凹陷缺陷對輸氣管道強度的影響

李 根，李相蓉

（中石油西南油氣田公司輸氣管理處，成都610041）

凹陷缺陷對輸氣管道強度的影響

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輸氣管道強度的影響，以X70級φ610 mm×7.1 mm輸氣管道為例，通過有限元軟件ANSYS針對凹陷缺陷對內壓管道的受力狀況進行了分析。分析結果表明，凹陷深度對內壓管道承載能力影響最大。同時對不同距離的雙重凹陷缺陷對內壓天然氣管道的峰值應力的影響規律進行了研究。研究結果表明，距離大于300mm的兩個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

根據美國運輸部門的報告，管道機械損傷是管道事故最主要的原因之一[1]。凹陷是機械損傷中最典型的形式。管道在運輸、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力，使管道的承載能力降低。除此之外，凹陷缺陷還有可能產生其他的缺陷，例如焊接缺陷、金屬損失等，從而引起更大的應力集中。

中石油西南油氣田公司輸氣管理處北內環支線于2008年5月建成投產，管道規格為φ610mm×7.1 mm，管道材質為X70管線鋼，性能參數見表1。管線長度26.33 km，設計壓力4.0 MPa，運行壓力2.67 MPa，設計輸氣量600萬m3/天，運行輸氣量為232萬m3/天。該管線于2011年11月進行了漏磁檢測，共發現多處凹陷特征，典型凹陷的三維尺寸見表2。對其中尺寸較大的凹陷缺陷進行開挖驗證（如圖1所示），輸氣管道上凹陷的深度約35 mm，長度約300 mm。

表1 X70管線鋼性能參數

表2 X70級φ610 mm×7.1 mm管道凹陷的基礎數據

圖1 開挖驗證管道的凹陷及尺寸

2 內壓管道凹陷模型及邊界條件

目前國內外尚未發布內壓管道凹陷標準[2]，因此在對凹陷缺陷的判定中多采用經驗公式，本研究采用彈塑性有限元法研究了凹陷缺陷對內壓燃氣管道強度的影響規律，從而更好地指導實際生產。

圖2為相距一定距離的雙凹陷管道有限元模型，管道的長度為1 m。為研究凹陷的三維尺寸對管道承載能力的影響，分別建立長度為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化成圓形，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強度 420 MPa。為保證計算精度，采用殼單元，通過實常數來體現管道的壁厚[5-9]，全局網格尺寸為0.01 m，網格數量約3萬個。管道的兩端施加對稱邊界條件如圖3所示，同時在管道的內表面施加4 MPa的極限內壓。雙凹陷內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 力學邊界條件

3 應力分析結果

3.1 單凹陷的應力與凹陷三維尺寸的關系

單凹陷缺陷管道應力分析結果如圖4所示。表3為單個凹陷應力與三維尺寸之間的關系。由表3可知，X70管道在4 MPa的極限內壓下，尺寸為100 mm×100 mm×2 mm的凹陷引起的管道上的最大應力為281 MPa，小于材料的屈服強度，判定為安全；尺寸為500mm×100 mm×10 mm的凹陷缺陷引起的峰值應力為576MPa，大于材料的屈服強度420 MPa，應進行返修處理。

將表3中的不同尺寸的凹陷缺陷引起的應力值與材料的屈服強度比較可知，長度超過300 mm以及深度超過5 mm的凹陷都應進行返修處理。

圖4 不同尺寸單凹陷缺陷管道應力云圖

表3 單凹陷應力與缺陷三維尺寸之間的關系

由表3可知，凹陷長度為100 mm情況下，凹陷深度從2 mm增加到10 mm，等效應力增加了194 MPa；在凹陷深度為5 mm的情況下，凹陷長度從100 mm增加到500 mm，等效應力增加200 MPa。由此可知，凹陷深度對內壓管道的承載能力的影響比凹陷長度的影響要大得多。在實際的安全評定工作中，應特別注意凹陷深度對壓力管道承載能力的影響。

3.2 雙凹陷的應力與凹陷尺寸、距離的關系

雙凹陷缺陷管道應力分析結果如圖5所示。表4為雙凹陷缺陷處應力與凹陷三維尺寸、距離的關系。

圖5 不同尺寸雙凹陷缺陷管道應力云圖（距離100 mm）

表4 雙凹陷應力與缺陷三維尺寸、距離的關系

對比表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力增加50 MPa。這是因為雙凹陷引起的彎曲應力區域發生了重疊，導致管道的受力狀況更加惡化。

當雙凹陷之間的距離大于300 mm時，雙凹陷缺陷引起的應力集中與單凹陷基本無異，由此可得出，當雙凹陷之間的距離大于300 mm時，可對雙凹陷進行單獨的安全評定；當雙凹陷之間的距離小于300 mm時，應將雙凹陷復合成單凹陷來處理。

4 結論

本研究對X70輸氣壓力管道的三維凹陷缺陷進行了受力分析，得出管道的凹陷深度對管道的強度影響最大，凹陷長度以及寬度對內壓管道的強度影響相對較小。對于中石油西南油氣田公司輸氣管理處北內環支線X70管道，單缺陷深度小于5 mm且長度小于100 mm可免于安全評定。同時發現距離大于300 mm的兩個凹陷之間無應力重疊區域，可單獨進行安全評定。距離小于300 mm的兩個凹陷應合并為一個凹陷進行安全評定。本模型也可在調整參數后用于其他含凹陷缺陷管線的安全評定。

［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.壓力容器安全評定技術基礎[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度評估方法［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］.石油天然氣學報， 2008（3）:411-413.

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

［6］博弈創作室.ANSYS9.0經典產品基礎教程與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

［7］張立新，徐長航，陳江榮,等.ANSYS7.0基礎教程[M].北京:機械工業出版社,2004.

［8］張樂樂，譚南林，焦風川.ANSYS輔助分析應用基礎教程[M].北京:清華大學出版社,2006.

［9］易日.使用ANSYS6.0進行靜力學分析[M].北京:北京大學出版社,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