精准构建Abaqus腐蚀管道有限元模型

管道在石油和天然气工业中非常普遍，尤其是在炼油厂中。炼油厂尽可能高效地运行以降低成本。降低效率的一个主要因素是在整个精炼过程中发现的金属部件的腐蚀，特别是导致管壁变薄现象。腐蚀会导致设备故障并决定炼油厂的维护计划，在此期间必须关闭部分或整个炼油厂。

一项研究表明，截至 1998 年，美国石油工业与腐蚀相关的直接成本估计为每年 37 亿美元。此外，当发生悲剧袭击时，情况变得更糟。例如，2011 年 10 月，加拿大萨斯喀彻温省里贾纳的 CCRL 原油精炼厂发生爆炸，管道腐蚀导致 52 人受伤，损失估计为 1 亿美元，更不用说灾难后的停机时间了。

腐蚀减薄现象

可以通过扫描感兴趣的管道部分来捕获由于腐蚀导致的壁变薄。可以对扫描的数据进行处理，以在 excel 中以圆柱坐标输出，得到沿轴向不同位置的壁厚数据，如下面的平面图所示。

有限元模型

可以在 Abaqus/CAE 中构建具有内径的管道的简单壳模型，并使用壳单元进行网格划分。要定义由于腐蚀导致的壁厚变薄，可以使用映射关键字来定义节点厚度。下面显示的是由于 Abaqus/CAE 中管道腐蚀引起的厚度变化。‍

ASME B31 管道压力规范

ASME B31 是压力管道行业中广泛使用的规范，可用于计算管道的最大允许工作压力 (MAOP)。根据代码，我们可以使用以下公式计算管道工业中使用的典型材料 ASTM A106B 的屈服强度为 35000Psi 的无缺陷管道的 MAOP。

根据公式，计算得出的未腐蚀管道的 MAOP 为 2441Psi。将此压力应用于 FEA 模型上的腐蚀（左）和未腐蚀管道（右）会产生如下所示的结果。

该图显示了 MAOP 压力载荷下的变形模式和放大变形，很明显，一旦发生腐蚀，径向变形是不均匀的。还可以清楚地看到，根据 ASME B31G ，当压力达到MAOP， 腐蚀管道已发生屈服失效。因此很明显，由于腐蚀造成的缺陷会严重降低管道的性能，因此必须重新计算 MAOP 以找到新的安全工作压力。

安全工作压力

有限元技术提供了反向计算腐蚀管道上的安全工作压力的可能性，通过使用它，我们能够找到新安全工作压力大约 为1200Psi 。相应的环向应力小于屈服，如下所示， 这可能是腐蚀管道的新极限运行压力。

ASME B31 规范提供了基于现有腐蚀缺陷重新计算安全操作压力的方法。该公式基于管道中缺陷的最大深度，如下所示。

根据该等式，发现新计算的安全工作压力约为 916Psi。这里必须注意，这通常比基于 FEA 的评估更保守，因为在腐蚀情况下缺陷大小影响可以认为是相当大的，不容易准确定义。

将 ASME B31 规范中的保守安全操作压力应用到 FEA 模型显示结果如下：可以注意到，环向应力远低于屈服极限，约为屈服的 75%。

结论

本研究的主要目的是开发一种使用 ABAQUS 有限元建模的快速准确的过程，以精确建模管道中的腐蚀并评估适用的 MAOP。FEA 计算的新压力与 ASME B31G 中的保守安全操作压力进行了对比，发现该估计值相当不错，但更准确。

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