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海底輸油管道在服役過程中，由于輸送介質(zhì)中腐蝕性物質(zhì)的存在，管道內(nèi)壁上不可避免地會出現(xiàn)大量的腐蝕缺陷。管道表面存在的腐蝕缺陷直接關(guān)系到管道能否正常安全運(yùn)行，而且，隨著時間的延長，腐蝕缺陷將進(jìn)一步發(fā)展，管壁處于不斷減薄狀態(tài)，這一過程給管道安全運(yùn)行帶來了極大的危害。統(tǒng)計表明，內(nèi)腐蝕是造成石油管道破壞失效的主要原因，占管道破壞失效事故的30%~50%。正確地評價管道剩余強(qiáng)度，以便在管道未發(fā)生事故前及時做出正確的決策-繼續(xù)服役或修復(fù)或更換，以避免資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。
實(shí)踐證明有限元分析方法是預(yù)測腐蝕管線剩余強(qiáng)度的一種有效工具。本文利用非線性有限元法對帶軸向腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行計算，與實(shí)驗數(shù)據(jù)對比，并研究了分析了缺陷尺寸剩余強(qiáng)度的影響，為工程應(yīng)用提供參考。
根據(jù)對稱性可取完整管道模型的四分之一建立三維管道模型。由于缺陷形狀復(fù)雜，為了準(zhǔn)確地模擬腐蝕缺陷，同時考慮到建模的方便建模時將其簡化為規(guī)則的均勻壁厚陷，缺陷端部以光滑圓弧面過渡。在管道對稱面上施加對稱約束，縱向剖開的管壁截面上的垂直位移為零。假設(shè)管道無限長，腐蝕區(qū)管段相對很短，不考慮管道水平方向的位移，則管道無缺陷的一端的軸向位移為零。單元采用三維20節(jié)點(diǎn)六面體等參單元。模型中只考慮內(nèi)壓對管壁的作用，忽略其他載荷的作用。劃分網(wǎng)格時缺陷處的線條相對缺陷遠(yuǎn)處設(shè)置較多的劃分份數(shù)，保證缺陷及附近區(qū)域網(wǎng)格劃分較細(xì)密，避免過大的應(yīng)力集中。同時在管壁厚度方向上劃分兩層網(wǎng)格，保證計算的準(zhǔn)確性。劃分網(wǎng)格后的幾何模型如圖所示。
計算模型中采用Ramberg-Osgood冪硬化應(yīng)力-應(yīng)變法則代替材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以較好地反映材料屈服后的硬化性能。
失效準(zhǔn)則采用Bin fu在1995年提出的基于塑性失效的準(zhǔn)則，即屈服強(qiáng)化階段結(jié)束時，或者缺陷處的最小Von Mises應(yīng)力達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度（UTS）時，管道發(fā)生塑性失效，否則是安全的。該準(zhǔn)則經(jīng)試驗驗證，具有較高的精度，采用這一準(zhǔn)則比較合理。在三維主應(yīng)力空間，Von Mises條件表示。
模擬過程中，對內(nèi)壓載荷劃分一系列的增量，在管道內(nèi)部逐步施加壓力載荷。管道處于彈性階段時施加較大的載荷步，開始屈服時以較小的載荷步施加載荷。當(dāng)缺陷處的等效應(yīng)力接近拉伸強(qiáng)度時，載荷步更小，直至Von Mises等效應(yīng)力達(dá)到拉伸強(qiáng)度時結(jié)束加載，此時的內(nèi)壓即為管道的失效壓力。
利用文獻(xiàn)中缺陷管道的失效壓力數(shù)據(jù)，采用非線性有限元方法計算缺陷管道的極限失效壓力，與實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。
通過對比發(fā)現(xiàn)，非線性有限元求解的極限失效壓力與實(shí)驗爆破結(jié)果較接近，預(yù)測值誤差較小，最大誤差為4.8%。除6號管道出現(xiàn)不安全預(yù)測值外，其余結(jié)果均偏于安全，證明有限元分析方法是評估腐蝕管線的極限強(qiáng)度的一種可行方法。
利用有限元分析缺陷管道的失效壓力與缺陷長度、深度和寬度的關(guān)系。圖中l(wèi)表示缺陷長度，d為缺陷深度，c為缺陷寬度，t為管道壁厚。管道參數(shù)：管徑323.9 mm，壁厚9.8 mm。
當(dāng)腐蝕長度和寬度不變時，隨著深度的增加，管道的失效壓力明顯地減小。腐蝕深度越大，失效壓力減小的速度越快。可以看出深度與失效壓力之間存在著一定的非線性關(guān)系，近似成二次曲線關(guān)系。圖中深度增加10%時，失效壓力減小值高達(dá)4.6 MPa，因此深度對失效壓力的影響很大。當(dāng)缺陷較長時，隨著深度的增加，失效壓力變化很大，下降的非常快。從圖3中可以看出，對于同一深度和寬度的腐蝕缺陷，當(dāng)長度增加時失效壓力不斷減小，且隨著缺陷長度的增大，失效壓力減小的速度變慢。當(dāng)長度增加到400 mm左右時，長度的增加對失效壓力的影響很小。長度相同時，深度較大的缺陷失效壓力較小，同時也驗證了圖的結(jié)論。
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