相对z轴对称时，即α＝γ＝0，其塑性极限承载弯矩为：
Mp＝σyA(zc2-zc1)＝σy(4Rm2t sinβ-2Rm2h sinθ) (10)
步骤S305：将被测管道的腐蚀缺陷位置及腐蚀尺寸，代入到公式(9)或公式(10)，即可得到被测管道的塑性极限承载弯矩。
为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种海底管道塑性极限承载弯矩的计算方法，所述计算方法具体为：
步骤S1：依据被测管道的腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸，确定塑性中性轴的位置，并按照公式(1)和公式(2)计算得被测管道的受拉区面积AI和受压区面积AΠ：
AΙ＝2Rmtβ (1)
AΠ＝2Rmt(π-β)-2Rhθ (2)
其中：
步骤S2：依据被检测管道的腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸，能够得出塑性中性轴的角度β、腐蚀缺陷的位置角α、塑性中性轴与水平轴的夹角γ，进而按照公式(3)-(6)得出受拉区区域和受压区区域的形心坐标(yc1，zc1)和(yc2，zc2)
步骤S3：若被测管道处于塑性极限承载状态，则应满足以下两个条件：
a)：受拉区与受压区的形心连线平行于z轴，即yc1＝yc2；
b)：受拉区面积等于受压区面积，即A＝AI＝AΠ；
由以上两个条件，计算可得：
步骤S4：依据步骤S303的计算结果，进而得到被测管道在塑性极限承载状态下的极限弯矩承载弯矩为：
Mp＝σyA(zc2-zc1)＝σy(4Rm2t sinβcosγ-2Rm2h sinθcosα) (9)
当缺陷相对z轴对称时，即α＝γ＝0，其塑性极限承载弯矩为：
Mp＝σyA(zc2-zc1)＝σy(4Rm2t sinβ-2Rm2h sinθ) (10)
步骤S5：将被测管道的腐蚀缺陷位置及腐蚀尺寸，代入到公式(9)或公式 (10)，即可得到被测管道的塑性极限承载弯矩。
其中，所述步骤S1中，所述腐蚀缺陷的位置包括腐蚀坑位置角α；所述腐蚀尺寸包括腐蚀坑的腐蚀宽度2Rθ、腐蚀深度h和腐蚀长度L。
本发明的有益效果是：本发明能够针对管道任意位置的小范围长腐蚀缺陷，计算出在纯弯矩载荷下腐蚀管道的极限承载弯矩，并与管道所承受的最大弯矩位置和最大弯矩值进行对比，对含腐蚀管道进行整体强度评测，省去了含腐蚀缺陷的管状结构弯曲失效评估的有限元建模计算过程，降低了工程应用的计算难度，提高了计算的效率，同时又满足了结果精度要求。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中含腐蚀缺陷管道的有限元网格图。
图2为本发明具体实施方式中有限元分析破坏图。
图3为本发明具体实施方式中有限元弯矩与端部转角曲线图。
图4为本发明对比试验二中试件尺寸及腐蚀缺陷尺寸。
具体实施方式
由于海洋环境复杂，海底管道常常会因淘蚀和海水冲刷而处于悬空状态，此时弯矩载荷便成为海底管道发生破坏的主要因素。当海底管道外防腐层出现损坏时，海水会沿防腐层损坏的方向发生侵蚀，很容易在管道外侧任意位置形成长腐蚀缺陷。本申请针对任意位置的小范围长腐蚀缺陷，进行了数值模拟以及有限元分析推导出了在纯弯矩载荷下的极限弯矩计算公式，并与有限元分析结果进行对比，验证该计算公式的准确性。
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
实施例1失效评估方法
本发明实施例提供了一种含腐蚀缺陷的海底管道结构弯曲失效评估方法，具体为：
步骤S1：选择一现役管道作为被测管道，检测被测管道最大尺寸腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸；
步骤S2：根据被测管道的服役环境状态参数和步骤S1的检测数据，进行海浪荷载和海流载荷的合力计算，确定被测管道所承受的弯矩大小及弯曲方向，从而确定出被测管道所承受的最大弯矩位置和最大弯矩值；
