CN112052609A - 一种不规则缺陷管道内压作用下的失效压力计算方法 - Google Patents

一种不规则缺陷管道内压作用下的失效压力计算方法 Download PDF

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Abstract

一种不规则缺陷管道内压作用下的失效压力计算方法，属于管道施工技术领域。该方法根据深腐蚀缺陷相互作用的轴向极限间距，得到不规则缺陷失效压力的评价长度。并依据不规则形状缺陷深度剖面的不规则性，将缺陷分为三类：第一类缺陷的轴向投影形状可以等效为矩形，第三类缺陷的轴向投影形状可以等效为抛物线，第二类缺陷的轴向投影的等效形状介于矩形和抛物线之间。基于等效形状的有效深度和评价长度，提出了一种预测不规则形状缺陷管道失效压力的新方法。采用新的评价方法对不规则形状缺陷管道的失效压力进行了预测，结果与不同等级管道的试验结果吻合较好。

Description

一种不规则缺陷管道内压作用下的失效压力计算方法
技术领域
本发明涉及一种不规则缺陷管道内压作用下的失效压力计算方法。针对不规则缺陷中深腐蚀缺陷的相互作用，提出了一种新的评估长度计算方法。同时根据不规则缺陷失效压力的有限元计算结果，将评估长度范围内的不规则形状缺陷的等效形状与缺陷的不规则度相结合。基于等效形状有效深度deff和缺陷评估长度Leval，得到了一种更准确、更有效的评估方法，该评价方法相比常规评价方法结果更准确，评价步骤更简单。
背景技术
海底管道被称为海上油气开发的命脉，是远距离油气运输最经济的方式之一，因此管道结构完整性评价是近年来工业界的一个重要研究领域。管道内输送的腐蚀性介质和管道外海水、土壤中的腐蚀性物质，常在管道内外壁产生局部腐蚀缺陷。腐蚀一方面会导致管壁整体或局部变薄，另一方面应力集中会降低管道的承载力。根据单个腐蚀缺陷在轴向平面上投影的形状，可以将单个腐蚀缺陷分为规则形状和不规则形状。规则形状的缺陷具有相对平滑的深度剖面，深度上没有多个极值点。如果腐蚀缺陷的深度分布呈现一个或多个极值点，则可以将其视为不规则形状。腐蚀是一个复杂而随机的化学过程，随着管道服役时间的增加，相邻的腐蚀缺陷会重叠形成腐蚀缺陷，因此真正的腐蚀缺陷通常是具有不同深度极值点的长而不规则形状的腐蚀缺陷，而不是底面光滑的规则缺陷。
在管道设计中，内压荷载是决定管壁厚度的关键因素。因此，研究内压作用下局部减薄腐蚀管道的承载力和失效模式具有重要意义。规则形状缺陷的内压承载力是最大缺陷深度d和总长度L的函数。随着深度d的增加，失效压力pf减小，pf减小的速率随着缺陷的加深而增大。随着缺陷长度L的增加，破坏压力pf减小，pf减小的速率随着缺陷长度的增加而减小。对于不规则形状缺陷的失效压力pf与几何形状参数之间的关系是复杂的。与规则形状缺陷相比，简单参数d和L对压力pf的影响较小。实际上，不规则形状缺陷的内压承载力与缺陷深度轮廓密切相关。随着总长度L的增加，不规则形状缺陷失效行为的复杂性增加。根据最深点之间的距离，在达到破坏之前，两个或多个最深点之间可能发生相互作用。对于由两个重叠缺陷组成的不规则缺陷，断裂将在最深处区域开始。对于浅腐蚀缺陷中含有多个深腐蚀缺陷的不规则缺陷，在达到破坏之前，根据深腐蚀缺陷之间会发生相互作用而且失效位置可能发生在相互作用的深腐蚀缺陷的连接位置。
不规则缺陷由于其形状的复杂性，很难对其失效压力进行评估，因此将不规则形状缺陷等效成规则形状缺陷进行评价。等效形状是评估不规则形状缺陷失效压力的关键因素之一。对于缺陷的等效形状，主要集中在矩形和抛物线形状。DNV-RP-F101(复杂形状)评价方法将不规则形状缺陷分成矩形浅腐蚀缺陷和深腐蚀缺陷进行评估；有效面积法和RSTRENG 085dL方法将评估范围内缺陷的轴向投影近似为矩形和抛物线的混合形状；ASME-B31G方法将缺陷的轴向投影近似为抛物线形状；RPA方法将短腐蚀缺陷轴向投影近似为矩形和抛物线的混合形状，对于长腐蚀缺陷，轴向投影的等效形状随腐蚀长度的增加而变化，腐蚀长度越大，等效形状越接近矩形。
