腐蝕海底管道懸跨段抗震可靠性分析

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1、第51卷第5期I匕工設(shè)備與管道、，01．51NO．52014年1O月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGOct．20l4腐蝕海底管道懸跨段抗震可靠性分析韓文海，周晶(大連理工大學建設(shè)工程學部，遼寧大連116024)摘要為研究腐蝕海底管道懸跨段的抗震可靠性，根據(jù)腐蝕的隨機性，基于馬爾科夫鏈理論，建立了管線腐蝕模型。提出懸跨段管道的簡化計算模型，推導出其在地震作用下軸向位移和軸向應(yīng)力的表達式。利用MonteCarlo方法求出了軸向位移和軸向應(yīng)力反應(yīng)的均值和標準差。根據(jù)建立的腐蝕海底管道失效的極限狀態(tài)方程，分析了腐蝕懸跨管道在計算時間的抗震可靠性。為實際工程中對海底管道

2、進行抗震可靠性分析提供了參考。關(guān)鍵詞海底管道；懸跨段；馬爾科夫鏈；管道地震響應(yīng)；抗震可靠度中圖分類號：TQ055．81；TH123文獻標識碼：A文章編號：1009．3281(2014)05—0075．004中國沿海及鄰域瀕臨世界上最活躍的地震生長率隨時間變化較大，而在長度方向上隨時間變化帶——環(huán)太平洋地震帶【l】，中國海域地震占全國地震不大，為簡化計算，假定長度方向的腐蝕缺陷生長率總數(shù)的85％t。鋪設(shè)在海底面上的管線由于海底面高近似為0【l?。因此，表征缺陷尺寸的函數(shù)關(guān)系式為：低不平，懸跨線的出現(xiàn)不可避免；海流長期沖刷、掏Id=ao+vdAt管線腐蝕深度，，、蝕也會在海底泥

3、沙和管線之間形成孔洞。地震時，由Ib=60+△f管線腐蝕徑向?qū)挾扔趹铱绻芫€海底支承處的地震位移和加速度及地震式中do，b為管線初始的腐蝕深度和腐蝕徑向引起的動水壓力，會對管線安全造成威脅【3】。隨著越寬度，對于新管可取為0；v，為管線在深度和徑來越多的海底管道進入使用階段的中后期，輸送介質(zhì)向的腐蝕速度；△為時間間隔。對管道內(nèi)壁的腐蝕已成為導致管道損壞的主要原因?qū)τ隈R爾可夫過程，當已知事物的現(xiàn)在狀態(tài)時，之一[4]。因此，對腐蝕海底管道懸跨段進行抗震可就可以預(yù)測其未來的狀態(tài)(即馬爾可夫鏈的無后效靠性分析顯得尤為重要。很多文獻基于數(shù)值或是試性)。對于油氣鋼管的腐蝕過程而言，其檢測

4、時的腐驗的方法研究了海底管線懸跨段的動力特性和地震蝕狀態(tài)直接關(guān)系到將來的發(fā)展狀態(tài)，即認為將來的腐響應(yīng)p。文獻[8．10]對埋地管線在腐蝕或地震作用蝕狀態(tài)僅與檢測時的腐蝕狀態(tài)有關(guān)，其腐蝕過程具有下的可靠性進行了研究。而對懸跨段管線在腐蝕和地馬爾可夫過程的特點?]。震作用下的可靠性研究鮮見于公開文獻。采用馬爾可夫鏈來模擬管線腐蝕，管線的狀態(tài)本文利用馬爾可夫鏈推導給出了海底管線面積分為腐蝕狀態(tài)和非腐蝕狀態(tài)。令管線服役時間為，腐蝕率隨服役時間變化的概率分布。隨后，給出了懸離散為k個相等時間段。假定腐蝕僅發(fā)生在時間跨段管線在地震作用下的軸向位移和軸向應(yīng)力反應(yīng)表段的端點時刻ti=iAt

5、(i=1??，約，即取馬爾可夫鏈的達式，利用MonteCarlo方法求出了腐蝕管線在地震離散點為ti=iAt，且發(fā)生腐蝕的概率均為P。由上述激勵下軸向位移和軸向應(yīng)力反應(yīng)的均值和標準差。建假定，馬爾可夫鏈的一步轉(zhuǎn)移矩陣為：立了海底管線在地震作用下的極限狀態(tài)方程，結(jié)合算例利用一次二階矩方法進行了管線的抗震可靠度分析。收稿日期：2014—04—09基金項目：973項目課題“深海柔性結(jié)構(gòu)非線性流固耦合振動與1基于馬爾可夫鏈的海底管線腐蝕模型破壞機理”(2011CBOI3702)。作者簡介：韓文海(1989一)，男，內(nèi)蒙古通遼市人，碩士研究生。一般而言，腐蝕缺陷在深度方向和徑向方向的

6、主要從事海底管道極限承載力和運行可靠性方向研究。76化工設(shè)備與管道第5l卷第5期根據(jù)各個管段在交界處的位移連續(xù)性，在i管段P：[：]=[p]c2與1管段交界處有(，t)IXt=AIi~"+l(+I，t)；0(10)管線初始狀態(tài)為7t=(10)，在ti時刻管線發(fā)生i次狀態(tài)轉(zhuǎn)移，則t，時刻管線的狀態(tài)為：可解得：Pi+l=Piexp(aAli)(11){y態(tài)㈩給出邊界條件，在管段l的端點處有：所以管線在t時刻發(fā)生腐蝕的概率為：(=。)P(專一。=0,4=1)=(1一pP(4)解得：在ti時刻，根據(jù)式(4)可得，管線截面面積腐=(13)蝕率為：將式(13)代入式(8)、式(9)中，

7、可以求fH=VbVdO-iYAt／(5)各個管段在地震作用下的軸向位移與應(yīng)力。應(yīng)用上述式中A。為管線完好時的截面面積。基于馬爾可夫鏈求得的腐蝕管線剩余有效面積，利腐蝕管線剩余有效面積為，則有：rli=A0(卜莓)。用MonteCarlo方法求出腐蝕管線在地震激勵下軸向其概率分布為：位移和軸向應(yīng)力反應(yīng)的均值和方差，具體步驟為]：(6)(1)根據(jù)式(6)，計算腐蝕剩余有效截面面積：的概率分布。2腐蝕海底管道懸跨段地震響應(yīng)(2)根據(jù)計算的概率值將[0-1]區(qū)間劃分為若干個互不相交的區(qū)間。對于海底管線的非均勻腐蝕，管線不同