步骤S3：推导出含腐蚀缺陷管道的塑性极限弯矩公式，并依据步骤S1的检测结果按照塑性极限弯矩公式，计算出被测管道的塑性极限弯矩；
步骤S4：将步骤S2计算得到的最大弯矩值与步骤S3计算得到的塑性极限承弯矩进行比较，若最大弯矩值等于或大于塑性极限承弯矩，则被测管道失效；若最大弯矩值小于塑性极限弯矩，则被测管道未失效，本案例为验证结果取安全系数为1。
其中，步骤S1中，腐蚀缺陷的位置包括腐蚀坑位置角α；腐蚀尺寸包括腐蚀坑的腐蚀宽度2Rθ、腐蚀深度h和腐蚀长度L；步骤S2中采用海浪谱进行所述海浪载荷和海流载荷的计算，海浪载荷和海流载荷的计算方法为现有技术，也不是本申请研究的重点，在此不再详细赘述。
其中，所述步骤S3中被测管道的塑性极限弯矩的计算过程，具体如下：
步骤S301：依据被测管道的腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸，确定塑性中性轴的位置，并按照公式(1)和公式(2)计算得被测管道的受拉区面积AI和受压区面积AΠ：
AΙ＝2Rmtβ (1)
AΠ＝2Rmt(π-β)-2Rhθ (2)
其中：
步骤S302：依据被检测管道的腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸，能够得出塑性中性轴的角度β、腐蚀缺陷的位置角α、塑性中性轴与水平轴的夹角γ，进而按照公式(3)-(6)得出受拉区区域和受压区区域的形心坐标(yc1，zc1)和(yc2，zc2)
步骤S303：若被测管道处于塑性极限承载状态，则应满足以下两个条件：
a)：受拉区与受压区的形心连线平行于z轴，即yc1＝yc2；
b)：受拉区面积等于受压区面积，即A＝AI＝AΠ；
由以上两个条件，计算可得：
步骤S304：依据步骤S303的计算结果，进而得到被测管道在塑性极限承载状态下的极限弯矩为：
Mp＝σyA(zc2-zc1)＝σy(4Rm2t sinβcosγ-2Rm2h sinθcosα) (9)
当缺陷相对z轴对称时，即α＝γ＝0，其塑性极限承载弯矩为：
Mp＝σyA(zc2-zc1)＝σy(4Rm2t sinβ-2Rm2h sinθ) (10)
步骤S305：将被测管道的腐蚀缺陷位置及腐蚀尺寸，代入到公式(9)或公式(10)，即可得到被测管道的塑性极限弯矩。
实施例2塑性极限弯矩的计算方法
本发明实施例提供了一种海底管道塑性极限弯矩的计算方法，具体为：
步骤S1：依据被测管道的腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸，确定塑性中性轴的位置，并按照公式(1)和公式(2)计算得被测管道的受拉区面积AI和受压区面积AΠ：
AΙ＝2Rmtβ (1)
AΠ＝2Rmt(π-β)-2Rhθ (2)
其中：
步骤S2：依据被检测管道的腐蚀缺陷的位置及腐蚀尺寸，能够得出塑性中性轴的角度β、腐蚀缺陷的位置角α、塑性中性轴与水平轴的夹角γ，进而按照公式(3)-(6)得出受拉区区域和受压区区域的形心坐标(yc1，zc1)和(yc2，zc2)
步骤S3：若被测管道处于塑性极限承载状态，则应满足以下两个条件：
a)：受拉区与受压区的形心连线平行于z轴，即yc1＝yc2；
b)：受拉区面积等于受压区面积，即A＝AI＝AΠ；
由以上两个条件，计算可得：
步骤S4：依据步骤S303的计算结果，进而得到被测管道在塑性极限承载状态下的极限弯矩为：
Mp＝σyA(zc2-zc1)＝σy(4Rm2t sinβcosγ-2Rm2h sinθcosα) (9)
当缺陷相对z轴对称时，即α＝γ＝0，其塑性极限承载弯矩为：
Mp＝σyA(zc2-zc1)＝σy(4Rm2t sinβ-2Rm2h sinθ) (10)
步骤S5：将被测管道的腐蚀缺陷位置及腐蚀尺寸，代入到公式(9)或公式 (10)，即可得到被测管道的塑性极限弯矩。
