含內(nèi)腐蝕缺陷高強(qiáng)鋼輸氣管道剩余強(qiáng)度的評(píng)估方法研究.pdf

1、高強(qiáng)鋼輸氣管道因具備耐腐蝕、大口徑、及耐高壓等特點(diǎn)，將逐步取代現(xiàn)有的普通鋼級(jí)管道，成為承擔(dān)全球天然氣輸送的主力管道。正因?yàn)楦邚?qiáng)鋼輸氣管道大口徑、高壓輸送以及薄壁的特點(diǎn)，當(dāng)管道出現(xiàn)內(nèi)部腐蝕缺陷時(shí)其較之普通鋼級(jí)管道將面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成泄漏爆炸等災(zāi)難性事故。當(dāng)前對(duì)于高強(qiáng)鋼管道腐蝕模型及剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的研究開展仍較片面，沒有考慮管道在輸運(yùn)過程中內(nèi)部流體的影響，缺乏針對(duì)高強(qiáng)鋼長輸輸氣管道重點(diǎn)位置的內(nèi)腐蝕缺陷強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法。因此考慮高強(qiáng)鋼

2、管道運(yùn)營過程中輸運(yùn)氣體流場對(duì)內(nèi)腐蝕模型的影響，引入流固耦合下高強(qiáng)鋼管道產(chǎn)生內(nèi)腐蝕缺陷后的強(qiáng)度分析，對(duì)于高強(qiáng)鋼輸氣管道剩余強(qiáng)度與運(yùn)營狀態(tài)的快速評(píng)估具有重大意義。
　　論文以現(xiàn)有的建立較完善的管道內(nèi)腐蝕模型及管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法為依托，探討了天然氣流場對(duì)于管道內(nèi)腐蝕及內(nèi)腐蝕缺陷評(píng)價(jià)的影響，將理論分析、模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬與現(xiàn)場數(shù)據(jù)相結(jié)合，提供了一種比較快速、全面的高強(qiáng)鋼輸氣管道內(nèi)腐蝕速率模型及含內(nèi)腐蝕缺陷高強(qiáng)鋼輸氣管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法。

3、
　　首先，根據(jù)雷諾數(shù)相似性設(shè)計(jì)了高強(qiáng)鋼試片沖刷試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了高強(qiáng)鋼試片X80的沖刷磨損試驗(yàn)，得到了高強(qiáng)鋼試片在不同沖刷角度下的磨損結(jié)果，分析了流場變化對(duì)高強(qiáng)鋼沖刷形貌的影響;同時(shí)基于顆粒動(dòng)力學(xué)采用有限元方法引入雙流體模型對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析了高強(qiáng)鋼試片沖刷過程中對(duì)其沖刷影響較大的流體參數(shù)，在模擬計(jì)算的流場參數(shù)分布（速度與湍動(dòng)能）與試驗(yàn)中的高強(qiáng)鋼沖刷缺陷形狀相似。
　　然后，進(jìn)行了高強(qiáng)鋼X70與X80試件成分、屈服

4、強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的測定與含半橢圓缺陷下的X80試件的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)得到缺陷深度的變化對(duì)于其屈服強(qiáng)度時(shí)最大拉力的影響較大，而在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)(15mm～55mm)缺陷長度的變化對(duì)于拉伸試件屈服強(qiáng)度處的最大拉力影響基本不變;在與有限元計(jì)算的對(duì)比分析中得到了拉伸試件的缺陷位置存在的一定局部范圍內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圓滑過渡后半橢圓缺陷表面應(yīng)力狀態(tài)比之圓滑過渡前缺陷更能精確、有效地反映拉伸樣件的破壞失效狀態(tài)。
　　在管道內(nèi)湍流可壓縮流體方程的基礎(chǔ)

5、上，進(jìn)行了不同傾角下高強(qiáng)鋼輸氣管道內(nèi)部流場參數(shù)分析，推導(dǎo)了長輸管道的壓降公式并在De waard腐蝕模型的基礎(chǔ)上，完成了高強(qiáng)鋼輸氣管道內(nèi)腐蝕速率隨流場參數(shù)變化公式。得到管道高程的起伏會(huì)造成管道內(nèi)壓的變化，而管道內(nèi)CO2分壓則成為影響管道沿程平均內(nèi)腐蝕率高低的最重要參數(shù)之一;在引入的流場參數(shù)中，輸運(yùn)氣體速度與湍流動(dòng)能數(shù)值變化可代替傾角變化描述對(duì)高強(qiáng)鋼輸氣管道沿程平均內(nèi)腐蝕率的影響，根據(jù)修正后的公式預(yù)測出的管道重點(diǎn)位置處內(nèi)腐蝕形貌大致呈半橢

6、圓片狀分布。
　　同時(shí)，針對(duì)含半橢圓缺陷的X70高強(qiáng)鋼直管道建立了三維有限元模型，模擬了流固耦合下管道內(nèi)流場參數(shù)及應(yīng)力的變化。得到相對(duì)于純內(nèi)壓作用下管道，流場的存在會(huì)增高管道內(nèi)壁缺陷處的應(yīng)力值;在10MPa的操作壓力下，半橢圓缺陷深度對(duì)于管道內(nèi)壁最大應(yīng)力分布影響最大，缺陷長度在超過100mm時(shí)管道內(nèi)壁應(yīng)力值變化范圍不大，而缺陷寬度的變化對(duì)于管道內(nèi)壁面應(yīng)力值的影響很小;對(duì)于X70管線鋼，超過其壁厚50％以上的缺陷深度會(huì)對(duì)管道的失效壓

7、力造成惡劣的影響。而對(duì)于含雙橢圓缺陷高強(qiáng)鋼管道，雙缺陷處最大等效應(yīng)力隨雙缺陷間距離呈反比變化;當(dāng)雙缺陷間距離超過一定長度時(shí)，可忽略雙缺陷間應(yīng)力的交互影響。
　　最后，根據(jù)不同缺陷參數(shù)對(duì)高強(qiáng)鋼輸氣管道的應(yīng)力影響，采用Marquardt方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的分段擬合，并提出了流固耦合下的管道失效壓力模型，在與純壓力載荷下的爆管實(shí)驗(yàn)參數(shù)的對(duì)比下，提出管道失效壓力模型，其預(yù)測結(jié)果分布穩(wěn)定。同時(shí)基于論文提出的高強(qiáng)鋼輸氣管道內(nèi)腐蝕速率分析，以流固耦合

8、下的含內(nèi)腐蝕缺陷高強(qiáng)鋼輸氣管道失效壓力為評(píng)定準(zhǔn)則，提出了流固高強(qiáng)鋼輸氣管道剩余壽命預(yù)測模型，可對(duì)長輸管道的重點(diǎn)位置進(jìn)行針對(duì)性分析。
　　在含流體參數(shù)的高強(qiáng)鋼輸氣管道內(nèi)腐蝕速率分析與流固耦合下含內(nèi)腐蝕缺陷高強(qiáng)鋼管道破壞失效壓力分析的基礎(chǔ)上，提出了含內(nèi)腐蝕缺陷高強(qiáng)鋼輸氣管道剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法，可對(duì)高強(qiáng)鋼輸氣管道進(jìn)行重點(diǎn)檢測位置的劃分、管道產(chǎn)生內(nèi)腐蝕缺陷后的強(qiáng)度校核計(jì)算以及管道的再評(píng)估間隔預(yù)測，為保證高強(qiáng)鋼輸氣管道的可靠運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)