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Engineering Failure Analysis 66 (2016) 60–71
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Engineering Failure Analysis
j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / e n g f a i l a n a l
考虑腐蚀损伤随机性及其随机增长的腐蚀管道可靠性预测
Oleksiy Larin a, , Evgeny Barkanov b, Oleksii Vodka a
- National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Department of Dynamics and Strength of Machines, Frunze str., 21, Kharkiv 61002, Ukraine
- Riga Technical University, Institute of Materials and Structures, Kalku str.1, Riga LV-1658, Latvia
a r t i c l e i n f o a b s t r a c t
Article history:
Received 26 April 2015
Received in revised form 22 March 2016 Accepted 31 March 2016
Available online 13 April 2016
Keywords:
Corroded pipe-line Monte-Carlo simulations Reliability
Corrosion defect with random shape
本文研究考虑其随机空间形状的腐蚀损伤管段变形状态和应力集中的概率特征。调查是基于3D有限元模型完成的。针对管道上表面腐蚀区域的直接实体建模开发了一种特殊算法。基于所开发的算法创建一系列具有体积表面缺陷的具有随机形状的管道的3D模型。在Monte-Carlo模拟的框架下对腐蚀缺陷的不同统计参数的可能应力集中值进行了分析。系统响应的统计分析允许我们获得最大应力集中变化的条件概率密度函数。这是考虑到最大腐蚀深度的水平。这些信息以及从参考文献中获得的腐蚀速率的统计数据使我们有可能提出一种方法来评估运行中腐蚀管道的可靠性。
copy; 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.
1.简介
腐蚀损伤是一种众所周知的操作缺陷，发生在不同类型的管道中。腐蚀会导致管道表面出现空洞。通常，这些空腔具有复杂的形状，并且其尺寸与管道的尺寸相比较小。然而，由于随着时间的推移导致管道穿孔的环境的影响，它们可以增加。这样的事件当然会导致紧急情况。
在其他工程设计中发生的管道系统失效以及腐蚀缺陷的发生引起工程师和研究人员对腐蚀开始及其增长的分析，建模和预测的兴趣。
在各种研究工作中，分析腐蚀对设计机械强度，可靠性和剩余寿命的影响非常重要。腐蚀缺陷的面积具有复杂的随机和非光滑表面，导致该局部区域的应力集中。由于腐蚀导致管道厚度变化，因此应根据3D模型对其强度进行分析。然而，一些简化通常用于腐蚀墙体强度的工程分析。例如，腐蚀管道的剩余强度可以分析为管道在其最薄弱点处的强度，其中管道壁的厚度被认为减小到最深的腐蚀等级。
另一种流行的简化方法是基于简单几何体的腐蚀区域的示意图，如椭球体或箱体缺陷[12-15]。在该领域已经获得了许多结果[7,15-17]，其描述了体积表面缺陷（VSD）的参数（例如尺寸，深度，位置等）对变形状态的依赖性和管道或其他机械设计中的应力集中。在分析不同参数的几种缺陷组合对管道应力状态的影响时，获得了重要结果[5,11]。密切相关的缺陷对彼此的强大影响是可观的。因此，使用最弱点标准对腐蚀管道的剩余强度进行估算在实践中并不合理。
文献提供了一种有趣的方法，它使用空间随机场来描述钢结构中的非均匀腐蚀模式。在当前的工作中也会使用使用腐蚀表面的随机几何体的想法。
