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直接电加热过程含缺陷海底管道强度评价
陈景皓1,2, 张健3, 王凯1,2, 高辉1,2, 陈家庆1,2     
1. 北京石油化工学院机械工程学院;
2. 深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室;
3. 中国石油技术开发有限公司
摘要: 直接电加热技术通过在管壁两端施加交流电向管道内输送热量,保持管内流体具有较高的温度,可有效地预防管道产生的冷凝现象。为保障直接电加热过程中海底管道的安全性,采用有限元软件ABAQUS对直接电加热过程中含缺陷管道进行了应力分析与强度评价,并分析了缺陷长度、宽度、深度以及温度对管道剩余强度的影响。分析结果表明:当缺陷大小一致时,相比环向缺陷,存在轴向缺陷管道的应力水平更大;缺陷深度的增加导致管道剩余强度有明显下降,缺陷长度在20~100 mm时,缺陷长度的增加导致管道剩余强度有明显下降,缺陷宽度对管道剩余强度的影响不明显;温度每升高30℃,管道剩余强度下降9.5%~28.9%。所得结论可为保障海底管道在直接电加热过程中的安全运行提供理论支持。
关键词: 直接电加热    海底管道    剩余强度    失效压力    缺陷    温度    ABAQUS    
Strength Evaluation of Subsea Pipeline with Defects in Direct Electrical Heating Process
Chen Jinghao1,2, Zhang Jian3, Wang Kai1,2, Gao Hui1,2, Chen Jiaqing1,2     
1. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology;
2. Beijing Key Laboratory of Key Technologies and Equipment for Deepwater Oil and Gas Pipelines;
3. China Petroleum Technology & Development Corporation
Abstract: Direct electrical heating technology transfers heat to the pipe by applying alternating current at both ends of the pipe wall to keep the fluid in the pipe at a high temperature, which can effectively prevent condensation in the pipe. To ensure the safety of subsea pipelines during direct electrical heating, the finite element software ABAQUS was used to analyze the stress and strength of the pipelines with defects under direct electrical heating. The influences of the defect length, width, depth and the temperature on the pipeline residual strength were analyzed. The analysis results show that given the same defect size, the stress level of pipeline with the axial defect is larger than that of the pipeline with circumferential defect. The increase of defect depth leads to a significant decrease in the residual strength of the pipeline. When the length of the defect is 20~100 mm, the increase of the defect length leads to a significant decrease in the residual strength of the pipeline. The effect of the defect width on the residual strength of the pipeline is not significant. For every 30℃ increase in temperature, the residual strength of the pipeline decreases by 9.5% to 28.9%. The study can provide theoretical support for ensuring the safe operation of subsea pipeline during direct electrical heating.
Keywords: direct electrical heating    subsea pipeline    residual strength    failure pressure    defect    temperature    ABAQUS    

0 引言

含蜡原油在海底管道输送的过程中存在较为明显的流动保障问题,严重影响海底管道的安全运行[1]。直接电加热技术通过在管壁两端施加交流电向管道内输送热量,保持管内流体具有较高的温度,可有效地预防管道产生的冷凝现象。该技术在国外已有很多工程应用案例[2-3]。海底管道输送的介质中含有腐蚀性物质,极易造成管道内腐蚀,是引起管道失效的主要因素[4]。并且在直接电加热过程中,管壁的温度升高势必增大管道的应力,对海底管道的安全运行构成威胁。

管道腐蚀缺陷强度评价常用的方法和标准有ASME B31G准则、RSTRENG方法、PCORRC方法及DNV-RP-F101标准。曹莉对比分析了几种方法的优缺点,发现DNV-RP-F101标准适用于内压和轴力共同作用下管道腐蚀缺陷的强度评价,尤其是海底管道腐蚀缺陷的强度评价[5-6]。中国海洋石油总公司基于该标准推出相应的行业标准——腐蚀管道评估的推荐做法[7]。然而,利用DNV-RP-F101标准进行组合载荷作用下管道腐蚀缺陷强度评价时,需要已知管道轴向力和弯矩,且无法考虑由于热膨胀引起的管道环向应力。为此,有些学者利用有限元技术来完成管道腐蚀缺陷的强度评价[8-9]。笔者借助有限元软件ABAQUS,期望通过开展含有腐蚀缺陷的海底管道剩余强度评价的相关研究工作,为保障海底管道在直接电加热过程中的安全运行提供理论支持。陈景皓,等:直接电加热过程含缺陷海底管道强度评价

1 直接电加热过程海底管道剩余强度评价 1.1 有限元模型

采用C3D10单元建立含缺陷管道的有限元模型,对缺陷部位进行局部网格细化,管道缺陷处网格划分如图 1所示。考虑到缺陷附近应力场的边界效应,管道长度为10 m,外径为304.8 mm,内径为274.8 mm,管道两个端面铰接约束。管道材质为X70,弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,线膨胀系数为1.35×10-5。X70材料室温下的屈服强度为483 MPa,当温度每升高10 ℃,屈服强度下降约0.67%[7]

图 1 管道缺陷处网格划分 Fig.1 Pipeline defect meshing

缺陷按照方向分类可分为环向缺陷和轴向缺陷[10],通过ABAQUS软件中布尔运算分别计算两种类型缺陷的尺寸。其中环向缺陷的长度、宽度和深度分别为200、10和2 mm,轴向缺陷的长度、宽度和深度分别为10、200和2mm。缺陷位于管道中间,有限元模型为对称结构,为节省计算量建立有限元模型,并在截面处设置对称边界条件。

