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海底管線腐蝕缺陷的安全可靠性評估

文檔作者：方華燦趙學(xué)年陳國明文檔來源：石油大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月03日
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海底管線腐蝕缺陷的安全可靠性評估
方華燦.趙學(xué)年.陳國明
*石油大學(xué)*北京+機電工程學(xué)院.北京#$))$$+
摘要"建立了海底管線抗腐蝕評估的可靠性分析模型.給出了含腐蝕缺陷尺寸的管線許用內(nèi)壓的計算公式.提供
了描述檢測誤差/計算誤差及環(huán)境載荷的概率分布.給出了管線在內(nèi)壓作用下抗腐蝕的可靠性評估實例0
關(guān)鍵詞"水下管道1腐蝕1可靠性1評價
中圖分類號"2345&amp;amp;6$) 文獻標識碼"7
89:;<=;:;>?9@<:A<>;BCBDEBFFBG;BCH9D9E>BD>I9GA=G9F"2vVwVxWPyWxWz{PRPx{zWQPxZY|VxY}PRzWQYwwY~WYRV!PxOPzWYRY}zvV~Oy~VP"W"VxWRVW~QYR~zwOQzV|6
7x~YzvVQPxQOxPzWYRV#OPzWYR}YwzvV"VwZWzzV|WRRVw"wV~~OwVW~[W!VR.zvV"wYyPyWxWz{|W~zwWyOzWYRY}zvV
|VzVQzWYR VwwYw. QPxQOxPzWYR VwwYwPR| zvV VR!WwYRZVRzPxxYP| W~WRzwY|OQV|6KWRPxx{ zvVPRzWQYwwY~WYR
V!PxOPzWYRV$PZ"xVW~Px~Y[W!VR6
%9?&amp;amp;BFHG"OR|Vw’PzVw"W"VxWRV1QYwwY~WYR1wVxWPyWxWz{1V!PxOPzWYR
我國南海/東海及渤海鋪設(shè)的海底輸送石油/天
然氣管道已達數(shù)千公里0 海底管線長期處于海洋環(huán)
境中.極易遭受腐蝕0管線一旦受到腐蝕.在環(huán)境載
荷及內(nèi)壓作用下.很容易造成破損0為了防止惡性事
故發(fā)生.需要檢測管線的腐蝕狀況.并對管線抗腐蝕
的安全可靠性進行評估0本文按照可靠性理論.建立
了分析模型1并通過統(tǒng)計分析.給出了隨機變量的概
率分布.在此基礎(chǔ)上提出了海底管線內(nèi)許用操作壓
力的計算方法0
( 可靠性分析模型
可靠性分析模型常以一個失效函數(shù)) 的形式
來表達0例如.若以* 代表廣義強度.+代表廣義應(yīng)
力.
則), *- +. *#+
顯然.).$.則可靠1反之.)/$.則失效0因而.概率
p*). $+即為可靠度0
(6( 以腐蝕缺陷深度表示的可靠性模型
設(shè)以0作為腐蝕深度.以102作為腐蝕缺陷的
許用深度.并將它們分別視為式*#+中的廣義應(yīng)力與
廣義強度時.
則), 102-0. *)+
因而.從式*)+即可得出可靠度*為
*, p*). $+, p*102. 0+0 *&amp;amp;+
(63 以管內(nèi)許用壓力表達的可靠性模型
設(shè)以^及1^2分別表示海底管線內(nèi)的操作壓力
及管線材料強度所許用的內(nèi)壓時.同樣將它們看成
式*#+中的廣義應(yīng)力及廣義強度.