评估不规则缺陷失效压力的另一个关键因素是评估长度。可以仅考虑减缩长度来评估非常长的不规则形状缺陷(长度大于
Figure BDA0002633812790000021
的缺陷)。其它研究成果表明减缩长度为2D而不是
Figure BDA0002633812790000022
20世纪90年代，腐蚀管道剩余强度的三级评估方法被提出。在实际工程中，通常采用一级和二级评价方法来预测管道的失效压力。传统的方法是一级评估方法，如ASME-B31G方法、RSTRENG 085dL方法、RPA方法和DNV-RP-F101单点评价方法。二级方法用于评估孤立的复杂形状缺陷，例如，复杂形状缺陷的DNV-RP-F101方法和有效面积方法。为了选择合适的评价方法，巴西国家石油公司开展了一项研究项目，结果表明一级评价方法的平均误差最大。一级评价方法出现这种情况的原因是所评估缺陷的深度剖面形状的不规则性。二级评估方法预测的失效压力更为接近实际试验结果。尽管二级评估方法更为精确，但计算的复杂度和工作量远大于一级评估方法。因此，需要一种更有效、更准确的方法来评估不规则形状缺陷的失效压力。
发明内容
针对不规则形状缺陷深度轮廓的复杂性，对影响不规则形状缺陷失效压力的两个主要因素进行研究：评估长度和等效形状。评估长度包括最有可能发生故障的区域。评估长度越精确，预测结果越精确。由于失效发生在缺陷最深处或者相互作用的深部缺陷的连接处，因此需要研究深部缺陷之间的相互作用。
本发明采用的技术方案为：一种不规则缺陷管道内压作用下的失效压力计算方法，首先根据深腐蚀之间相互作用的轴向极限距离，确定不规则缺陷评价长度；然后在考虑不同深浅腐蚀缺陷深度和长度的比值的基础上，对不同不规则度的不规则缺陷进行有限元计算，确定不同不规则度的不规则缺陷的等效形状和有效深度，根据评价长度和有效深度对不规则形状缺陷进行失效压力评估；
该方法包括以下步骤：
a)轴向极限间距计算：
将不规则形状的缺陷细分为理想的“片腐蚀”和“腐蚀坑”，“片腐蚀”是长度为Ls和深度为ds的浅腐蚀缺陷，“腐蚀坑”是长度为Li和深度为di的深腐蚀缺陷，其中i＝1,2,3，…
浅腐蚀缺陷的失效压力pshallow：
Figure BDA0002633812790000031
进而计算与浅腐蚀缺陷具有相同失效压力pshallow的“等效”管道的有效厚度te和有效管径De：
Figure BDA0002633812790000032
Figure BDA0002633812790000033
其中：t是管壁厚度，D是管道直径，te是有效厚度，De是有效直径，ds是浅腐蚀缺陷的深度，Ls是浅腐蚀缺陷的长度，Qs为浅腐蚀缺陷的长度修正系数，σu是抗拉强度；
b)评估范围内缺陷轴向投影的长度Leval和面积Aeval的计算：
对于不规则缺陷的轴向投影，不规则形状缺陷的评估长度为相互作用的深腐蚀缺陷左右两侧(sL)lim范围，(sL)Lim是两个深腐蚀缺陷之间的极限纵向间距；
Figure BDA0002633812790000034
相互作用准则：
Figure BDA0002633812790000035
和
Figure BDA0002633812790000036
式中，SL是轴向间距，SC是环向间距，(SC)Lim是轴向极限间距。
根据以上作用规则判断相邻深腐蚀缺陷之间是否存在相互作用；经判断后相互作用的相邻深腐蚀缺陷n和m，对于相互作用的相邻深腐蚀缺陷n到m的组合长度Lnm为：
Figure BDA0002633812790000041
其中：Lm是深腐蚀缺陷m的长度，Li是深腐蚀缺陷i的长度，Si是深腐蚀缺陷i和深腐蚀缺陷i+1之间的纵向间距，其中：i＝n,n+1,…m；