1.2 有限元结果分析

图 2为60 ℃温度和20 MPa内压共同作用下管道缺陷附近的应力云图。

图 2 管道缺陷附近应力云图 Fig.2 Stress distribution near the pipeline defect

图 2可以看出,管道缺陷处的应力明显大于邻近区域。对于环向缺陷,在缺陷环向两端边缘处应力水平明显高于缺陷其他区域。而轴向缺陷应力分布相对均匀,缺陷环向两端边缘处应力略高于其他区域。与环向缺陷相比,轴向缺陷会使管道的应力水平增加更多。

2 海底管道剩余强度影响因素分析

以轴向缺陷为例,分析腐蚀缺陷的长、宽、深3个尺寸参数对管道剩余强度(失效压力)的影响。当管道等效应力(Von Mises应力)达到材料屈服极限(即管道产生塑性变形)时,认为管道失效。Von Mises应力可用主应力表示为[11]

(1)

式中:σS为Von Mises应力,σ1σ2σ3分别为3个方向上的主应力。

2.1 缺陷长度对管道剩余强度的影响

管道几何参数与材料参数不变,将温度设置为30~120 ℃,选择缺陷宽度为10 mm,深度为2 mm,计算缺陷长度为20、50、80、100、150、200、250和30 mm时,管道的失效压力随温度变化的情况。

图 3为缺陷长度对管道失效压力的影响曲线。由图 3可知:当缺陷长度从20 mm增加至100 mm时,管道的失效压力下降明显,下降幅值约为20%;当缺陷长度从100 mm增加至300 mm时,缺陷长度对管道失效压力的影响不明显,仅在一定范围内波动。由分析可知,温度对管道失效压力的影响较为明显,并且随着温度的增加,失效压力的下降速度增加。温度从30 ℃增加至60 ℃,失效压力下降最大幅值约为9.7%;温度从60 ℃增加至90 ℃时,失效压力下降最大幅值约为14.8%;温度从90 ℃增加至120 ℃时,失效压力下降最大幅值约为26.2%。

图 3 缺陷长度对管道失效压力的影响曲线 Fig.3 Effect of defect length on pipeline failure pressure

2.2 缺陷宽度对管道剩余强度的影响

管道几何参数与材料参数不变,设置温度为30~120 ℃,选择缺陷长度为200 mm,深度为2 mm,计算缺陷宽度为10、20、30、40、50和60 mm时,管道的失效压力随温度变化的情况。

图 4为缺陷宽度对管道失效压力的影响曲线。由图 4可知:当缺陷宽度从10 mm增加至60 mm时,缺陷宽度对管道失效压力的影响不明显;缺陷宽度为20和40 mm时,失效压力相对较低。温度对管道失效压力的影响较为明显,并且随着温度的升高,失效压力的下降速度增加。温度从30 ℃增加至60 ℃时,失效压力下降最大幅值约为9.5%;温度从60 ℃增加至90 ℃时,失效压力下降最大幅值约为14.8%;温度从90 ℃增加至120 ℃时,失效压力下降最大幅值约为26.8%。

图 4 缺陷宽度对管道失效压力的影响曲线 Fig.4 Effect of defect width on pipeline failure pressure

2.3 缺陷深度对管道剩余强度的影响

管道几何参数与材料参数不变,设置温度为30~120 ℃,选择缺陷长度为200 mm,宽度为10 mm,计算缺陷深度为2、4、6、8和10 mm时管道的失效压力随温度变化的情况。

图 5为缺陷深度对管道失效压力的影响曲线。

图 5 缺陷深度对管道失效压力的影响曲线 Fig.5 Effect of defect depth on pipeline failure pressure

图 5可知:当缺陷深度从2 mm增加至6 mm时,管道失效压力明显下降,失效压力下降最大幅值约为55.7%;当缺陷深度从6 mm增加至10 mm时,管道失效压力下降相对平缓,失效压力下降最大幅值约为38.3%。温度对管道失效压力有一定的影响,并且随着温度的增加,失效压力的下降速度增加。温度从30 ℃增加至60 ℃时,失效压力下降最大幅值约为11.5%;温度从60 ℃增加至90 ℃时,失效压力下降最大幅值约为17.2%;温度从90 ℃增加至120 ℃时,失效压力下降最大幅值约为28.9%。

3 结论

采用有限元软件ABAQUS对直接电加热过程中含缺陷管道进行应力分析与强度评价,并对影响管道强度的3种缺陷尺寸进行参数敏感性分析,得到如下结论:

(1) 当缺陷大小一致时,相比环向缺陷,存在轴向缺陷管道的应力水平更大,使得管道更易发生危险。

(2) 缺陷深度的增加导致管道剩余强度有明显下降;缺陷长度为20~100 mm时,缺陷长度的增加导致管道剩余强度有明显下降;缺陷宽度对管道剩余强度的影响不明显。

(3) 温度对管道剩余强度影响明显,温度每升高30 ℃,管道剩余强度下降9.5%~28.9%。因此,在管道直接电加热工艺设计时应考虑温度对管道安全性的影响。

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文章信息

陈景皓, 张健, 王凯, 高辉, 陈家庆
Chen Jinghao, Zhang Jian, Wang Kai, Gao Hui, Chen Jiaqing
直接电加热过程含缺陷海底管道强度评价
Strength Evaluation of Subsea Pipeline with Defects in Direct Electrical Heating Process
石油机械, 2019, 47(5): 125-128
China Petroleum Machinery, 2019, 47(5): 125-128.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.05.021

文章历史

收稿日期: 2018-12-05

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