王觀軍，韓 慶，徐樹偉，陳麗娜，王安泉

(1. 勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng) 257000 2. 勝利油田檢測(cè)評(píng)價(jià)研究有限公司，山東東營(yíng) 257000 3. 勝利油田設(shè)備管理部，山東東營(yíng) 257000)

0 前言

隨著油氣資源的開發(fā)以及能源市場(chǎng)的急增，管道運(yùn)輸方式在世界各地得到了迅速的發(fā)展。油田注水管道作為陸上油田開發(fā)的重要管道，其運(yùn)行狀況與油田開發(fā)的程度密切相關(guān)，因此需要格外關(guān)注油田注水管道的運(yùn)行安全問題。但是，由于內(nèi)部介質(zhì)及循環(huán)加壓等因素的綜合相互作用，油田注水管道內(nèi)腐蝕情況非常嚴(yán)重，致使管道腐蝕穿孔事故頻發(fā)。一旦管道腐蝕穿孔導(dǎo)致內(nèi)部介質(zhì)泄漏，不僅會(huì)造成環(huán)境污染，而且會(huì)影響油田正常生產(chǎn)甚至造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)管道的建設(shè)、運(yùn)行時(shí)間等情況，以及結(jié)合國(guó)內(nèi)外管道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，油田管道尤其像勝利油田這類老油田的埋地注水管道，其中很大部分已經(jīng)或逐漸進(jìn)入事故高發(fā)期。由于內(nèi)部腐蝕性介質(zhì)的影響，油田注水管道的腐蝕狀況尤為突出，需要定期進(jìn)行安全評(píng)價(jià)并對(duì)剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，以保證管道安全運(yùn)行。在國(guó)內(nèi)外，已經(jīng)開展過諸多長(zhǎng)輸管道運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)以及腐蝕管道剩余強(qiáng)度和剩余壽命預(yù)測(cè)研究工作。其中，在腐蝕管線剩余強(qiáng)度方面的研究較多，而由于影響管道剩余壽命的因素復(fù)雜且隨機(jī)性大，對(duì)這方面還缺乏綜合系統(tǒng)的研究。國(guó)內(nèi)外曾報(bào)道過許多關(guān)于油氣管道腐蝕規(guī)律、安全評(píng)價(jià)以及剩余壽命預(yù)測(cè)等方面的文獻(xiàn)，提出了相關(guān)評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)實(shí)際腐蝕管道而言，管道上腐蝕缺陷的位置與分布往往具有一定的隨機(jī)性和不確定性，往往是包含兩個(gè)或者多個(gè)腐蝕缺陷組合而成的群落，由于這些缺陷間距比較近，彼此之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，從而使管道的破壞模式和失效壓力發(fā)生改變。Benjamin等通過非線性有限元方法，分析了包括不同排列方式的腐蝕缺陷組合的管道失效壓力。洪來鳳和孫鐵建立了含雙點(diǎn)腐蝕缺陷的管道有限元模型，分析了缺陷幾何尺寸對(duì)管道失效壓力的影響。陳平偉等開展了雙點(diǎn)腐蝕缺陷軸向間距和環(huán)向間距對(duì)API 5L X70鋼管道失效壓力影響的有限元數(shù)值計(jì)算，認(rèn)為腐蝕管道失效壓力隨著雙點(diǎn)腐蝕間距的增加而增大，達(dá)到一定數(shù)值之后保持不變。如需要判斷管道剩余的使用年限，還需要對(duì)缺陷管道進(jìn)行剩余壽命的預(yù)測(cè)。

綜上所述，有必要對(duì)含內(nèi)腐蝕缺陷的油田注水管道進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)。本文基于勝利油田實(shí)際注水管道，通過開展現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)腐蝕掛片試驗(yàn)來測(cè)得管道的腐蝕速率，利用有限元軟件對(duì)內(nèi)壓荷載作用下腐蝕缺陷的尺寸進(jìn)行敏感性分析，并考慮含不同缺陷尺寸的情況，給出腐蝕缺陷間交互作用對(duì)管道失效壓力的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)管道剩余壽命，對(duì)管道進(jìn)行安全評(píng)估。