再由相邻深腐蚀缺陷的组合长度计算不规则形状缺陷的评估长度Leval和评估范围内的轴向投影面积Aeval，当(sL)Lim≥LL或(sL)Lim≥LR，以浅腐蚀缺陷的左或右边界作为评估边界；评估范围内缺陷轴向投影的长度Leval和面积Aeval可计算如下：
Leval＝Lnm+min((SL)lim,LL)+min((SL)lim,LR) (6)
Figure BDA0002633812790000042
其中：Lnm是相邻深腐蚀缺陷n到m的组合长度，LL是浅腐蚀缺陷左边界与左侧深腐蚀缺陷的距离，LR是浅腐蚀缺陷右边界与最右侧深腐蚀缺陷距离，(sL)Lim是两个深腐蚀缺陷之间的极限纵向间距；Li为深腐蚀缺陷i的长度，di为深腐蚀缺陷i的深度，ds是浅腐蚀缺陷的深度；c)有效深度的计算：
相互作用缺陷n到m组合缺陷的有效深度dnm，如下式所示：
Figure BDA0002633812790000043
不规则形状缺陷的等效形状主要由深腐蚀缺陷与浅腐蚀缺陷的深度比dd/ds决定，深腐蚀缺陷dd等于缺陷n到m组合缺陷的有效深度dnm，根据ds,dnm计算不规则形状缺陷的形状参数α：
Figure BDA0002633812790000044
当α＝1时，等效形状为矩形；当α＝2/3时，等效形状为抛物线；当2/3<α<1时，等效形状介于矩形和抛物线之间；根据形状参数α计算有效深度deff：
Figure BDA0002633812790000051
d)不规则缺陷失效压力评估
结合Leval和deff计算评估范围内缺陷的失效压力pnm；
Figure BDA0002633812790000052
Figure BDA0002633812790000053
式中p0为无缺陷管道的失效压力，Pnm为评估范围内缺陷的失效压力，Qeval为评估长度范围内缺陷的长度修正系数；对于其他具有相互作用的相邻深腐蚀缺陷：缺陷n1至m1，n2至m2，……；重复步骤5-10以获得失效压力pn1m1，pn2m2，……，直到所有相互作用相邻缺陷被评估；最终得到不规则形状缺陷的失效压力pf：
pf＝min(pnm,pn1m1,pn2m2,…) (13)
pf为所有互作用的相邻深腐蚀缺陷失效压力的最小值。
本发明的有益效果为：本文采用实体有限元模型对不规则形状缺陷的失效压力进行了实例研究。前5个实例由1个浅腐蚀缺陷和2个深腐蚀缺陷组成，后20个实例由1个浅腐蚀缺陷和1个深腐蚀缺陷组成。深腐蚀缺陷包含在浅腐蚀缺陷内。分析了深腐蚀缺陷的长度、深度和轴向间距对不规则形状缺陷失效压力的影响。根据深腐蚀缺陷相互作用的轴向极限间距，得到不规则缺陷失效压力的评价长度。并依据不规则形状缺陷深度剖面的不规则性，将缺陷分为三类：第一类缺陷的轴向投影形状可以等效为矩形，第三类缺陷的轴向投影形状可以等效为抛物线，第二类缺陷的轴向投影的等效形状介于矩形和抛物线之间。基于等效形状的有效深度和评价长度，提出了一种预测不规则形状缺陷管道失效压力的新方法。采用该方法对不规则形状缺陷管道的失效压力进行了预测，结果与不同等级管道的试验结果吻合较好。该方法的标准差仅略高于DNV-RP-F101法(复杂形状)，其稳定性与其它评估方法相当。在现有评价方法中，有效面积法的误差最小，其次是DNV-RP-F101法(复杂缺陷)。对于不规则形状缺陷管道的爆破试验，本申请中方法的平均误差为2.94％，是所有评价方法的最小值。与现有评价方法中误差最小的有效面积法相比，误差降低了76.25％。
附图说明
图1是不规则形状的评价长度。
图2是有效深度的示意图。
图3是含有两个深腐蚀缺陷的不规则缺陷尺寸的示意图。其中：
LL＝LR＝(Ls-L1-L2-S1)/2w＝(ws-w1)/2。
图4是失效压力随轴向间距的变化图。
图5是含有一个深腐蚀缺陷的不规则缺陷示意图，其中：
LL＝LR＝(Ls-Ld)/2；w＝(ws-w1)/2。
图6是不同dd/ds工况的失效压力变化(Ld/Ls＝0.5,wd/ws＝0.5)。
