Schaffung eines umfassenden Ansatzes für den Umgang mit gleichzeitig auftretenden Belastungen
Kombination von Bewertungsmethoden
Pipelines können erheblichen Belastungen ausgesetzt sein, die sich auf den Fehldruck von Anomalien wie Korrosion auswirken können. Obwohl es eine Vielzahl von Bewertungen gibt, weisen diese oft Einschränkungen auf. In diesem Artikel wird die Möglichkeit der Kombination verschiedener bestehender Methoden zur Bereitstellung einer effizienten und zuverlässigen Bewertung sowie die Validierung dieses Ansatzes erörtert.
Wir wissen, dass Pipelines in der Regel unter Berücksichtigung der Innendruckbelastung bewertet werden, aber Pipelines können auch zusätzlichen axialen Druckspannungen ausgesetzt sein, z. B. durch Wärmeausdehnung, Bögen oder Bodenbewegungen. Wenn diese Druckspannungen signifikant werden, können sie mit dem Innendruck interagieren und den Versagensdruck einer Anomalie senken. Wenn diese Spannungen nicht berücksichtigt werden, können einige Bewertungen daher zu nicht konservativen Ergebnissen führen.
Es wurden Methoden entwickelt, um Korrosion unter kombinierter Belastung zu berücksichtigen, wie z. B. die vom Southwest Research Institute entwickelten Ansätze oder die von Petrobras entwickelte RPA-PLLC-Methode. Die am weitesten verbreitete Methode ist jedoch die Druckmethode DNVGL-RP-F101.
Diese Methode hat jedoch einige Anwendungsbeschränkungen. Da sie eine Flächenapproximation auf der Grundlage der Gesamtkorrosionslänge und der maximalen Tiefe jeder zu bewertenden Anomalie verwendet, berücksichtigt sie nicht das Profil der Korrosion. Wenn Anomalien komplexe Profile aufweisen, kann diese einfache Flächenapproximation je nach Profil zu einer übermäßig konservativen Schätzung des Versagensdrucks führen.
Umgekehrt ermöglichen die weithin anerkannten Bewertungsmethoden „Modified ASME B31G“ und „Detailed RStreng“ die Berücksichtigung des Korrosionsprofils, aber diese Bewertungen bewerten nur Ausfälle aufgrund von Innendruckbelastung. Tatsächlich verweist ASME B31G den Benutzer in diesen Fällen auf ein umfassenderes Dokument zur Gebrauchstauglichkeit.
Um diese beiden Probleme zu lösen, schlugen wir vor, die Logik innerhalb der DNVGL-Bewertung auf die modifizierten B31G- und detaillierten RStreng-Bewertungen anzuwenden, damit Anomalien, die einer kombinierten Belastung unterliegen, berücksichtigt werden können, während gleichzeitig das Profil der Korrosion berücksichtigt wird.
Der technische Aspekt
Die DNVGL-Methode geht davon aus, dass die Versagensfläche der Form des Tresca-Versagenskriteriums folgt, und ein Versagen wird als gegeben angenommen, wenn die effektive Spannung der Fließspannung entspricht. Der Tresca-Ansatz basiert auf Prinzipien des Engineerings und ist daher nicht speziell auf die DNVGL-Versagensdruckgleichung bezogen. Logischerweise glauben wir daher, dass er auch auf andere Methoden angewendet werden kann.
Bei der DNVGL-Druckmethode wird der Versagensdruck zunächst nur anhand der Gleichung für die Innendruckbelastung geschätzt. Um den Einfluss zusätzlicher Druckspannungen zu berücksichtigen, wird ein linearer Korrekturfaktor (H1) auf die anfängliche Schätzung des Versagensdrucks angewendet. Wenn H1 kleiner als 1 ist, wird der Versagensdruck der Anomalie aufgrund des Einflusses der Druckspannung reduziert. Wenn die Spannung nicht signifikant genug ist, erfolgt keine Reduktion der anfänglichen Schätzung des Versagensdrucks.
Wenn man die Gleichungen für den Versagensdruck von DNVGL und Modified B31G vergleicht, sind sie sich sehr ähnlich, wenn man nur die Innendruckbelastung betrachtet. Drei wesentliche Unterschiede sind die Fließspannung, der Ausbeulfaktor und die Flächenannahme. Bei der Änderung der Modified B31G-Gleichung haben wir den von DNVGL verwendeten Tresca-basierten Korrekturfaktor übernommen.
Durch die Kombination der standardmäßigen modifizierten B31G-Gleichung für die Innendruckbelastung mit dem auf Tresca basierenden Korrekturfaktor ergibt sich eine vorgeschlagene neue modifizierte B31G-Gleichung, die verwendet werden kann. Dieselbe Logik kann auch auf andere Methoden angewendet werden, wie z. B. die Original-B31G-Methode, um sicherzustellen, dass die entsprechenden Definitionen für den Ausbauchungsfaktor und den Profilfaktor gemäß den für die spezifischen Bewertungsmethoden definierten verwendet werden. Am interessantesten ist jedoch der detaillierte RStreng-Ansatz, bei dem das Profil der Korrosion berücksichtigt werden kann.
