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海底輸油管道在服役過程中，由于輸送介質中腐蝕性物質的存在，管道內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系到管道能否正常安全運行，而且，隨著時間的延長，腐蝕缺陷將進一步發(fā)展，管壁處于不斷減薄狀態(tài)，這一過程給管道安全運行帶來了極大的危害。統(tǒng)計表明，內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)服役或修復或更換，以避免資源的浪費和環(huán)境的污染。
實踐證明有限元分析方法是預測腐蝕管線剩余強度的一種有效工具。本文利用非線性有限元法對帶軸向腐蝕缺陷管道剩余強度進行計算，與實驗數(shù)據(jù)對比，并研究了分析了缺陷尺寸剩余強度的影響，為工程應用提供參考。
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。由于缺陷形狀復雜，為了準確地模擬腐蝕缺陷，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)點六面體等參單元。模型中只考慮內壓對管壁的作用，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處設置較多的劃分份數(shù)，保證缺陷及附近區(qū)域網(wǎng)格劃分較細密，避免過大的應力集中。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冪硬化應力-應變法則代替材料的真實應力應變曲線，可以較好地反映材料屈服后的硬化性能。
失效準則采用Bin fu在1995年提出的基于塑性失效的準則，即屈服強化階段結束時，或者缺陷處的最小Von Mises應力達到極限抗拉強度（UTS）時，管道發(fā)生塑性失效，否則是安全的。該準則經(jīng)試驗驗證，具有較高的精度，采用這一準則比較合理。在三維主應力空間，Von Mises條件表示。
模擬過程中，對內壓載荷劃分一系列的增量，在管道內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。當缺陷處的等效應力接近拉伸強度時，載荷步更小，直至Von Mises等效應力達到拉伸強度時結束加載，此時的內壓即為管道的失效壓力。
利用文獻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，與實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證。
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驗爆破結果較接近，預測值誤差較小，最大誤差為4.8%。除6號管道出現(xiàn)不安全預測值外，其余結果均偏于安全，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�？梢钥闯錾疃扰c失效壓力之間存在著一定的非線性關系，近似成二次曲線關系。圖中深度增加10%時，失效壓力減小值高達4.6 MPa，因此深度對失效壓力的影響很大。當缺陷較長時，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論。
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