图7是不同Ld/Ls工况的失效压力变化(dd/ds＝2.0,wd/ws＝0.5)。
图8是组合2有效深度对比图。
图9是组合3不同有效深度对比图。
图10是α和dd/ds关系图。
具体实施方式
本发明提供了一种不规则缺陷管道失效压力的评价方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
步骤为：首先根据深部缺陷的相互作用确定评估长度；然后，根据评估长度范围内不规则形状缺陷的不规则性，将不规则形状缺陷等效为相应的规则形状；最后，根据等效形状的有效深度deff和评估长度Leval，采用DNV-RP-F101(单个缺陷)的评估方法计算失效压力。将不规则形状的缺陷细分为理想的“片腐蚀”和“腐蚀坑”，“片腐蚀”是长度Ls和深度ds的浅腐蚀缺陷，“腐蚀坑”是长度Li和深度di(i＝1,2,3，…)的深腐蚀缺陷。具体细分方法见DNV-RP-F101。计算浅腐蚀缺陷的失效压力：pshallow，进一步计算与“浅腐蚀缺陷”具有相同失效压力(pshallow)的“等效”管道的有效厚度te和有效管径De。再根据相互作用准则(
Figure BDA0002633812790000071
和
Figure BDA0002633812790000072
)，判断相邻深腐蚀缺陷之间是否存在相互作用。相互作用的相邻深腐蚀缺陷再计算其组合长度，对于缺陷n到m组合长度Lnm；计算不规则形状缺陷的评估长度：Leval和评估范围内缺陷的轴向投影面积：Aeval。计算相互作用缺陷n到m组合缺陷的有效深度；再根据ds,dnm和上式计算不规则形状缺陷的形状参数α(dd＝dnm)。进一步根据形状参数α，计算有效深度deff；结合Leval和deff计算评估范围内缺陷的失效压力(pnm)，对于其他具有相互作用的相邻深腐蚀缺陷：缺陷n1至m1，n2至m2，……。重复步骤以获得失效压力pn1m1，pn2m2，……，直到所有相互作用相邻缺陷被评估。不规则形状缺陷的失效压力(pf)应取所有相邻缺陷失效压力的最小值。
对于不规则缺陷的轴向投影，不规则形状缺陷的评估长度为相互作用的深腐蚀缺陷左右两侧(sL)lim范围，(sL)Lim是两个深腐蚀缺陷之间的极限纵向间距。对于相互作用的深腐蚀缺陷n到m，不规则形状缺陷的评估长度如图1所示。ws,和wi(i＝n,n+1,…m)分别是浅腐蚀缺陷和深腐蚀缺陷i的宽度。Ls和Li分别为浅腐蚀缺陷和深腐蚀缺陷i的长度。Si是深腐蚀缺陷i和深腐蚀缺陷i+1之间的纵向间距。Lnm是相邻深腐蚀缺陷n到m的组合长度。当(sL)Lim≥LL或(sL)Lim≥LR，以浅腐蚀缺陷的左或右边界作为评估边界。评估范围内缺陷轴向投影的长度Leval和面积Aeval可计算如下：
Figure BDA0002633812790000073
Leval＝Lnm+min((SL)lim,LL)+min((SL)lim,LR) (2)
Figure BDA0002633812790000074
根据DNV-RP-F101(单个缺陷)、RSTRENG 085dL方法和RPA方法，缺陷投影的等效形状主要在“矩形”和“抛物线”之间。投影的不同等效形状可以得到不同的有效深度。缺陷的轴向投影面积是评价腐蚀缺陷管道失效压力的关键参数。因此，缺陷的轴向投影面积应保持不变。对于轴投影面积为A的缺陷，矩形等效形状的有效深度为：drect＝Aeval/Leval，抛物线等效形状为：dpara＝Aeval/(2/3Leval)，混合等效形状的有效深度为：d0.85＝Aeval/(0.85Leval)。不同有效深度示意图如图2所示。drect是最小的，dpara是最大的，d0.85是中间值。
为了获得不规则形状缺陷的真实有效深度，采用DNV-RP-F101(单个缺陷)计算失效压力。不规则形状缺陷的有效深度可按式(4)和式(5)计算。根据有效深度deff与深度参数：drect,dpara和d0.85的关系，得到不同不规则缺陷的等效形状。
