腐蝕海底管道可靠性分析.pdf

1、隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)油氣等能源的消費(fèi)量不斷增加，因此開(kāi)發(fā)海洋油氣資源的急迫性就日益凸顯。通過(guò)海上油氣田所開(kāi)采出來(lái)的油氣資源目前主要是通過(guò)海底管道進(jìn)行運(yùn)輸。正因如此，海底管道被稱為海上油氣田的“生命線”。海底管道的工作環(huán)境處于復(fù)雜的海底，海底管道腐蝕的發(fā)生不可避免。近些年以來(lái)，我國(guó)在服役運(yùn)行中的海底管道，很多已經(jīng)進(jìn)入了管道服役全生命周期的中后期，海底管道腐蝕的情況也日益加劇。當(dāng)海底管道腐蝕嚴(yán)重時(shí)，會(huì)失效發(fā)生破壞，造成管道輸送介質(zhì)的泄漏。

2、因此，為確保服役的海底管道運(yùn)行安全，對(duì)腐蝕的海底管道進(jìn)行可靠性方面的研究就顯得十分重要。為此，從可靠度方面出發(fā)，本文對(duì)腐蝕海底管道開(kāi)展了一些研究，主要開(kāi)展了如下幾方面的工作:
　　1)為了研究腐蝕海底管道的極限內(nèi)壓，采用有限元分析軟件Abaqus建立單點(diǎn)腐蝕管道的非線性有限元分析模型，研究了腐蝕參數(shù)（包括腐蝕長(zhǎng)度、腐蝕深度和管道鋼材強(qiáng)度等）對(duì)海底管道極限內(nèi)壓承載力的影響，并與前人的試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比，得到一些結(jié)論。同時(shí)，本文利用邊界

3、理論，以未發(fā)生腐蝕和無(wú)限長(zhǎng)腐蝕的海底管道極限彎矩承載力為上下界，通過(guò)構(gòu)造權(quán)函數(shù)的方法得到了海底管道發(fā)生單點(diǎn)腐蝕（簡(jiǎn)化槽型腐蝕）時(shí)的極限彎矩解析解。同時(shí)，采用有限元方法，建立了不同腐蝕程度海底管道的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了極限彎矩承載力的數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而對(duì)上述所提出的腐蝕海底管道極限彎矩的求解公式進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　2)為了對(duì)腐蝕海底管道的剩余強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，研究了單點(diǎn)腐蝕海底管道的極限內(nèi)壓承載力。首先，對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)腐蝕海底管道的極限內(nèi)壓承載

4、力，基于公開(kāi)文獻(xiàn)的研究成果，推導(dǎo)了簡(jiǎn)化的的解析計(jì)算公式，并通過(guò)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了公式的準(zhǔn)確性。同時(shí)，通過(guò)修正將簡(jiǎn)化的無(wú)限長(zhǎng)腐蝕管道極限內(nèi)壓公式擴(kuò)展應(yīng)用到單點(diǎn)矩形腐蝕管道，并通過(guò)文獻(xiàn)中所列的前人試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)了擴(kuò)展公式準(zhǔn)確性。同時(shí)，對(duì)于單點(diǎn)腐蝕海底管道，基于概率理論，在95％的工程保證率，提出極限內(nèi)壓承載力的邊界值。結(jié)果表明:對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)腐蝕海底管道，所提出的簡(jiǎn)化公式可以很好地對(duì)其極限內(nèi)壓承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)該簡(jiǎn)化公式的擴(kuò)展式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的

5、擬合較好，而基于概率得到的上下邊界值可以作為單點(diǎn)腐蝕管道極限內(nèi)壓控制的閾值。
　　3)在對(duì)腐蝕海底管道進(jìn)行可靠性分析時(shí)，一定會(huì)用到腐蝕模型。本文為了研究腐蝕模型對(duì)可靠性的影響，詳細(xì)介紹了海底管道的各種腐蝕模型，包括:線性，冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)腐蝕模型。同時(shí)，通過(guò)最大腐蝕深度建立了腐蝕海底管道發(fā)生失效破壞時(shí)的極限狀態(tài)方程。應(yīng)用冪函數(shù)腐蝕模型和指數(shù)函數(shù)腐蝕模型進(jìn)行腐蝕海底管道的可靠性計(jì)算，得到海底管道腐蝕模型對(duì)管道失效概率計(jì)算和管道可靠性

6、分析的影響。根據(jù)與線性腐蝕模型的對(duì)比研究，推薦冪函數(shù)模型用于腐蝕海底管道的可靠性計(jì)算。
　　4)為研究海底管道懸跨段在腐蝕和地震聯(lián)合作用下的可靠性，基于馬爾科夫鏈理論，建立了腐蝕海底管線懸跨段管道的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。利用簡(jiǎn)化模型，推導(dǎo)出在地震作用下腐蝕海底管道軸向位移和軸向應(yīng)力的表達(dá)式。同時(shí)，利用Monte Carlo方法求出了管道軸向位移與應(yīng)力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差?；诟g海底管道失效的極限狀態(tài)方程，對(duì)腐蝕懸跨管道在計(jì)算時(shí)間的抗震可靠性進(jìn)

7、行了分析。為實(shí)際工程中對(duì)海底管道進(jìn)行抗震可靠性分析提供了參考。
　　5)為了計(jì)算海底管道在腐蝕作用下的可靠性，研究了海底管道在正常服役階段可能受到的荷載作用，包括內(nèi)壓，溫度，彎曲，覆土，地震作用和殘余應(yīng)力作用?；贛onte Carlo方法，結(jié)合算例，計(jì)算了腐蝕海底管道在聯(lián)合作用下的可靠性，得到了腐蝕海底管道失效概率隨時(shí)間變化曲線。同時(shí)，研究了這六種作用對(duì)腐蝕海底管道的影響，定量描述了各種作用對(duì)腐蝕海底管道的影響程度。從影響腐蝕海

8、底管道失效概率的角度，定義了參數(shù)靈敏性指標(biāo)，對(duì)海底管道設(shè)計(jì)中經(jīng)常涉及的參數(shù)，如操作壓力，管道半徑，管壁厚度和管線埋設(shè)深度等，開(kāi)展了參數(shù)靈敏性研究。同時(shí)，討論了參數(shù)變動(dòng)對(duì)海底管線可靠度的影響。
　　本文從定量研究腐蝕海底管道的極限承載內(nèi)壓和極限彎矩出發(fā)，從概率的角度研究了腐蝕管道極限內(nèi)壓。同時(shí)，從可靠性的角度，系統(tǒng)研究了海底管道發(fā)生腐蝕時(shí)的腐蝕模型，以及采用不同腐蝕模型對(duì)腐蝕海底管道可靠性計(jì)算的影響。對(duì)海底管道懸跨段這一特殊位置，進(jìn)