尽管大量论文集中在对腐蚀管道强度的分析上，但仍有许多未经调查的问题。因此，这些作品[5,12]涉及用VSD分析管弯头的应力状态。结果表明，这种曲线几何形状的腐蚀损伤导致更高的应力集中。管道系统的其他结构单元（减速器，接头，三通，龙头，阀门等）可能会出现同样的情况。
此外，应该指出的是，大多数论文都涉及剩余强度的分析[7,14-17,19]，但没有对腐蚀管道的可靠性（耐久性）进行估算，如[24]中所做的那样。然而，预测其剩余使用寿命和估计无故障运行的可能性具有重要的实际意义，因为它们提供了维修工程规划，风险评估等方面的信息，特别是因为腐蚀管道的强度是由于缺陷增长的过程而随时间减少。
腐蚀增长过程的研究也是许多论文的重点。这个过程的实验观察[3,4,20,21]和计算机/数学模拟[4,22,23]都是科学研究的焦点。
对腐蚀过程的探索[4,24]表明腐蚀损伤的发生是随机的，取决于材料的微观结构，表面处理，表面缺陷的存在以及其他环境因素。研究成果对坑深度概率特性的研究给予了高度重视。收集统计数据并分析在不同环境条件下运行的腐蚀管[4]。提出了几种仿真算法[3,6]，以随机的方式对坑深度增长过程进行建模。模拟使我们能够使用腐蚀深度超过管壁厚度的标准来解决管道可靠性估计问题[14,25]。然而，在这些调查中，腐蚀管的应力状态没有得到适当的分析。如上所述，考虑到材料的VSD几何形状和可能的塑性行为，应使用3D模型（有限元模型）对应力集中进行详细分析。此外，对管道可靠性的充分估计应该考虑腐蚀损伤的两个性质：随时间的随机增长和不规则的空间形状。
2. 研究内容
这项工作涉及考虑其随机空间形状的腐蚀损伤的管段的变形状态和应力集中的概率特征的探索。 调查是基于3D有限元模型完成的。 已经开发了一种用于构造具有随机形状的VSD的管道模型的算法，其允许进行Monte-Carlo模拟以分析腐蚀损伤的不同统计参数的可能应力集中值。 这项工作提出了一种基于管道内应力状态的概率特性的有限元模拟和固定内部压力下管道腐蚀速率的统计数据来估算正在运行的腐蚀管道的可靠性的方法。
3. 对腐蚀缺陷的管道剩余寿命的估计
预测腐蚀管道的剩余可靠性具有很大的实际用途，因为它提供了管理维修工作和估算风险的可能性。作为时间的函数的管道的非故障操作的概率是提供用于估计剩余寿命的足够信息的主要特征。参考文献包括腐蚀深度随机增长的许多细节（实验观察，统计数据和模型）。然而，在分析管道可靠性和机械断裂造成的故障时，直接使用这些信息并不合适。由于受腐蚀损坏的管道的应力集中不仅限于最大坑深度，而且受腐蚀表面的几何形状限制，只要封闭坑影响彼此的应力状态。因此，即使在固定的最大腐蚀深度下，受影响区域的随机表面的腐蚀建模也能够在腐蚀区域内随机分布可能的应力水平。因此，在可靠性分析中，我们有两个不同的随机事件：腐蚀管的随机腐蚀增长过程和条件随机变形状态相对于固定缺陷深度。即管道的无故障运行概率（P（t））是两个随机事件的联合概率：
- -第一个是当前时间t，腐蚀缺陷的最大深度低于管壁厚度;
- 第二个是其临界在腐蚀区域内的应力集中，当前最大深度将低于值。
由于腐蚀深度随时间变化，并且腐蚀区域的应力取决于腐蚀深度以及操作压力，因此可以获得腐蚀管道的可靠性，作为非故障操作的可能性，其中
其中t - 是管道运行时间，xi;max--最大腐蚀深度，h--管道壁厚，q--管道中导致电流应力状态sigma;的工作压力，sigma;cr--临界应力水平。根据连续随机过程xi;max（t）和随机变量sigma;（xi;max）的概率密度函数，
根据联合事件概率的公理，它是在第一个事件被实现的假设下，第一个事件的概率和第二个事件的条件概率的乘积
因此，对管道可靠性的分析需要识别两个概率密度函数（PDF）：fsigma;和fxi;，它描述了由于腐蚀和腐蚀生长过程导致的管道内应力集中的概率特性。 最后的PDF（fxi;）被建议从文献中的统计数据中知道，但是本文中的第一个条件PDFfsigma;（sigma;│xi;max）被建议通过一系列的随机损坏的FE建模从统计模拟中获得 管道。
4. 腐蚀模型