1 注水管道內(nèi)腐蝕速率測(cè)試

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水管網(wǎng)分布情況，選取勝利油田具有典型代表水環(huán)境的8條注水管線，其中管線溫度為50 ℃，壓力范圍為10～15 MPa。針對(duì)勝利油田注水管道的獨(dú)特高壓注水環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)腐蝕掛片裝置，在管線的出水端布置內(nèi)腐蝕掛片。實(shí)驗(yàn)管段內(nèi)設(shè)置支架用于試片支撐，試片材質(zhì)與注水管道一致為20號(hào)鋼，試片與支架采用螺栓連接(為防止縫隙腐蝕和電偶腐蝕，螺栓、試片和支架材料相同，并采用絕緣墊片)。試片架采用氬弧焊焊接于管段內(nèi)，焊接接頭涂刷防腐漆。試片如圖1所示?？紤]到試片架的存在可能會(huì)對(duì)管流造成擾動(dòng)，采用FLUENT對(duì)試片架存在下的管流問題進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示管道內(nèi)試片架對(duì)管道正常運(yùn)行無明顯影響且具有良好穩(wěn)定性。

圖1 試片及試片架

在布置內(nèi)腐蝕掛片6個(gè)月后取出試片，清除腐蝕產(chǎn)物，測(cè)試試片的全面腐蝕速率，并通過三維共聚焦顯微鏡對(duì)整個(gè)管段和試片表面進(jìn)行掃描，確定內(nèi)表面蝕坑/缺陷分布和參數(shù)，計(jì)算點(diǎn)蝕速率。腐蝕速率計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 內(nèi)腐蝕速率 mm/a

通過試片三維腐蝕形貌測(cè)試確定試片上的腐蝕蝕坑深度，給出部分試片的三維形貌。觀測(cè)實(shí)驗(yàn)管段上的腐蝕形貌，統(tǒng)計(jì)缺陷的軸向長(zhǎng)度、環(huán)向長(zhǎng)度和深度尺寸大小發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過6個(gè)月腐蝕后，實(shí)驗(yàn)管段的缺陷尺寸分布基本呈正態(tài)分布趨勢(shì)。其中，軸向長(zhǎng)度大多分布在0～40 mm之間，5～10 mm的軸向長(zhǎng)度占絕大多數(shù)；環(huán)向長(zhǎng)度大多分布在0～35 mm之間，缺陷環(huán)向長(zhǎng)度分布集中于10 mm附近；深度大多分布在0～1.5 mm之間。所得到的缺陷尺寸分布情況，為后續(xù)進(jìn)行腐蝕管道剩余強(qiáng)度的數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 注水管道剩余強(qiáng)度研究

2.1 有限元建模分析

本文實(shí)例為勝利油田某注水管道，管材為20號(hào)無縫鋼管。含有缺陷的直管模型通過ABAQUS有限元軟件得以構(gòu)建，根據(jù)圣維南原理，為排除端部效應(yīng)影響，設(shè)定直管段長(zhǎng)度為

L

=2 m，模型相關(guān)參數(shù)見表2。在工程上，局部減薄體積型缺陷常被簡(jiǎn)化為矩形、球形、梭形以及橢球形，其中最具代表性的是橢球形腐蝕缺陷。故本文研究對(duì)象為含橢球形腐蝕缺陷的管道，由于模型幾何尺寸和所受載荷具有軸對(duì)稱特性，因此取腐蝕模型的1/2進(jìn)行有限元建模。建模時(shí)在ABAQUS中通過部件之間布爾減操作形成腐蝕凹坑，相鄰內(nèi)缺陷位于管段中部，兩橢球形缺陷尺寸均為長(zhǎng)度28.04 mm，寬度21.10 mm，深度2.6 mm，幾何模型如圖2所示?；诂F(xiàn)場(chǎng)內(nèi)腐蝕試驗(yàn)中對(duì)試驗(yàn)管段上缺陷尺寸分布的統(tǒng)計(jì)分析，確定模擬中腐蝕缺陷尺寸參數(shù)取值范圍：長(zhǎng)度范圍取0～200 mm，深度范圍取0～12 mm。

表2 管段幾何模型參數(shù)

圖2 含相鄰內(nèi)腐蝕缺陷管道幾何模型

2.1.1 載荷與邊界條件

埋地管道的受力主要來源于周圍土壤的擠壓、內(nèi)部介質(zhì)的壓力等。本文中研究對(duì)象為埋地管段，在管道內(nèi)表面施加面載荷，考慮到周邊土壤的固定效果，在管道截面處施加垂直于該界面方向的位移約束，在管道兩端進(jìn)行軸向位移約束限制，如圖3所示。為方便計(jì)算，對(duì)管道的受力載荷作以下簡(jiǎn)化：①不考慮輸送介質(zhì)發(fā)生的耦合反應(yīng)；②默認(rèn)整個(gè)運(yùn)行過程在溫度恒定的條件下進(jìn)行，不存在熱應(yīng)力。

