腐蚀管道失效压力评价方法及可靠度研究

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由于具有运输容量大、抵抗外界荷载能力强、可靠性高和对环境影响小等特点,管道被广泛用于石油、化工及能源工业中的油、天然气及其它液体的输送当中。为了输送物质,管道在运行过程中为承压状态,内压是管道设计和承载力评估中必须考虑的荷载。同时,处于复杂环境中的管道,由于外界环境的电化学特性以及输送物质的腐蚀性,使管道内外表面产生腐蚀缺陷。腐蚀后的管道由于壁厚减薄,其极限承载能力会有不同程度的减弱。如果腐蚀管道在内压作用下发生泄漏事故,不仅会造成巨大的经济损失,而且对周围生态环境造成极大的破坏。因此,开展腐蚀管道内压承载力评估及可靠度研究对于管道运行和管理以及维修和更换具有重要的经济和社会价值。由于腐蚀的随机性,不同缺陷之间会发生相互作用,进而影响管道内压承载力。现有评价方法均按照统一的计算模型对相互作用缺陷管道的内压承载力进行评估,并未考虑到不同分布模式的相互作用缺陷管道内压失效的差异性。而且现有缺陷管道的可靠性研究均以单个缺陷管道的内压承载力评估模型为基础,并未考虑缺陷之间的相互作用,导致该可靠度计算方法高估了管道的承载力。本文采用全尺寸爆破试验和数值仿真相结合的研究手段,揭示了由不同形状缺陷组成的不同排列方式下相互作用缺陷管道的内压失效模式,并提出了单点缺陷管道、不规则缺陷管道和相互作用缺陷管道失效压力计算公式和腐蚀管道失效压力评估方法。在以上研究成果的基础上,提出了考虑缺陷相互作用情况下腐蚀管道可靠度计算方法,并根据实例分析了腐蚀管道失效概率随时间变化情况。本文主要工作包括:(1)针对膨胀系数取值模型在体积型缺陷管道失效压力评价中适应性差的缺点,根据单个缺陷管道失效压力有限元计算结果,拟合得到一种新的不同尺寸缺陷管道的膨胀系数计算方法。结合该取值模型和完好管道失效压力评估方法,得到一种新的单个缺陷管道失效压力计算公式。(2)建立了不规则缺陷管道的三维非线性有限元模型,并分析了深腐蚀缺陷深度、宽度、长度和轴向间距对不规则缺陷管道失效压力的影响。根据不同不规则度缺陷的等效形状和评价长度,提出了一种新的不规则缺陷管道失效压力计算公式,并通过实际不规则缺陷管道爆破试验验证了该计算公式的准确性。(3)针对现有相互作用缺陷管道失效压力评估方法工作量大的特点,结合有限元结果,通过对相互作用缺陷的有效深度取值模型进行修正,提出了新的环向对齐相邻、轴向对齐相邻和复杂分布的相互作用缺陷管道失效压力计算公式,并通过实际管道爆破试验结果,验证了该计算公式的准确性。(4)针对腐蚀管道失效压力评价方法步骤繁琐,很难运用于腐蚀管道失效压力可靠度时序变化分析的缺点,基于群腐蚀缺陷管道失效位置,提出了一种针对腐蚀管道失效压力评价的“中心失效位置”评估方法。相比现有评价方法,该方法不仅预测结果的误差没有降低,而且其评估工况更少,操作更简便,适用性更强。(5)根据新的腐蚀管道失效压力评估方法和计算公式,结合服役管道抗拉强度的分布规律,提出了一种考虑缺陷之间相互作用的腐蚀管道可靠度计算方法。相比于单个缺陷管道的失效概率,对于全面腐蚀长输管道,考虑缺陷相互作用情况下,失效概率曲线增长速度更快,且同一失效概率对应的服役时间缩短;对于局部腐蚀管道,考虑缺陷相互作用情况下相同服役时间对应的失效概率更大。
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