則),1^2-^. *’+
*,p*). $+, p*1^2- ^+0 *4+
3 腐蝕管線最大許用操作壓力的計算
36( 斷裂力學(xué)計算方法
對于長距離薄壁海底管線在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力
)$$#年第&amp;amp;$卷石油礦場機械
第,期第#頁
5555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555
678 97:8; :<=7>?:@A )$$$.&amp;amp;$*,+"#B’
- 收稿日期")$$#%$,%)#
作者簡介" 華燦*#4&amp;amp;$%+.男.安徽定遠人.教授.博導(dǎo).本刊顧問.#44)年畢業(yè)于天津北洋大學(xué)機械系.在清華大學(xué)石
油系和北京石油學(xué)院任教.長期從事石油礦場機械的教學(xué)與科研工作0
分析!通常將軸向應(yīng)力及徑向應(yīng)力略去!只按環(huán)向應(yīng)
力"#$ %&amp;amp;’()*+計算,考慮腐蝕缺陷尺寸后!根據(jù)斷
裂力學(xué)理論!即可得出-%.為
-%.$
)/0*
&amp;amp;
$
)*/
&amp;amp;
12 (3’34+
12 (3’34+52# - . 6
! (7+
式中!/0為管材的流變強度8/為其均值!/$ /9:
;<<=>’?)!其中!/9 為管材的最小允許屈服應(yīng)力8
&amp;amp; 及*分別為管徑及壁厚81為腐蝕沿軸向的長度8
3 為腐蝕區(qū)沿軸向及壁厚的面積834 為未腐蝕時的
面積!34$1@ *!56 為ABCDEF6系數(shù)!可從海底管線
的設(shè)計標準中查得,
GHG 彈性極限法計算方法
I+ 只考慮內(nèi)壓作用按照彈性極限法計算
時!設(shè)材料的屈服點為"F8環(huán)向應(yīng)力集中系數(shù)為JK!
軸向應(yīng)力的集中系數(shù)為JL!則管內(nèi)最大允許操作壓
力-%.為
-%.$
)*"F
&amp;amp; JK
):
#
;
JL
)2
#
)
N JKMJL
, (O+
P+ 考慮內(nèi)壓與彎曲共同作用設(shè)海洋環(huán)境載
荷來自波浪Q海流或冰引起管線的彎曲應(yīng)力為"RS8
彎曲應(yīng)力的應(yīng)力集中系數(shù)為JT!腐蝕區(qū)的彎曲應(yīng)力
為"US時!則-%.即應(yīng)為
-%.$
2V: VN )2;3J
3&amp;amp;’*
(當(dāng)"US$JT"RS時+! (<+
-%.$
V: VN )2;3J
3&amp;amp;’*
(當(dāng)"US$ 2JT"RS時+! (W+
式(<+!式(W+中!3QVQJ分別為
3 $ JK
):
#
;
JL
)2
#
)
JL MJK! (#4+
V $ JL MJT 2 JK MJT"RS! (##+
J$ JT
)")
RS 2 ")
F, (#)+
X 隨機變量的概率特性
XHY 壓力計算誤差系數(shù)的概率分布
考慮各種隨機因素的影響!使計算得出的-%.
與實際比較!仍有誤差!并以系數(shù)V# 代表此誤差系
數(shù)與之相乘,于是!實際破損壓力%Z為
%Z$ V#-%., (#[+
若將系數(shù)V#看成為隨機變量時!石油大學(xué)分別
進行了對正態(tài)Q正態(tài)Q威布爾和極值\ 型分布擬
合!分析表明!系V#與威布爾分布吻合最好!得出
的系V#的威布爾分布概率密度曲線如圖#!分布
函中的[個參分別為]$ 4HOO7;(位置+!^$
4HWW<)(形狀+!_$#H<;O)(尺度+,
圖# 修正系數(shù)V# 的威布爾分布概率密度
XHG 無損檢測腐蝕缺陷的概率特性
檢測腐蝕缺陷尺寸的概率取決于已有缺陷尺寸
和>‘6(無損檢測+的有效性!石油大學(xué)曾以超聲波
測厚儀在渤海石油公司現(xiàn)場!對幾種規(guī)格管線的腐
蝕點深度進行過測量,測量誤差的統(tǒng)計分析表明!腐
蝕缺陷深度的測量誤差的均值ab$ 4HcO);??!