圖3 載荷和邊界條件

2.1.2 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格的時(shí)候，計(jì)算模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度決定于該網(wǎng)格單元排布的稀疏程度，但同時(shí)過于精細(xì)的網(wǎng)格耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求較高。本文中，重點(diǎn)研究區(qū)域?yàn)槿毕輩^(qū)域及其周邊，因此在重點(diǎn)區(qū)域處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，而在次要區(qū)域只需粗略劃分網(wǎng)格。綜上所述，本模型選用實(shí)體三維八節(jié)點(diǎn)縮減積分單元(C3D8R)劃分網(wǎng)格，既避免了“剪切閉鎖”的不利影響，而且計(jì)算精度較高且速度較快。圖4為含相鄰內(nèi)缺陷管段網(wǎng)格劃分示意圖。

圖4 含缺陷管段網(wǎng)格劃分示意

2.1.3 失效準(zhǔn)則

數(shù)值失穩(wěn)失效準(zhǔn)則、應(yīng)力失效準(zhǔn)則以及應(yīng)變失效準(zhǔn)則是確定腐蝕管道極限內(nèi)壓荷載的經(jīng)常使用的失效準(zhǔn)則。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證，針對(duì)于腐蝕損傷管道，應(yīng)力失效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則計(jì)算的內(nèi)壓極限荷載力準(zhǔn)確度較高。這也是本文使用的失效準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則假定：當(dāng)腐蝕缺陷區(qū)域的最大等效應(yīng)力達(dá)到參考應(yīng)力值時(shí)，管道將失效并損壞。此時(shí)管道內(nèi)施加的內(nèi)壓荷載值就是管道的極限承載力。根據(jù)應(yīng)力失效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則定義，在確定管道極限內(nèi)壓荷載時(shí)，首先要確定參考應(yīng)力值。對(duì)于較小的腐蝕坑缺陷，采用腐蝕缺陷區(qū)域的等效應(yīng)力最小值達(dá)到0.9

σ

作為判定準(zhǔn)則。

2.2 腐蝕缺陷間交互作用對(duì)管道失效壓力影響分析

與單缺陷不同，雙缺陷間可能存在相互作用，這類缺陷的失效行為更加復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于雙橢球型缺陷對(duì)管段剩余強(qiáng)度的影響的研究較少。

國(guó)內(nèi)外研究表明，腐蝕缺陷寬度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響較小，可以忽略。因此本文僅研究相鄰腐蝕缺陷長(zhǎng)度和深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響。對(duì)含橢球形缺陷管道進(jìn)行選取時(shí)，充分考慮實(shí)際管道缺陷的情況，同時(shí)為了便于研究分析，依據(jù)公式(1)、(2)對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行無量綱化處理。

缺陷軸向長(zhǎng)度系數(shù)

a

：

(1)

缺陷深度系數(shù)

c

：

(2)

式中：

L

——缺陷真實(shí)長(zhǎng)度，mm；

D

——彎管外徑，mm；

t

——彎管壁厚，mm；

d

——缺陷真實(shí)深度，mm。為了能更加直觀地了解腐蝕缺陷軸向間距對(duì)失效壓力的影響，本文選用軸向相鄰雙腐蝕缺陷管道失效壓力與單腐蝕缺陷管道失效壓力的比值

P

/

P

來判斷軸向相鄰雙腐蝕缺陷是否發(fā)生相互作用。當(dāng)

P

/

P

≥99%時(shí)，判定腐蝕缺陷之間的相互作用可以忽略，雙腐蝕缺陷可以按照單腐蝕缺陷的失效壓力進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 腐蝕缺陷深度系數(shù)對(duì)極限作用距離的影響

建立軸向相鄰腐蝕缺陷三維有限元模型。為方便計(jì)算，相鄰腐蝕缺陷取相同尺寸。腐蝕缺陷長(zhǎng)度數(shù)值取做70.1 mm，寬度為31.65 mm，深度系數(shù)

d/t

為0.2，0.4，0.6，0.8，相應(yīng)地每個(gè)腐蝕深度下的相鄰腐蝕缺陷間距

S

取10，15，20，30，40，50，70，100，150 mm。分析討論隨著軸向間距的增大，管道失效壓力的變化情況。圖5是腐蝕缺陷深度系數(shù)

d

/

t

=0.6在不同間距的等效應(yīng)力分布云圖?？梢钥吹?，軸向間距很小時(shí)，缺陷區(qū)域的最大應(yīng)力主要分布在相鄰缺陷的中間位置，隨著間距增加，最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置從中間往缺陷內(nèi)部轉(zhuǎn)移，直至相鄰缺陷不存在相互作用，可以按照單點(diǎn)腐蝕缺陷進(jìn)行研究。

