油氣管道剩余強(qiáng)度有限元分析

王宏安

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng)257017）

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油氣管道剩余強(qiáng)度有限元分析

王宏安

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng)257017）

摘要：為了分析管道缺陷對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響程度，利用ANSYS軟件建立了油氣管道有限元模型，模擬了管道缺陷，分析了管道缺陷與管道剩余強(qiáng)度的關(guān)系，為管道檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供了參考。

關(guān)鍵詞：油氣管道；有限元法；剩余強(qiáng)度

油氣管道作為油田重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在油、氣、水等流體輸送方面有著不可取代的優(yōu)勢(shì)，隨著油氣資源的開(kāi)發(fā)，油氣管道得到飛快發(fā)展，世界主要油氣輸送管道已超過(guò)260萬(wàn)公里。油氣管道多數(shù)位于地下或海底，受內(nèi)部介質(zhì)、外部環(huán)境和意外等諸多因素影響會(huì)產(chǎn)生各類缺陷，油氣管道產(chǎn)生缺陷后若不及時(shí)檢測(cè)評(píng)價(jià)，可能發(fā)生破裂、泄漏甚至爆炸等事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。由于管道產(chǎn)生缺陷后，受各項(xiàng)條件限制不可能所有的管道進(jìn)行更換或維修，因此需進(jìn)行缺陷管道剩余強(qiáng)度分析，對(duì)管道做出評(píng)價(jià)。

目前世界各國(guó)從經(jīng)濟(jì)性和安全性角度考慮，提出了很多剩余管道強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法，很多都已寫(xiě)入規(guī)范，如ASME B31G、API 579、DNV RP-F101、SY/T 6477等，這些評(píng)價(jià)方法在油氣管道行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用［1-3］，但是這種方法具有一定保守性，隨著科技發(fā)展，借助有限元分析技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)油氣管道剩余強(qiáng)度更為精確的分析，因此本文利用ANSYS軟件對(duì)管道缺陷參數(shù)與管道剩余強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行分析。

1　有限元模型

管道實(shí)際腐蝕和結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，對(duì)管道模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，不考慮管道介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度對(duì)管道的影響。管道在運(yùn)行過(guò)程中承受的各種載荷，根據(jù)管道實(shí)際狀況，載荷也有所差異。管道內(nèi)壓是管道所受到的主要載荷，對(duì)管道應(yīng)力影響最大，計(jì)算中根據(jù)計(jì)算工況施加于管道內(nèi)壁上。管道自重包含管道內(nèi)介質(zhì)、管道鋼材、防護(hù)層的重量，相對(duì)于管道內(nèi)壓，載荷數(shù)值可以忽略不計(jì)，對(duì)于懸空管道來(lái)說(shuō)其產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變必須考慮，本文研究對(duì)象為埋地管道，因此管道自重不予考慮中。管道一般位于土壤中，土壤對(duì)管道壓力分布在管道周圍，由于管道埋深較淺，壓力較小，本文中也不予考慮。

管道材質(zhì)選用X52鋼管，屈服強(qiáng)度360 MPa，管道外徑457 mm，管道壁厚14 mm，管道缺陷位于管道外壁上，選用Solid45單元模擬管道，采用掃略方法劃分網(wǎng)格，缺陷附近區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格劃分如圖1所示，計(jì)算不同缺陷尺寸下管道等效應(yīng)力，等效應(yīng)力云圖如圖2所示。通過(guò)等效應(yīng)力分析確定管道剩余強(qiáng)度，等效應(yīng)力越大，管道剩余強(qiáng)度越小，管道就越可能出現(xiàn)失效。

圖1　缺陷管道有限元模型

圖2　缺陷管道應(yīng)力云圖

2　計(jì)算結(jié)果與分析

2.1缺陷深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響

定義缺陷長(zhǎng)度方向?yàn)楣艿垒S向方向，缺陷寬度方向?yàn)楣艿缊A周方向，缺陷深度為管道截面徑向方向。管道壁厚t為14 mm，管道內(nèi)壓4 MPa、6 MPa、8 MPa，建立管道缺陷，缺陷長(zhǎng)2t，缺陷寬2t，缺陷深度從10%t到90%t.提取不同缺陷深度下的管道的最大等效應(yīng)力，如圖3所示，橫坐標(biāo)為管道深度與管道壁厚的比值，縱坐標(biāo)為最大等效應(yīng)力。

圖3　不同缺陷深度管道的最大等效應(yīng)力曲線

由圖3可以看出，當(dāng)缺陷長(zhǎng)度和寬度不變時(shí)，缺陷管道最大等效應(yīng)力整體趨勢(shì)隨著缺陷深度增加而增加，而且增加的速度逐漸增加，增加越來(lái)越劇烈；當(dāng)缺陷深度相同時(shí)，缺陷管道最大等效應(yīng)力隨著內(nèi)部壓力增加而增大，基本呈線性關(guān)系。從剩余強(qiáng)度角度來(lái)說(shuō)，管道的剩余強(qiáng)度隨著缺陷深度的增加而減小，且減小的幅度越來(lái)越大，說(shuō)明缺陷深度對(duì)管道強(qiáng)度的影響越來(lái)越大，同時(shí)管道剩余強(qiáng)度隨著管道內(nèi)壓的增加而減小。