而其標準差/ab$4Hc)c7??,腐蝕缺陷實際深
度b$bd: ab!其中bd 為>‘6測量深度8ab為測
量誤差,
為了反映測量誤差!也可引入修正系數(shù)V)!
即V)$ b>‘6’b, (#;+
若將V)看成隨機變量時!它服從對數(shù)正態(tài)分布,
XHX 海洋環(huán)境載荷計算及其概率特性
海底管線自海底引上岸或平臺時!需考慮海浪Q
海流和冰載荷的作用,
I+ 波浪對管線的作用力計算-;.
單位長度水平力eK$
#
)
J‘f&amp;amp;g):Jhf3
ig
i*
!(#c+
單位長度浮托力eS$
#
)
JSf&amp;amp;g)! (#7+
式中!J‘!Jh!JS 分別為阻力Q慣性力Q浮托力系數(shù)!
我國海底管線設(shè)計時取J‘$ #H4j #H)8Jh$ )H4j
[H48JS$ 4HOj#H48f為海水質(zhì)量密度8&amp;amp; 為管徑83
為管線側(cè)向投影面積8g為水質(zhì)點水平分速!ig’i*
為其加速度!依小幅波理論可得
g$
kl
m
UBFn
)k(b2 o+ - 1 .
FDpn()kb’1+
UBFq! (#O+
ig
i*
$
)k)l
m)
UBFn
)k(b2 o -1 .
FDpn()kb’1+
FDpq! (#<+
式中!l 及m 分別為波浪的波高及周期8b為水深!
1為波長8o為水面至管中心的高度!q為相位角,
P+ 海流對管線的作用力計算-;.
單位長度阻力er‘$ J‘f&amp;amp;g)
U’)! (#W+
單位長度浮托力ers$ Jsf&amp;amp;g)
U’)! ()4+
@)@ tuv wuxvy xz{u|}x~! )44#"BC
###################################################################
H[4$7
式中!"#為潮流速度$%&amp;amp;為舉升力系數(shù)!取%&amp;amp;’
()*$阻力系數(shù)%+’ ()*, -)./將"#看成確定量$只
將函數(shù)中的波高0 看成隨機變量!且其長期分布服
從威布爾分布!
即1203’
4
5
206 7346-89: 6
206 734 ; 5 <
!
2.-3
式中!1203為概率密度函數(shù)!其符號代表意義同式
2-=3/
>3 海冰對管線的作用力計算我國渤海對單
層冰水平冰力?@&amp;amp;及重疊冰水平冰力?@A常按下式計
算;.<
?@&amp;amp; ’ ()*B#C()*0-)-
@&amp;amp; ! 2..3
?@A ’ ()DB#C()*0-)-
@A ! 2.D3
式中!B#為冰擠壓破壞強度!0@&amp;amp;及0@A為冰厚!它們
均應(yīng)看成隨機變量!且服從威布爾分布!石油大學(xué)給
出了渤海幾個海域的B#及冰厚的概率密度分布如
圖.!圖D/
圖. 遼東灣平整水抗壓強度的概率密度函數(shù)
圖D 渤海冰厚年最大值的概率密度函數(shù)
E 評估可靠度計算
E)F 計算方法
對于檢測出腐蝕缺陷的海底管線!在給定操作
壓力G工作時的安全可靠性評估!需要按照式2H3
及式2*3計算可靠度I/這里!采用的計算法是蒙
特卡洛2JKLM8NOPQRK3模擬法;D3 將各個隨機變量及變量的數(shù)值代入‘Ga式
及式2.H3中!計算出一組Sb數(shù)2b’-!.!] ]!cd3/
e3 找出cd 個Sb數(shù)中Sbf(的數(shù)目cA!依照
I’ cA\cd! 2.=3
求出可靠度I/ 據(jù)此!石油大學(xué)編制了Aghi計算
程序/
j 計算實例
以外徑k=^.ll!壁厚m)Dmnll 的海底管線
在內(nèi)壓作用下為例!計算給定可靠度下的操作壓力
G!管材的屈服強度為D*mJiP!腐蝕缺陷沿軸向總
長^D)*ll!缺陷平均深度().D^=ll!最大深度
()D=ll/
j)F 斷裂力學(xué)方法計算
按照式2^3計算G!依式2.H3計算S!應(yīng)用蒙特
卡洛法進行計算!得出操作壓力G的可靠度I2G3!