其中，所述步骤S1中，腐蚀缺陷的位置包括腐蚀坑位置角α；腐蚀尺寸包括腐蚀坑的腐蚀宽度2Rθ、腐蚀深度h和腐蚀长度L。
对比试验一
传统的评估方法，需要进行包含腐蚀缺陷的管道弯曲失效评估的有限元分析。本实验对同一管道分别采用有限元分析和本申请的计算公式进行对比。其中，实验用管道参数如下：材料型号为API 5L X56，直径为325mm，管道厚度为14mm，长度为1100mm；腐蚀缺陷为外腐蚀，腐蚀缺陷的深度为7mm，腐蚀的宽度尺寸大小与位置参数，如表1所示。
表1腐蚀的宽度尺寸大小与位置参数
本实验中在对有缺陷的海底管道的有限元分析中，采用Abaqus软件进行分析模拟。在模拟过程中，采用三维8结点线性单元对管道进行分析。管道网格划分采用不同应力梯度对应不同网格密度的方法。在缺陷处采用小尺寸单元形成精细网格，在其他区域采用尺寸较大的单元形成粗糙网格。这个方法得到一个典型的含腐蚀缺陷管道的有限元网格如图1所示。有限元模型管道参数如前所述，模型约束采用对称约束，同时在一端部设置参考点，参考点与端部截面之间采用耦合约束，弯矩通过参考点施加在管道模型上。
腐蚀管道在纯弯作用下存在着三种主要失效模式，分别为椭圆化、局部屈曲和管壁开裂；当腐蚀缺陷处于受拉状态，腐蚀深度较浅管道容易发生椭圆化失效，而腐蚀深度较深管道容易发生断裂失效，且失效模式同腐蚀长度有关；当腐蚀缺陷处于受压状态时，腐蚀深度较浅管道容易发生椭圆化失效，腐蚀深度较深管道容易发生局部屈曲，且失效模式同腐蚀长度有关。
其中，管道中腐蚀模型18的有限元破坏图如图2所示，由图2能够看出，缺陷管道在纯弯矩载荷作用下，当达到屈服应力发生破坏时，其最终的破坏形式为腐蚀缺陷部分的外凸破坏以及缺陷周围部分发生局部的屈曲破坏。腐蚀模型18的弯矩与端部转角曲线图如图3所示，由有限元弯矩与端部转角曲线即可得到有限元计算的极限弯矩值。
分别采用有限元分析和本申请中的计算公式对管道腐蚀模型1-18依次进行分析，得到腐蚀模型1-18的极限弯矩值，如表2和图3所示。
表2有限元分析与公式计算结果对比
由表2的数据能够看出，当缺陷大小不变时，随着决定缺陷位置的参数α的增大，极限承载弯矩在逐渐增大，但是增大的幅度不大。当缺陷位置不变时，随着缺陷大小的增大，极限承载弯矩有着明显的减小。由图3能够看出，有限元的计算结果曲线与公式计算结果曲线的变化趋势基本相同，两者结果的最大误差为腐蚀模型1，其误差大小为1.37％，最小误差为腐蚀模型3，其最小误差为0.05％。可见，采用本申请公式计算出的极限弯矩基本上与有限元计算的结果相同，但公式计算出的结果相对于有限元结果来说偏危险，即采用本申请的计算公式以及含有本申请计算公式的评估方法，更能准确且有效的预知管道的失效情况。
对比试验二
本试验选取单层含腐蚀缺陷的海底管道试件进行弯曲试验测试，试件尺寸及腐蚀缺陷尺寸分别如表3和图4所示。本试验对试件弯曲试验测试均在四立柱压力试验机上进行，压力机量程5000kN，管道在轴压弯曲变形过程中用位移计测量位移大小，位移计量程最大可达200mm；施加在管道上的荷载大小通过加载和控制系统的荷载盘读数。加载过程中，分阶段加载，到达加载值后，保持荷载不动，读取荷载和对应的位移值，从而使荷载和位移读数保持一致。测试记录数据如表4所示。
表3试验件管道的基本参数
表4试件弯曲试验测试记录数据表
通过表3和表4的数据可以知道，试件轴压极限载荷为3860kN，弯曲极限载荷为1382kN。
通过本发明的评估方法分别计算弯曲极限载荷，并进行误差计算，具体如下：
(1)承载力计算：
中性轴计算公式
弯矩计算公式为
转化为力为F＝2M/0.55＝2×378.9/0.55＝1377.8kN
(2)实验测试值为F1＝1382kN；
(3)误差计算，公式为
由上述内容能够看出，本申请的评估方法与实际测量基本一致，误差很小能够满足工程应用对结果精度的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