Figure BDA0002633812790000081
Figure BDA0002633812790000082
Figure BDA0002633812790000083
式中p0为无缺陷管道的失效压力，pf为不规则缺陷管道的失效压力，Qeval为评估长度范围内缺陷的长度修正系数。
(1)深部缺陷之间的极限轴向间距
根据式(2)，评估长度取决于深部缺陷之间的极限轴向间距(sL)lim，必须研究深腐蚀缺陷之间的相互作用。采用一个浅腐蚀缺陷含有两个深腐蚀缺陷的工况进行研究。分析了两个深腐蚀缺陷轴向间距对内压承载力的影响，缺陷形状如图3所示。不规则形状缺陷的大小和情况如表1所示。
基础工况的缺陷中浅腐蚀缺陷只含有一个深腐蚀缺陷，其破坏压力为：(pf)BC＝19.02MPa。该工况是其他含有两个深腐蚀缺陷工况的基础。从不规则缺陷工况1-1～1-4，深腐蚀缺陷的轴向间距从32mm增加到128mm。
表1含有两个深腐蚀缺陷的不同工况参数
Figure BDA0002633812790000084
Figure BDA0002633812790000091
用不规则工况1-1～1-4与基础工况的失效压力之比来描述深腐蚀缺陷间距对失效压力的影响。当pf/(pf)BC比值等于或大于0.99时，深腐蚀缺陷之间不存在相互作用。以上工况的有限元结果及是否存在相互作用见表2。
表2不规则工况的失效压力
Figure BDA0002633812790000092
对于不规则缺陷工况1-1～1-3的失效压力与相应基础工况的失效压力之比随无量纲轴向间距的变化如图4所示。结果表明，随着轴向间距
Figure BDA0002633812790000093
的增加，pf/(pf)BC比值不断增加，深腐蚀缺陷间的相互作用对不规则形状缺陷失效压力的影响不断减小。当轴向间距超过
Figure BDA0002633812790000094
后，比值pf/(pf)BC随间距的变化较小，趋于统一。此时可以忽略深腐蚀缺陷的相互作用对腐蚀管道失效压力的影响。深腐蚀缺陷的极限轴向间距为：
Figure BDA0002633812790000095
必须指出的是，根据DNV-RP-101中不规则缺陷管道失效压力评估方法，对于深腐蚀缺陷的承载力评估，应采用与“浅腐蚀缺陷”相同内压承载力的“等效管道”。
Figure BDA0002633812790000096
Figure BDA0002633812790000097
Figure BDA0002633812790000101
其中te和De分别是有效厚度和有效直径。pshallow为浅腐蚀缺陷的失效压力，Qs为浅腐蚀缺陷的长度修正系数。
由此可知te＝7.2，深腐蚀缺陷的“等效”管道直径为452.5mm，壁厚为7.2mm。因此，极限轴向间距无量纲系数：
Figure BDA0002633812790000102
接近DNV-RP-F101对于相互作用缺陷提出的系数2。考虑到DNV-RP-F101相互作用规律的保守性，不规则形状缺陷中深腐蚀缺陷相互作用规律符合DNV-RP-F101提出的判定准则。深腐蚀缺陷间的极限轴向间距由式(11)得到，评估长度由式(1)和式(2)得到。
Figure BDA0002633812790000103
(2)深度剖面的不规则度和等效形状
不规则形状缺陷失效压力评估的难点在于缺陷深度剖面的不规则性。等效形状与缺陷的不规则程度有关。最大缺陷深度d与缺陷平均深度dave的比值(dave＝A/L)是深度剖面不规则程度的度量。d/dave比值大于或等于1.0且小于或等于1.2的缺陷属于规则形状缺陷(1.0≤d/dave＜1.2)。d/dave比值大于1.2的缺陷被归类为不规则形状缺陷(d/dave≥1.2)。