Obwohl der erste Vergleich vielversprechend war, musste die Methode validiert werden.
Den Ansatz validieren
Zur Validierung der Ergebnisse der neu modifizierten Gleichungen verwendeten wir die Ergebnisse von 27 Bersttests im Originalmaßstab, mit weiterer Unterstützung durch eine parametrische Studie auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM), die 28 FEM-Simulationen umfasste.
Die parametrische FEA-Studie war besonders nützlich, da bei Tests in Originalgröße in der Regel nur einzelne Anomalien mit flachem Boden berücksichtigt werden und die FEA es uns ermöglichte, ein viel breiteres Spektrum an Korrosionsprofilen zu berücksichtigen. Dies war ein wichtiger Aspekt für die detaillierte RStreng-Druckmethode, da sie es uns ermöglichte, das Korrosionsprofil zu berücksichtigen.
Für jede Simulation wurde eine API-579-Stufen-3-Festigkeitsbewertung durchgeführt, um den Versagensdruck unter kombinierter Belastung (d. h. Innendruck und axiale Kompression) zu schätzen. Die Vergleiche für jede Druckmethode unter Berücksichtigung der Testdaten im Originalmaßstab und der FEA-Simulationen sind in den folgenden Diagrammen dargestellt.
In den Diagrammen stellt die x-Achse den Versagensdruck dar, der aus den Tests im Originalmaßstab oder der Finite-Elemente-Methode (FEM) gewonnen wurde, und die y-Achse stellt den Versagensdruck dar, der durch die verschiedenen Gleichungen zur Druckbewertung vorhergesagt wurde. Punkte unterhalb der roten Linie zeigen, dass die vorhergesagte Versagensspannung aus den Gleichungen im Hinblick auf die Ergebnisse der FEM oder der Tests im Originalmaßstab konservativ ist.
Die prognostizierten Versagensspannungen unter Verwendung einfacher Flächenapproximationen (DNVGL und Modified B31G) sind vergleichbar und weisen im Vergleich zu den FEA-Simulationen beide ein relativ hohes Maß an Konservativität auf. Dies ist zu erwarten, da die FEA-Fälle speziell für die Berücksichtigung komplexerer Korrosionsprofile konzipiert wurden. Beim Vergleich dieser mit den Versagensspannungsvorhersagen unter Verwendung der Detailed RStreng-Methode wird deutlich, dass die Detailed RStreng-Ergebnisse deutlich weniger konservativ waren als die FEA-Simulationen, da die Korrosionsprofile berücksichtigt werden konnten.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde davon ausgegangen, dass die vorgeschlagenen modifizierten kombinierten Belastungsmethoden sichere Vorhersagen liefern.
Case Study
Um den potenziellen Nutzen einer profilbasierten Bewertung bei erheblicher Druckbelastung zu demonstrieren, wurde eine Fallstudie für eine 20-Zoll-Pipeline mit einer maximalen Betriebstemperatur von 90 °C betrachtet. Diese Leitung wurde mit einem Ultraschall-Wanddickenmessgerät (UT) inspiziert, das eine ausgedehnte äußere Korrosion am Rohrumfang mit einer großen Anzahl komplexer Korrosionsbereiche feststellte, die typischerweise axial lang waren und eine erhebliche Umfangserstreckung sowie unterschiedliche Tiefenprofile aufwiesen. Das Beispielbild zeigt einen repräsentativen Korrosionscluster, der vom UT-ILI-Tool gemeldet wurde; der UT-C-Scan ist oben und das zugehörige Flussbodenprofil unten dargestellt.
Die Anzahl der prognostizierten Reparaturen/Untersuchungen wurde anhand der DNVGL- und der detaillierten RStreng-Druckbelastungsmethode berechnet. Die in der folgenden Tabelle dargestellten Ergebnisse zeigen einen deutlichen potenziellen Nutzen der neu vorgeschlagenen Methoden.
Fazit
Um die Korrosion unter kombinierter Innendruck- und Druckbelastung unter Berücksichtigung des Korrosionsprofils zu bewerten, wurden Änderungen an den Ansätzen „Modified B31G“ und „Detailed RStreng“ vorgenommen. Die Ergebnisse dieser Modifikationen wurden anhand von Testdaten in Originalgröße und FEA-Simulationen validiert, und es wurde festgestellt, dass beide modifizierten Ergebnisse sichere Vorhersagen liefern. Insbesondere der detaillierte RStreng-Ansatz lieferte sichere Vorhersagen, führte jedoch auch zu weniger konservativen Ergebnissen als die einfachen Flächenapproximationen in DNVGL oder Modified B31G. Dies ermöglicht die Verwendung einer effektiven Flächenmethode, wenn die Druckbelastung signifikant ist.