基于有限元法的含凹陷油氣管道應(yīng)變分析

陳健++雷錚強等

摘要： 為對含凹陷的油氣管道進行更合理的完整性評價，采用有限元法模擬管道在承受外部巖石擠壓時的應(yīng)變分布，討論凹陷深度、管道壁厚和擠壓體大小等參數(shù)對應(yīng)變的影響.結(jié)果表明：在相同條件下，最大等效應(yīng)變隨凹陷深度增大而增大；在同樣深度條件下，管壁較厚處的凹陷最大等效應(yīng)變較大；擠壓體半徑越大，凹陷的輪廓越光滑，應(yīng)變集中程度越小；管材等級對等效應(yīng)變的影響很小.該方法和結(jié)論可用于改進凹陷評價方法和風(fēng)險排序.

關(guān)鍵詞： 油氣管道； 凹陷； 完整性評價； 失效； 風(fēng)險排序； 應(yīng)變； 有限元法

中圖分類號： TE88文獻標志碼： B

0引言管道是油氣運輸?shù)闹饕侄危俏覈茉摧斔偷拇髣用}.截止到2013年底，我國長輸油氣管道總長度已達10.6萬km，預(yù)計到2015年將達15萬km.油氣管道在我國國民經(jīng)濟建設(shè)中起重要作用.但是，長輸油氣管道壓力高、管徑大，一旦發(fā)生失效，會導(dǎo)致嚴重的后果.

凹陷是由于管道與其他物體的物理接觸導(dǎo)致管道橫截面發(fā)生變形，是長輸油氣管道的最常見缺陷之一.凹陷可能發(fā)生在管道施工期間，由搬運、回填過程中的碰撞或巖石障礙等原因?qū)е拢灰部赡馨l(fā)生在管道服役期間，由挖掘設(shè)備、巖石等外物的壓砸等原因?qū)е?凹陷對管道安全運行的影響表現(xiàn)在2個方面：一方面，凹陷會引起管體局部應(yīng)力、應(yīng)變集中，尤其當(dāng)凹陷與裂紋、劃傷或焊縫缺陷相關(guān)時，容易導(dǎo)致管道發(fā)生斷裂失效；另一方面，凹陷縮減管道的有效內(nèi)徑，進而影響管內(nèi)介質(zhì)的輸送，同時阻礙清管器和內(nèi)檢測器等設(shè)備在管中的正常運行，給管道的管理帶來困難.因此，如何對含凹陷管道進行合理的完整性評價和有針對性的修復(fù)成為亟待解決的問題.

2基于有限元的凹陷應(yīng)變分析

2.1有限元模型

對于實際的含凹陷管道，其應(yīng)力、應(yīng)變分布很難測量，而在有限元模擬中可以很方便地獲得應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)，有助于判斷含凹陷管體的最危險位置，更好地研究管體的失效行為.對于管道凹陷的有限元模擬，其難點在于問題的非線性，同時需要考慮接觸非線性、幾何非線性和材料非線性.

本文以Φ720 mm的X70鋼管道為主要研究對象，模擬管道在巖石擠壓下的變形，重點分析等效應(yīng)變的分布和最大值.對于管線鋼的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，使用RambergOsgood本構(gòu)模型描述.擠壓巖石選用花崗巖的材料參數(shù)，由于擠壓巖石相對于被擠壓管道來說剛度要大得多，因此可以直接使用線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.模擬中使用的主要材料參數(shù)見表1.

材料密度/（kg/m3）彈性模量/GPa屈服強度/MPa抗拉強度/MPa

管材（X70）7.8206483570

巖石（花崗巖）2.6780

為更好地模擬被擠壓管道的非線性行為，同時合理減少計算時間，使用高階殼結(jié)構(gòu)單元SHELL 281作為管體的單元類型，擠壓巖石使用高階實體結(jié)構(gòu)單元SOLID 186.擠壓巖石與管道之間的接觸采用面面接觸進行定義.由于被擠壓管道剛度較低，將其定義為“目標面”，使用三維目標單元TARGE 170.擠壓巖石剛度較大，將其定義為“接觸面”，使用三維8節(jié)點接觸單元CONTA 174.