由于多个深腐蚀缺陷的相互作用可以等效为一个缺陷，因此采用浅腐蚀缺陷中含有一个深腐蚀缺陷的不规则形状缺陷分析不规则程度与等效形状之间的关系。不规则形状缺陷的形状如图5所示，其中wd，Ld和dd分别为深腐蚀缺陷的宽度、长度和深度；ws，Ls和ds分别为浅腐蚀缺陷的宽度、长度和深度。
Figure BDA0002633812790000104
由式(12)可知，不规则形状缺陷深度剖面的不规则程度主要受深腐蚀缺陷和浅腐蚀缺陷的深度比和长度比的影响。本文分析了dd/ds和Ld/Ls对失效压力的影响。表3列出了深腐蚀缺陷的尺寸和工况，其中浅腐蚀缺陷的尺寸保持不变。组合二中每个工况的dd都不同，用于分析dd/ds对失效压力的影响；组合三中每个工况的Ld不同，用于分析Ld/Ls对失效压力的影响，实例中评估长度均是缺陷的总长度。
表3含有一个深腐蚀缺陷的不规则缺陷参数
Figure BDA0002633812790000111
1.2.1 dd/ds对失效压力的影响
失效压力用无量纲pf/p0表示，其中p0可由式(4)计算得到。组合2中每种情况的有限元结果见表4。
表4组合2失效压力
Figure BDA0002633812790000112
Figure BDA0002633812790000121
图6显示了不规则形状缺陷的破坏压力相对于dd/ds的变化。可以看出，随着dd/ds的增大，管道的失效压力明显下降，dd/ds越大，失效压力pf下降速度越快。
1.2.2 Ld/Ls对失效压力的影响
组合3中每种工况的有限元结果见表5。
表5组合3失效压力
Figure BDA0002633812790000122
图7显示了失效压力相对于Ld/Ls的变化，由图中可以看出，随着Ld/Ls的增加，管道的失效压力明显降低。结果表明，不规则形状的深腐蚀缺陷与浅腐蚀缺陷的长度之比对失效也有显著影响。压力随着压力的增加，破坏压力呈线性下降。但与图6相比，随着Ld/Ls的增加，失效压力的下降速率基本保持不变。可以看出，dd/ds对失效压力的影响比Ld/Ls更为显著。
(3)不规则缺陷的等效形状
分别计算不同等效形状的有效深度。组合2不同有效深度的对比如图8所示。由图8可以看出，抛物线形状的有效深度对预测失效压力最为保守，矩形形状的有效深度对预测失效压力最为危险。
从不规则2-1到不规则2-9工况可以看出，随着dd/ds的增加，deff和dpara逐渐接近，deff和drect之间的差别越来越大。当1.00<dd/ds<1.64时，deff与drect相接近；当1.64<dd/ds<3.00,时，deff逐渐接近dpara；当3.00<dd/ds<3.50时，deff与dpara相接近。结果表明，随着不规则形状缺陷dd/ds和d/dave的增加，不规则缺陷的不规则度不断增加，不规则形状缺陷与矩形等效缺陷之间的差异越来越大，不规则缺陷的等效性状更接近中间具有深度极值的抛物线形状。
组合3不同有效深度的比较如图9所示。由图中可以看出deff介于drect和d0.85之间。当Ld/Ls趋于0或1时，deff接近于drect。结果表明，随着深部缺陷长度的增加，Ld/Ls值越来越大，深部缺陷深度极值点对整个缺陷形状的影响越来越小，不规则缺陷深度剖面的不规则性逐渐减小。随着缺陷不规则度的减小，不规则形状缺陷在内压作用下的破坏模式与矩形形状缺陷的破坏模式相差越来越近，不规则形状缺陷与抛物线形状缺陷的破坏模式相差越来越大。
对于组合3的不规则形状缺陷(0.1≤Ld/Ls≤0.6)，drect/deff基本不变。不规则形状缺陷的drect/deff平均值为0.945，该值与不规则缺陷工况2-4(drect/deff＝0.94)的值基本一致，不规则工况2-4和组合三的dd/ds相同，由此可知，不规则形状缺陷的等效形状主要由深腐蚀缺陷与浅腐蚀缺陷的深度比(dd/ds)决定，与深腐蚀缺陷与浅腐蚀缺陷的长度比(Ld/Ls)无关。