服從對數(shù)正態(tài)分布!如圖H/
圖H 內(nèi)壓作用下操作壓力G與失效概率的關(guān)系
j)U 彈性極限法計算
按照式2=3計算;G?8@?9AB=9C8>DE@CF@GH89?FG@?>E<
9?BGB:@?>E9I>EJ>8@GHCKC89: BAL=@EE@GH=@HBI9=>EEL9C@HG
MNOPQR-POSTU$VWTR-SXY MWQ$ZW[U-\N6OMW[R]$^Q[R]
)_‘a(chǎn)bcdecf‘a(chǎn)dgchdijklmk-ncopohq"##.(&amp;amp;-kroh‘*
7DC8=>?8!2Ust[uT[vsvWswxQuuQR]xQ]Utsx[uuwsVQ]RVZQsRvQyQZ[uuz-vWQV{[{sx{TvVyUx|[xwvWsZURZs{vUy
}T[RvQyQsw vsZWRQZ[u< sZURU~QZ[uv[x]svVzVvs~-|WQZW QV{xsuQ~QR[xz [ZZs{vsw !z vWsws{[xv~sRvVUy
wsVQ]R-~[RTy[ZvTxQR][RwZTVvU~sxV5
"9K#B=LC!wxQuuQR]xQ]1{xU^sZv1v[x]sv1
$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$
st[uT[vQUR
圖% 內(nèi)壓作用下操作壓力f與失效概率的關(guān)系
設(shè)斷裂力學(xué)方法為方法"-彈性極限法為方法
(-則可將此(種方法計算得出的操作壓力f的失效
概率曲線給出如圖+所示結(jié)果-圖+表明-在可靠度
較高的情況下-方法"計算出的操作壓力f偏低-比
較保守0因此-建議在工程實際中采用彈性極限法進
行海底管線抗腐蝕的安全可靠性評估0
圖+ 斷裂力學(xué)法和彈性極限法計算可靠度的比較
參考文獻!
&amp;amp;"’ 方華燦-周維5石油鉆采機械可靠性設(shè)計&amp;amp;(’5北
京!石油工業(yè)出版社-"44%5%.%$%.+5
&amp;amp;(’ 方華燦5冰區(qū)海洋石油鋼結(jié)構(gòu)工程力學(xué)&amp;amp;(’5東營!石
油大學(xué)出版社-"44+5+&amp;amp;$+45
&amp;amp;%’ 方華燦5海洋石油鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命&amp;amp;(’5東營!石油
大學(xué)出版社-"44#5%#&amp;amp;$%#’5
&amp;amp;&amp;amp;’ 方華燦5海洋石油鉆采裝備與結(jié)構(gòu)&amp;amp;(’5北京!石油工
業(yè)出版社-"44#5.#$."-"##$"#"-"#+$"#’5
(##"年第%#卷石油礦場機械
第+期第&amp;amp;頁
)))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))
*+, -+.,/ .01+23.45 (##"-%#)+*!&amp;amp;6%
, 收稿日期!(##"$#’$"#
作者簡介!石林)"4%.$*-男-安徽阜陽市人-教授級高工-現(xiàn)為中國石油天然氣集團公司市場管理部副主任-"4’(
年畢業(yè)于石油大學(xué)鉆井專業(yè)-長期從事鉆井技術(shù)與鉆井裝備管理工作1李國順)"4+%$*-男-河北保定市人-
高級工程師-現(xiàn)為中國石油天然氣集團公司市場管理部綜合處副處長-"4’%年畢業(yè)于石油大學(xué)鉆井專業(yè)-
長期從事鉆井技術(shù)與鉆井裝備管理工作0

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