最終劃分的有限元網(wǎng)格見圖2.由于被擠壓管道僅在局部產(chǎn)生較大變形，所以只截取被擠壓側(cè)1/2管道進行建模.擠壓巖石假定為球形，同樣也只截取1/2建模.

2.2模擬結(jié)果和分析

圖3給出Φ720 mm×8 mm的X70鋼管道被4 mm半徑球形巖石擠壓出10%管道外徑深度凹陷后的等效應(yīng)變分布圖，可以看到等效應(yīng)變最大值出現(xiàn)在凹陷底部最深處，達到0.339，往外迅速減小，距離凹陷較遠處應(yīng)變很小.

表2給出Φ720 mm×8 mm的X70鋼管道被4 mm半徑球形巖石分別擠壓出5%，10%，15%和20%管道外徑深度凹陷后的模擬結(jié)果.在同樣條件下等效應(yīng)變最大值隨著凹陷深度增大而增大，可見，在同樣條件下，凹陷越深對管道完整性的影響越大.

表3給出壁厚分別為8，9和10 mm的Φ720 mm X70鋼管道被4 mm半徑球形巖石擠壓出5%管道外徑深度凹陷后的模擬結(jié)果，可見，在同樣條件下等效應(yīng)變最大值隨著壁厚增大而增大.這是由于管道壁厚越大剛度越大，產(chǎn)生同樣深度的凹陷實際應(yīng)變集中程度越大.因此，在同樣深度條件下，應(yīng)優(yōu)先修復(fù)壁厚較大處的凹陷.

表4給出Φ720 mm×8 mm的X70鋼管道分別被4，8和10 mm半徑球形巖石擠壓出5%管道外徑深度凹陷后的模擬結(jié)果，可見，在同樣條件下等效應(yīng)變隨著擠壓巖石的半徑增大而減小.這是由于擠壓巖石半徑越大，凹陷的輪廓越平滑，應(yīng)變集中程度也越小.因此，在同樣深度條件下，應(yīng)優(yōu)先修復(fù)軸向長度或環(huán)向?qū)挾容^小的凹陷.

表5給出Φ720 mm×8 mm的X70和X52鋼管道分別被4 mm半徑球形巖石擠壓出5%管道外徑深度凹陷后的模擬結(jié)果.結(jié)果表明：兩者的等效應(yīng)變最大值非常接近，X70鋼管道的結(jié)果稍大于X52鋼管道的.這是由于被擠壓管道的變形主要由剛度決定，不同等級管材的彈性模量相近，只是強度有所區(qū)別，因此，剛度相近，變形程度也相近.X70鋼管道剛度略高，因此產(chǎn)生同樣深度的凹陷實際應(yīng)變集中程度略大.還需要指出：當(dāng)管材為X52時，求解所需要的時間大幅度增加.這是由于單元剛度越低，非線性程度越大，為滿足收斂條件進行迭代計算的次數(shù)也越多.因此，在使用有限元進行非線性分析時，經(jīng)常會在合理的范圍內(nèi)人為提高剛度以減少計算時間.在凹陷等管體變形模擬中也可以視情況考慮使用這種做法.

3結(jié)論

針對油氣管道凹陷評價問題，采用有限元法模擬管道在承受外部巖石擠壓時的應(yīng)變分布，討論凹陷深度、管道壁厚和擠壓體大小等參數(shù)對等效應(yīng)變最大值的影響.研究結(jié)果表明：有限元模擬可以得到工程實際中難以測量的應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)，有助于凹陷失效風(fēng)險的評估.本文的分析方法和結(jié)論可用于驗證和改進基于應(yīng)變的凹陷評價方法，也對凹陷風(fēng)險排序和制定修復(fù)計劃提供指導(dǎo).

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（編輯于杰）