由于不规则形状缺陷的等效形状主要由深腐蚀缺陷与浅腐蚀缺陷的深度比(dd/ds)决定，因此采用组合二的情况来分析不规则形状缺陷的等效形状。根据图8中不同有效深度的比较，抛物线形状的有效深度dpara为真实有效深度deff的上限，矩形形状的有效深度drect为真实有效深度deff的下限。不规则形状缺陷的等效形状分为三类，如表8所示。三个类别的两个分界点是d/dave＝1.2和d/dave＝1.5。d/dave＝1.2为规则形状和不规则形状的分界点；考虑到对于标准抛物线形状：d/dave＝d/(A/L)＝d/(2/3*d)＝1.5，因此d/dave＝1.5被认为是抛物线形状的分界点。这两个分界点与图6中有效深度的转折点是一致。
表6不规则缺陷的等效形状
Figure BDA0002633812790000131
为了分析不规则形状缺陷的等效形状，采用形状参数α＝drect/deff来表示不同的等效形状。当α＝1时，等效形状为矩形；当α＝2/3时，等效形状为抛物线；当2/3<α<1时，等效形状介于矩形和抛物线之间。
选取不规则2-2到2-8工况(1.14＜d/dave＜1.51)分析过渡形状区间α与dd/ds的关系，如图10所示。利用线性曲线拟合二者之间的关系，根据式(13)得到两个分界点的坐标：α＝1，dd/ds＝1.6；α＝2/3，dd/ds＝3.1。由式(13)可以得到不规则形状的形状参数。
Figure BDA0002633812790000141
(4)评估方法的验证
新的失效压力评估方法是首先基于相互作用的深腐蚀缺陷得到评估长度，然后依据评估长度内缺陷的不规则性，得到等效形状和有效深度，最后依据评估长度和有效深度评估失效压力。根据巴西国家石油公司的研究项目，利用不规则形状缺陷的试验破坏压力数据对本文提出的评价方法进行了验证。实验试样为采用火花冲蚀法加工的具有外部不规则腐蚀缺陷的管道。这些管道由中高强度钢制成：X60和X80，试验数据列于表7。管道的材料性能是通过试样的单轴拉伸试验确定的，所有管道的试验参数范围和缺陷几何尺寸见表8。
表7实验数据
Figure BDA0002633812790000142
表8管道尺寸和材料性能
Figure BDA0002633812790000143
实测和预测的失效压力见表9。ASME-B31G、RSTRENG 085dL、RPA和DNV-RP-F101(单个缺陷)评估方法采用最大腐蚀深度d和缺陷长度L计算失效压力，DNV-RP-F101(复杂缺陷)和有效面积评估方法采用缺陷长度L和深度剖面计算失效压力。
表9实测和预测的失效压力
Figure BDA0002633812790000151
为了证明新的不规则形状缺陷评估方法的优越性，不同评估方法的误差比较如表10所示。根据表10中平均误差和标准差，新方法的标准差仅略高于DNV-RP-F101法(复杂形状)，其稳定性不明显低于其它评估方法。在现有评价方法中，有效面积法的误差最小，其次是DNV-RP-F101法(复杂缺陷)。对于不规则形状缺陷管道的爆破试验，本文提出的评价方法的平均误差为2.94％，是所有评价方法的最小值。与现有评价方法中误差最小的有效面积法相比，误差降低了76.25％。
表10失效压力预测误差
Figure BDA0002633812790000152
Note：误差＝(预测值-实验值)/实验值*100；平均误差＝∑|误差|/6。

Claims (1)

1.一种不规则缺陷管道内压作用下的失效压力计算方法，其特征在于：首先根据深腐蚀之间相互作用的轴向极限距离，确定不规则缺陷评价长度；然后在考虑不同深浅腐蚀缺陷深度和长度的比值的基础上，对不同不规则度的不规则缺陷进行有限元计算，确定不同不规则度的不规则缺陷的等效形状和有效深度，根据评价长度和有效深度对不规则形状缺陷进行失效压力评估；
该方法包括以下步骤：
a)轴向极限间距计算：
将不规则形状的缺陷细分为理想的“片腐蚀”和“腐蚀坑”，“片腐蚀”是长度为Ls和深度为ds的浅腐蚀缺陷，“腐蚀坑”是长度为Li和深度为di的深腐蚀缺陷，其中i＝1,2,3，…；浅腐蚀缺陷的失效压力pshallow：