圖5 深度系數(shù)d/t=0.6不同軸向腐蝕缺陷間距下應(yīng)力分布

按照上述的計(jì)算工況，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的不同深度系數(shù)下腐蝕缺陷間距應(yīng)力關(guān)系曲線如圖6所示?？梢钥闯?，在同一腐蝕深度下，管道失效壓力隨著缺陷間距的增大而增大，當(dāng)腐蝕缺陷間距達(dá)到一定值時(shí)，失效壓力趨于穩(wěn)定，這時(shí)的缺陷間距就是極限作用距離

L

im。極限作用距離

L

能夠反映出腐蝕缺陷間存在相互影響的最大距離。此外，極限作用距離

L

與腐蝕缺陷深度系數(shù)有關(guān)。當(dāng)

d/t

≤0.4時(shí)，相鄰腐蝕缺陷軸向間距的極限作用距離

L

im=2.0 mm，

d/t

≥0.6時(shí)，極限作用距離

L

im>2.0 mm。腐蝕缺陷深度越大，雙腐蝕缺陷的極限作用距離

L

im越大。對(duì)比圖6中相應(yīng)單點(diǎn)腐蝕管道的失效壓力值，可以看出，在小于極限作用距離時(shí)，軸向相鄰缺陷管道的失效壓力均小于單點(diǎn)腐蝕缺陷管道的失效壓力；當(dāng)大于極限作用距離后，軸向相鄰腐蝕缺陷管道的失效壓力接近單點(diǎn)腐蝕缺陷管道的失效壓力，可以按照單個(gè)腐蝕缺陷對(duì)待。

圖6 不同深度系數(shù)下不同腐蝕缺陷間距應(yīng)力關(guān)系

2.2.2 腐蝕缺陷長(zhǎng)度對(duì)極限作用距離的影響

腐蝕缺陷寬度取31.65 mm，深度取5.2 mm，長(zhǎng)度系數(shù)取

a

=0.6，1.0，1.5，2.0，對(duì)應(yīng)每個(gè)腐蝕長(zhǎng)度下分別取相鄰腐蝕缺陷間距

S

為10，15，20，30，40，50，70，100，150 mm。分析管道失效壓力隨軸向缺陷間距增大的變化情況，計(jì)算整理得到對(duì)應(yīng)的不同長(zhǎng)度系數(shù)下腐蝕缺陷間距應(yīng)力關(guān)系曲線如圖7所示?？梢钥闯?，對(duì)于不同的腐蝕缺陷的軸向長(zhǎng)度尺寸，極限作用的距離也不同。當(dāng)缺陷長(zhǎng)度尺寸較短時(shí)，腐蝕缺陷間相互影響的范圍較廣，其極限作用距離也較長(zhǎng)，并且失效壓力隨軸向距離變化的曲線較陡。隨著腐蝕缺陷長(zhǎng)度的增大，失效壓力變化曲線變得更加平滑，說明缺陷間相互影響范圍越來越小，極限作用距離也變小。因此，缺陷長(zhǎng)短也會(huì)影響相互作用范圍，長(zhǎng)度越大，其相互作用影響范圍越小。當(dāng)腐蝕缺陷長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)，腐蝕缺陷間不再有相互作用。

圖7 不同長(zhǎng)度系數(shù)下不同腐蝕缺陷間距應(yīng)力關(guān)系

2.3 注水管道剩余強(qiáng)度計(jì)算

腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的前提條件是確定腐蝕缺陷的尺寸，這就需要管道腐蝕檢測(cè)提供缺陷相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。對(duì)于鄰近腐蝕缺陷需要考慮其間交互作用對(duì)剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)的影響。于是，在確定腐蝕缺陷的尺寸時(shí)，根據(jù)缺陷不同的分布狀況，考慮它們之間的相互影響，分別確定缺陷的深度與長(zhǎng)度。

基于上述分析可知，當(dāng)

d

/

t

≤0.4時(shí)，相鄰腐蝕缺陷軸向間距的極限作用距離

L

=2.0 mm；

d

/

t

≥0.6時(shí)，極限作用距離

L

im>2.0 mm。最終統(tǒng)一取

L

im=2.5 mm作為內(nèi)腐蝕缺陷的極限作用距離。若缺陷間距

l

<2.5 mm時(shí)，應(yīng)將這些缺陷看作連續(xù)的缺陷來處理，確定其尺寸。等效缺陷長(zhǎng)度

L

取腐蝕缺陷群的總長(zhǎng)度，等效缺陷深度

d

應(yīng)取各腐蝕坑中深度的最大值。若缺陷間距

l

>2.5 mm時(shí)，這時(shí)應(yīng)將點(diǎn)蝕群組成的各個(gè)腐蝕缺陷看成是彼此獨(dú)立、互不干擾的，分別按每一個(gè)腐蝕坑單獨(dú)來確定其長(zhǎng)度及深度尺寸。

