凹陷缺陷對(duì)輸氣管道強(qiáng)度的影響

李 根，李相蓉

（中石油西南油氣田公司輸氣管理處，成都610041）

凹陷缺陷對(duì)輸氣管道強(qiáng)度的影響

李 根，李相蓉

（中石油西南油氣田公司輸氣管理處，成都610041）

為了研究凹陷缺陷對(duì)輸氣管道強(qiáng)度的影響，以X70級(jí)φ610 mm×7.1 mm輸氣管道為例，通過有限元軟件ANSYS針對(duì)凹陷缺陷對(duì)內(nèi)壓管道的受力狀況進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，凹陷深度對(duì)內(nèi)壓管道承載能力影響最大。同時(shí)對(duì)不同距離的雙重凹陷缺陷對(duì)內(nèi)壓天然氣管道的峰值應(yīng)力的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，距離大于300mm的兩個(gè)凹陷之間無相互作用。

有限元分析；凹陷；雙凹陷；天然氣管道

1 在役天然氣管道狀況

根據(jù)美國運(yùn)輸部門的報(bào)告，管道機(jī)械損傷是管道事故最主要的原因之一[1]。凹陷是機(jī)械損傷中最典型的形式。管道在運(yùn)輸、安裝、服役過程中，容易造成凹陷缺陷，從而引起較大的彎曲應(yīng)力，使管道的承載能力降低。除此之外，凹陷缺陷還有可能產(chǎn)生其他的缺陷，例如焊接缺陷、金屬損失等，從而引起更大的應(yīng)力集中。

中石油西南油氣田公司輸氣管理處北內(nèi)環(huán)支線于2008年5月建成投產(chǎn)，管道規(guī)格為φ610mm×7.1 mm，管道材質(zhì)為X70管線鋼，性能參數(shù)見表1。管線長(zhǎng)度26.33 km，設(shè)計(jì)壓力4.0 MPa，運(yùn)行壓力2.67 MPa，設(shè)計(jì)輸氣量600萬m3/天，運(yùn)行輸氣量為232萬m3/天。該管線于2011年11月進(jìn)行了漏磁檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)多處凹陷特征，典型凹陷的三維尺寸見表2。對(duì)其中尺寸較大的凹陷缺陷進(jìn)行開挖驗(yàn)證（如圖1所示），輸氣管道上凹陷的深度約35 mm，長(zhǎng)度約300 mm。

表1 X70管線鋼性能參數(shù)

表2 X70級(jí)φ610 mm×7.1 mm管道凹陷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖1 開挖驗(yàn)證管道的凹陷及尺寸

2 內(nèi)壓管道凹陷模型及邊界條件

目前國內(nèi)外尚未發(fā)布內(nèi)壓管道凹陷標(biāo)準(zhǔn)[2]，因此在對(duì)凹陷缺陷的判定中多采用經(jīng)驗(yàn)公式，本研究采用彈塑性有限元法研究了凹陷缺陷對(duì)內(nèi)壓燃?xì)夤艿缽?qiáng)度的影響規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

圖2為相距一定距離的雙凹陷管道有限元模型，管道的長(zhǎng)度為1 m。為研究凹陷的三維尺寸對(duì)管道承載能力的影響，分別建立長(zhǎng)度為100～500 mm、深度2～10 mm的凹陷模型[3-4]。本研究將橢球形的凹陷缺陷簡(jiǎn)化成圓形，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度 420 MPa。為保證計(jì)算精度，采用殼單元，通過實(shí)常數(shù)來體現(xiàn)管道的壁厚[5-9]，全局網(wǎng)格尺寸為0.01 m，網(wǎng)格數(shù)量約3萬個(gè)。管道的兩端施加對(duì)稱邊界條件如圖3所示，同時(shí)在管道的內(nèi)表面施加4 MPa的極限內(nèi)壓。雙凹陷內(nèi)壓管道的邊界條件與單凹陷類似。

圖2 雙凹陷管道有限元模型

圖3 力學(xué)邊界條件

3 應(yīng)力分析結(jié)果

3.1 單凹陷的應(yīng)力與凹陷三維尺寸的關(guān)系

單凹陷缺陷管道應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。表3為單個(gè)凹陷應(yīng)力與三維尺寸之間的關(guān)系。由表3可知，X70管道在4 MPa的極限內(nèi)壓下，尺寸為100 mm×100 mm×2 mm的凹陷引起的管道上的最大應(yīng)力為281 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，判定為安全；尺寸為500mm×100 mm×10 mm的凹陷缺陷引起的峰值應(yīng)力為576MPa，大于材料的屈服強(qiáng)度420 MPa，應(yīng)進(jìn)行返修處理。

將表3中的不同尺寸的凹陷缺陷引起的應(yīng)力值與材料的屈服強(qiáng)度比較可知，長(zhǎng)度超過300 mm以及深度超過5 mm的凹陷都應(yīng)進(jìn)行返修處理。