Figure FDA0002633812780000011
进而计算与浅腐蚀缺陷具有相同失效压力pshallow的“等效”管道的有效厚度te和有效管径De：
Figure FDA0002633812780000012
Figure FDA0002633812780000013
其中：t是管壁厚度，D是管道直径，te是有效厚度，De是有效直径，ds是浅腐蚀缺陷的深度，Ls是浅腐蚀缺陷的长度，Qs为浅腐蚀缺陷的长度修正系数，σu是抗拉强度；
b)评估范围内缺陷轴向投影的长度Leval和面积Aeval的计算：
对于不规则缺陷的轴向投影，不规则形状缺陷的评估长度为相互作用的深腐蚀缺陷左右两侧(sL)lim范围，(sL)Lim是两个深腐蚀缺陷之间的极限纵向间距；
Figure FDA0002633812780000014
相互作用准则：
Figure FDA0002633812780000015
和
Figure FDA0002633812780000016
式中，SL是轴向间距，SC是环向间距，(SC)Lim是轴向极限间距。
根据以上作用规则判断相邻深腐蚀缺陷之间是否存在相互作用；经判断后相互作用的相邻深腐蚀缺陷n和m，对于相互作用的相邻深腐蚀缺陷n到m的组合长度Lnm为：
Figure FDA0002633812780000021
其中：Lm是深腐蚀缺陷m的长度，Li是深腐蚀缺陷i的长度，Si是深腐蚀缺陷i和深腐蚀缺陷i+1之间的纵向间距，其中：i＝n,n+1,…m；
再由相邻深腐蚀缺陷的组合长度计算不规则形状缺陷的评估长度Leval和评估范围内的轴向投影面积Aeval，当(sL)Lim≥LL或(sL)Lim≥LR，以浅腐蚀缺陷的左或右边界作为评估边界；评估范围内缺陷轴向投影的长度Leval和面积Aeval可计算如下：
Leval＝Lnm+min((SL)lim,LL)+min((SL)lim,LR) (6)
Figure FDA0002633812780000022
其中：Lnm是相邻深腐蚀缺陷n到m的组合长度，LL是浅腐蚀缺陷左边界与左侧深腐蚀缺陷的距离，LR是浅腐蚀缺陷右边界与最右侧深腐蚀缺陷距离，(sL)Lim是两个深腐蚀缺陷之间的极限纵向间距；Li为深腐蚀缺陷i的长度，di为深腐蚀缺陷i的深度，ds是浅腐蚀缺陷的深度；
c)有效深度的计算：
相互作用缺陷n到m组合缺陷的有效深度dnm，如下式所示：
Figure FDA0002633812780000023
不规则形状缺陷的等效形状主要由深腐蚀缺陷与浅腐蚀缺陷的深度比dd/ds决定，深腐蚀缺陷dd等于缺陷n到m组合缺陷的有效深度dnm，根据ds,dnm计算不规则形状缺陷的形状参数α：
Figure FDA0002633812780000031
当α＝1时，等效形状为矩形；当α＝2/3时，等效形状为抛物线；当2/3<α<1时，等效形状介于矩形和抛物线之间；根据形状参数α计算有效深度deff：
Figure FDA0002633812780000032
d)不规则缺陷失效压力评估
结合Leval和deff计算评估范围内缺陷的失效压力pnm；
Figure FDA0002633812780000033
Figure FDA0002633812780000034
式中p0为无缺陷管道的失效压力，Pnm为评估范围内缺陷的失效压力，Qeval为评估长度范围内缺陷的长度修正系数；采用相同方法获得其他具有相互作用的相邻深腐蚀缺陷的失效压力：缺陷n1至m1，n2至m2，……；对应失效压力pn1m1，pn2m2，……，直到所有相互作用相邻缺陷被评估；最终得到不规则形状缺陷的失效压力pf：
pf＝min(pnm,pn1m1,pn2m2,…) (13)
pf为所有互作用的相邻深腐蚀缺陷失效压力的最小值。
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