通過PCORRC 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則(Pipeline Corrosion Criterion)進(jìn)行失效壓力計(jì)算。在腐蝕缺陷尺寸參數(shù)中，缺陷長(zhǎng)度和深度是影響管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因素。

失效壓力

P

的計(jì)算公式為：

(3)

式中：

R

——管道半徑，mm；

D

——管道外徑，mm；

t

——管道公稱壁厚，mm；

d

——腐蝕缺陷深度，mm；

L

——腐蝕缺陷軸向投影長(zhǎng)度，mm；

R

——管材的極限拉伸強(qiáng)度，MPa。

3 注水管道剩余壽命研究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)明確實(shí)際管道內(nèi)腐蝕情況，以及ASTM G46-94標(biāo)準(zhǔn)要求，在腐蝕管段中取10個(gè)最大腐蝕坑深的平均值來計(jì)算得到實(shí)際管道點(diǎn)蝕速率，對(duì)高壓注水管道剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)下一檢測(cè)周期提出建議，為管道檢測(cè)與維修提供依據(jù)。

點(diǎn)蝕速率可表示為：

(4)

式中：

v

——點(diǎn)蝕速率，mm/a；

h

——最大腐蝕凹坑深度，mm；

T

——運(yùn)行時(shí)間，a。

由上文給出的管道剩余強(qiáng)度計(jì)算方法得到管道剩余強(qiáng)度。根據(jù)SY/T 0087.1—2018《鋼制管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中計(jì)算的剩余壽命值，檢測(cè)周期應(yīng)取剩余壽命的一半。

管道剩余壽命可表示為:

(5)

式中：

RL

——剩余壽命，a；

C

——校正系數(shù)，取0.85；

SM

——安全裕量，等于失效壓力比減去最大操作壓力比，失效壓力比=計(jì)算失效壓力/屈服壓力，最大操作壓力比=最大操作壓力/屈服壓力；

t

——管道公稱壁厚，mm；

v

——點(diǎn)蝕速率，mm/a。

對(duì)勝利油田的注水管道進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果見表3。

結(jié)合表3的實(shí)例分析結(jié)果可以看出，勝利油田注水管道的剩余壽命在1～5年范圍內(nèi)。相較于其他管道而言，2#和6#管道較為危險(xiǎn)，在實(shí)際安全保護(hù)中應(yīng)該采取合理有效的措施重點(diǎn)保護(hù)，以預(yù)防管道安全事故的發(fā)生。依據(jù)計(jì)算的剩余壽命進(jìn)一步給出了檢測(cè)周期，為油田的安全檢修提供依據(jù)，能夠有效評(píng)價(jià)油田注水管道安全性，為管道檢測(cè)與維修提供依據(jù)。

表3 內(nèi)腐蝕注水管道剩余壽命計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

a) 設(shè)計(jì)了一種適用于油田高壓注水管道的內(nèi)腐蝕掛片裝置，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得到注水管道內(nèi)腐蝕速率及缺陷尺寸分布規(guī)律。

b) 通過注水管道內(nèi)部腐蝕缺陷相互作用的數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)其相互作用與缺陷長(zhǎng)度、深度及間距有關(guān)。腐蝕缺陷深度系數(shù)越大，雙腐蝕缺陷相互作用間距越大，當(dāng)

d

/

t

≤0.4時(shí)，相鄰腐蝕缺陷軸向間距的極限作用距離

L

im=2.0 mm；

d

/

t

≥0.6時(shí)，極限作用距離

L

im>2.0 mm；腐蝕坑越長(zhǎng)，腐蝕坑之間相互作用越小，極限作用距離也越小。

c) 結(jié)合油田注水管道內(nèi)腐蝕速率測(cè)試結(jié)果、剩余強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算結(jié)果，計(jì)算了油田注水管道剩余壽命。以勝利油田8條注水管道為例，管道的剩余壽命在1～5年范圍內(nèi)，檢測(cè)周期為剩余壽命的一半。具體來看，相較于其他管道而言，2#和6#管道較為危險(xiǎn)，在實(shí)際安全保護(hù)中應(yīng)該采取合理有效的措施重點(diǎn)保護(hù)，以預(yù)防管道安全事故的發(fā)生。