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背景简介

管道运输作为石油、天然气、氢气、二氧化碳等流体介质的核心输送方式，具有成本低、效率高、连续性强的优势。然而，管道经常内遭油气侵蚀、外受环境腐蚀，内壁与外壁不可避免地产生腐蚀缺陷。这些缺陷会显著降低管道的爆破压力，威胁运输安全。尽管已有大量研究通过有限元法或实验法分析腐蚀缺陷对管道爆破压力的影响，但学者们大多孤立地研究内（或外）腐蚀缺陷管道爆破压力。对于内、外腐蚀管道爆破压力之间关系尚不明确。如何建立精确的力学模型，分析内、外腐蚀管道爆破压力之间的关系，是腐蚀管道安全评估领域亟待解决的问题。针对上述问题，杭州电子科技大学陈占锋老师团队，以长腐蚀缺陷管道为研究对象，研究了内压作用下，内腐蚀缺陷管道的爆破压力与外腐蚀缺陷管道爆破压力之间的关系。研究首次发现：内压作用下，内、外腐蚀缺陷对管道的威胁高度一致。

成果介绍

（1）发现内、外腐蚀缺陷对管道爆破压力的影响具有一致性规律

有限元法是一种常用数值计算方法，作者基于有限元法计算外腐蚀缺陷管道（图1（a））的爆破压力，计算结果与实验数据吻合。作者基于有限元法计算内腐蚀缺陷管道（图1（b））的爆破压力，计算结果与行业标准（DNV-RP-F101）吻合。研究发现，基于有限元法得到的内腐蚀缺陷管道爆破压力，与基于实验得到的外腐蚀缺陷（与内腐蚀缺陷等深等宽）管道爆破压力，大小基本相等，两者具有高度一致性。

（2）基于一致性规律，提出内、外腐蚀管道爆破压力的统一预测方程

该团队摒弃传统简化模型，提出腐蚀管道的双圆弧模型（Double Arc Model，DCA），图1(c)。该模型由两个偏心圆构成，通过调整偏心距精确表征腐蚀深度。双圆弧模型不仅贴合真实缺陷形态，还能避免局部应力集中，为理论分析提供了数学基础。基于DCA模型，该团队开发出可预测内、外腐蚀缺陷的爆破压力的方程：

其中n为材料应变强化系数；δ为偏心距；t为壁厚；D为直径；

研究发现，方程（1）不仅可以预测内腐蚀管道的爆破压力(详见Chen et al. J. Pet. Sci. Eng., 2017.)，还可以预测外腐蚀管道爆破压力。外腐蚀管道爆破压力的预测结果与有限元法相比，最大误差为12%，平均误差为5.75%；与实验数据相比，最大误差为14%，平均误差为5.87%，可满足工程需求。

图1 腐蚀管道的力学模型

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（No.51805127）和中国博士后科学基金（No.2021M693504）资助。本文第一作者及通讯作者：陈占锋 (杭州电子科技大学) 。

本期小编 陈占锋（整理）

姚辰霖（校对）

郭子键（审核）

董乃健（发布）