主管道的一个片段用几何，材料特性和载荷建模，这与API Spec 5L / ISO 3183：2007相对应。该模型的几何方案如图1所示。结构尺寸的下列值用于计算：管道外半径R = 161.95毫米;壁厚h = 9.6mm;研究的管道部分的长度L = 3m。那些对应于times;42管道等级。在多次初步测试后，管段的长度是经过后验选择的，当模型中的边缘效应不影响管道调查部分的变形状态时。管道截面由内部压力q加载并固定在其边缘上，如图1所示。所研究类型管道的内部压力标称值为q0 = 3 MPa，并且在启动/停止状态下它可以增加到qmax = 6MPa的值。
初步的线性分析表明，管道损坏区域的应力超过材料的屈服应力sigma;y= 290 MPa，因此需要进行非线性分析。应力 - 应变曲线通过使用冯米塞斯 - 希尔可塑性的双线性各向同性硬化模型来近似。该模型使用两个参数：弹性模量E = 210 GPa和切线
模量Et = 636MPa。材料极限应力极限为sigma;u= 410 MPa。所描述的模型允许获得等于qr = 26.3MPa的管爆裂压力，这与DNV-RP-F101中呈现的数据非常吻合。
随机几何体积的表面缺陷在管道上表面的中心建模。 VSD的主要参数是刻板圆的中间半径，它可以示意性地描述损伤面积R0 = 100毫米。我们只分析没有主导方向的缺陷，不管是纵向的还是圆周的。
一般而言，缺陷的几何形状随机形状以及随机表面（定义腐蚀深度）由两个独立的随机函数描述：R和xi;。 R被假定为具有零均值和0.1R0标准偏差的高斯随机变量。 xi;是一个对数正态变量，假设并通过大量工作实验证实[4,14,17,19,23]。
VSD的腐蚀表面是通过根据以下算法在随循环中创建的一组随机放置的关键点上建立表面蒙皮：根据以下算法，使用先前定义的离散化水平：
- 在每次主迭代中，phi;i角的值是固定的，并且获得随机变量Ri的当前值，则a
嵌套循环开始;
- 通过找到R0和Ri之和来计算在设定的角度范围内的腐蚀区域的半径，则该长度除以
所需的点数（Neta;），
然后确定腐蚀区表面关键点的极坐标（phi;i，rho;j）（图2）。
从（phi;i，rho;j）值计算局部坐标（eta;i，gamma;i）;
- 最后一个关键点坐标xi;ij被设置为每对坐标（phi;i，rho;j）的随机变量xi;的当前值。
所有的几何结构都是在特定的局部曲线坐标系中进行的，位于腐蚀区的标称中心（点O#39;），如图3所示。
建模技术中所使用的角度段数量和关键点数量应根据腐蚀面的波动率设定。在这项研究中，根据一系列不同的数值试验，将模型参数设置为15％的代表性腐蚀区域尺寸。腐蚀表面的高波动率导致平滑的腐蚀表面，因此所产生的模型相当于简化的腐蚀缺陷模型（类似于盒子或椭圆形状）。腐蚀表面波动率的较低值常常导致模型中存在局部凹坑。这种情况对于点蚀是常见的。然而，在这种情况下提出的算法会导致几何变形并且不能使用。因此，目前的工作仅限于调查没有点蚀的情况。作者建议使用另一种程序来模拟管道的点蚀[28]。
使用该算法开发了许多不同的模型。这些模型进一步用于统计分析受损管道腐蚀区域的可能应力集中。
研究期间获得的一些腐蚀表面的例子显示在图4中。
为了研究腐蚀损伤对管道截面应力应变状态的影响，采用蒙特卡罗方法。为了实现它，特殊的宏已经被开发出来。采用有限元方法确定了管段的应力 - 应变状态参数。在腐蚀的管道上生成的FE网格的一个例子显示在图5中。
宏自动创建有限元模型并计算应力 - 应变状态参数。在目前的研究中，统计模拟被用来获得应力集中的PDF和固定的最大腐蚀深度。因此，使用宏得到的每个模型在该模型中的腐蚀深度的最大值（xi;max）上进行分析和分类。然后，统计数据库已经根据可能的腐蚀最大深度（从0.3h到0.9h）分成几个类别进行了准备。重复模拟，每个类别累积100条记录，使得可以提供统计分析
Fig. 2. A sketch describing the algorithm of the VSD geometry constructions.
64 O. Larin et al. / Engineering Failure Analysis 66 (2016) 60–71
Fig. 3.两个缺陷管道的参数化草图。
在腐蚀深度为fsigma;（sigma;│xi;max）的固定水平的缺陷区域中，应力的条件概率密度函数（PDF）。
为了获得具有不同的可
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