圖4 不同尺寸單凹陷缺陷管道應(yīng)力云圖

表3 單凹陷應(yīng)力與缺陷三維尺寸之間的關(guān)系

由表3可知，凹陷長(zhǎng)度為100 mm情況下，凹陷深度從2 mm增加到10 mm，等效應(yīng)力增加了194 MPa；在凹陷深度為5 mm的情況下，凹陷長(zhǎng)度從100 mm增加到500 mm，等效應(yīng)力增加200 MPa。由此可知，凹陷深度對(duì)內(nèi)壓管道的承載能力的影響比凹陷長(zhǎng)度的影響要大得多。在實(shí)際的安全評(píng)定工作中，應(yīng)特別注意凹陷深度對(duì)壓力管道承載能力的影響。

3.2 雙凹陷的應(yīng)力與凹陷尺寸、距離的關(guān)系

雙凹陷缺陷管道應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示。表4為雙凹陷缺陷處應(yīng)力與凹陷三維尺寸、距離的關(guān)系。

圖5 不同尺寸雙凹陷缺陷管道應(yīng)力云圖（距離100 mm）

表4 雙凹陷應(yīng)力與缺陷三維尺寸、距離的關(guān)系

對(duì)比表4與表3可知，尺寸為100mm×10mm距離為100 mm的雙凹陷，較同尺寸的單凹陷等效應(yīng)力增加50 MPa。這是因?yàn)殡p凹陷引起的彎曲應(yīng)力區(qū)域發(fā)生了重疊，導(dǎo)致管道的受力狀況更加惡化。

當(dāng)雙凹陷之間的距離大于300 mm時(shí)，雙凹陷缺陷引起的應(yīng)力集中與單凹陷基本無異，由此可得出，當(dāng)雙凹陷之間的距離大于300 mm時(shí)，可對(duì)雙凹陷進(jìn)行單獨(dú)的安全評(píng)定；當(dāng)雙凹陷之間的距離小于300 mm時(shí)，應(yīng)將雙凹陷復(fù)合成單凹陷來處理。

4 結(jié)論

本研究對(duì)X70輸氣壓力管道的三維凹陷缺陷進(jìn)行了受力分析，得出管道的凹陷深度對(duì)管道的強(qiáng)度影響最大，凹陷長(zhǎng)度以及寬度對(duì)內(nèi)壓管道的強(qiáng)度影響相對(duì)較小。對(duì)于中石油西南油氣田公司輸氣管理處北內(nèi)環(huán)支線X70管道，單缺陷深度小于5 mm且長(zhǎng)度小于100 mm可免于安全評(píng)定。同時(shí)發(fā)現(xiàn)距離大于300 mm的兩個(gè)凹陷之間無應(yīng)力重疊區(qū)域，可單獨(dú)進(jìn)行安全評(píng)定。距離小于300 mm的兩個(gè)凹陷應(yīng)合并為一個(gè)凹陷進(jìn)行安全評(píng)定。本模型也可在調(diào)整參數(shù)后用于其他含凹陷缺陷管線的安全評(píng)定。

［1］MAXEY W A.Defect Behavior analysis Mode of out-sideforce damage to pipeline[J].Oil Gas Journal,1987（20）:33-35.

［2］李國成，劉仁桓.壓力容器安全評(píng)定技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：中國石化出版社，2007.

［3］伍穎，張鵬.管道中溝槽型凹痕缺陷破裂強(qiáng)度評(píng)估方法［J］.壓力容器， 2009（4）： 45-47.

［4］伍穎，張鵬，劉武.凹痕管道疲勞壽命影響因素及其有限元分析［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)， 2008（3）:411-413.

［5］伍穎,張鵬,劉武,等.影響含有凹痕管道運(yùn)行壽命的因素研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2006,4（4）:31-33.

［6］博弈創(chuàng)作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

［7］張立新，徐長(zhǎng)航，陳江榮,等.ANSYS7.0基礎(chǔ)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

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［9］易日.使用ANSYS6.0進(jìn)行靜力學(xué)分析[M].北京:北京大學(xué)出版社,2002.

Effects of Sunken Defects on the Strength of Gas Pipeline

LI Gen,LI Xiangrong
（Gas Transmission Management Division of PetroChina Southwest Oil&Gas filed Company,Chengdu 610041,China）

In this paper,in order to research the effect of sunken defects on the strength of gas pipeline,taking X70 grade φ610 mm×7.1 mm gas pipeline as example,the finite element software ANSYS was used to analyze the force condition on intrinsic pressure pipeline caused from sunken defects.The result showed that the effect of sunken depth on intrinsic pressure pipeline carrying capacity is maximum.In addition the influence rule of double sunken defects with different distances on intrinsic pressure gas pipeline peak stress was investigated.The result showed that no interaction exists between two sunken defects when the distance is greater than 300 mm.

finite element analysis;sunken;double sunken;gas pipeline

TE973

B

1001－3938（2015）10-0053-04

李 根(1986—)，男，碩士，主要從事油氣管道安裝工作。

2015-04-25

羅 剛