2.2缺陷長(zhǎng)度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響

建立管道缺陷，管道壁厚t為14 mm，管道內(nèi)壓4 MPa、6 MPa、8 MPa，缺陷深度50%t，缺陷寬度1t，缺陷長(zhǎng)度從1t到8t.提取不同缺陷長(zhǎng)度下的管道的最大等效應(yīng)力，如圖4所示，橫坐標(biāo)為管道長(zhǎng)度與管道壁厚的比值，縱坐標(biāo)為最大等效應(yīng)力。

圖4　不同缺陷長(zhǎng)度管道的最大等效應(yīng)力曲線

由圖4可以看出，當(dāng)缺陷深度和寬度不變時(shí)，管道最大等效應(yīng)力隨著缺陷長(zhǎng)度增加而增大，并且隨著缺陷長(zhǎng)度的增加最大等效應(yīng)力增加速度減低；缺陷長(zhǎng)度相同時(shí)，管道最大等效應(yīng)力隨著管道內(nèi)壓增大而增大。對(duì)于剩余強(qiáng)度，管道的剩余強(qiáng)度隨著缺陷長(zhǎng)度增加而減小，并且隨著缺陷長(zhǎng)度的增加，剩余強(qiáng)度減小的速率也在減小，說(shuō)明缺陷長(zhǎng)度對(duì)管道剩余強(qiáng)度影響程度越來(lái)越小。

2.3缺陷寬度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響

建立管道缺陷，管道壁厚t為14 mm，管道內(nèi)壓4 MPa、6 MPa、8 MPa，缺陷深度50%t，缺陷長(zhǎng)度1t，缺陷寬度從1t到8t.提取不同缺陷寬度下的管道的最大等效應(yīng)力，如圖5所示，橫坐標(biāo)為管道寬度與管道壁厚的比值，縱坐標(biāo)為最大等效應(yīng)力。

圖5　不同缺陷寬度管道的最大等效應(yīng)力曲線

由圖5可以看出，當(dāng)缺陷深度和長(zhǎng)度不變時(shí)，管道最大等效應(yīng)力隨著缺陷寬度增加而減小，并且減小的幅度越來(lái)越小，趨于平緩，當(dāng)缺陷寬度大于3t時(shí)，最大等效應(yīng)力變化基本可以忽略；缺陷寬度相同時(shí)，管道最大等效應(yīng)力隨著管道內(nèi)壓增大而增大。換算成剩余強(qiáng)度，管道剩余強(qiáng)度隨著缺陷寬度的增加而增加，當(dāng)缺陷寬度大于3t后，剩余強(qiáng)度變化不明顯，說(shuō)明缺陷寬度在一定范圍內(nèi)對(duì)于管道剩余強(qiáng)度有影響，當(dāng)缺陷寬度大于一定值后對(duì)剩余強(qiáng)度的影響微弱。

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同缺陷尺寸下管道等效應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)缺陷深度增大時(shí)，管道剩余強(qiáng)度變小，隨著缺陷深度增加剩余強(qiáng)度變化更加劇烈，缺陷深度對(duì)管道剩余強(qiáng)度的影響越大。缺陷長(zhǎng)度和缺陷寬度對(duì)管道剩余強(qiáng)度有著或增加或減小的影響，相對(duì)于缺陷深度，影響的程度隨著尺寸的增加越來(lái)越小。因此，缺陷深度是影響管道剩余強(qiáng)度的主要因素，在管道檢測(cè)與評(píng)價(jià)過(guò)程中，缺陷深度應(yīng)該是關(guān)注的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］蔡文軍，陳國(guó)明，潘東民，等.腐蝕管線剩余強(qiáng)度評(píng)估的研究進(jìn)展［J］.石油機(jī)械，1999，27（11）:51-53，4.

［2］崔鉞.含內(nèi)腐蝕缺陷高強(qiáng)鋼輸氣管道剩余強(qiáng)度的評(píng)估方法研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2015.

［3］高建華.油氣管道腐蝕后剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2013.

Finite Element Analysis on Residual Strength of Oil and Gas Pipeline

WANG Hong-an
（Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Engineering Company Sinopec Group，Dongying Shandong 257017，China）

Abstract：In order to analysis the influence degree of pipeline defect，a finite element model of oil and gas pipeline is built by ANSYS program.Pipeline defect has been simulated，and the relationship between defect and residual strength was analyzed，and provide reference for pipeline evaluation and detection.

Key words：pipeline；finite element method；residual strength

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：中國(guó)分類號(hào)：TE998.2A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0042-02

收稿日期：2015-12-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”項(xiàng)目“海底管道缺陷內(nèi)檢測(cè)技術(shù)與裝備工程化研究”資助（2011AA090301）

作者簡(jiǎn)介：王宏安（1981-），男，陜西省鳳翔縣人，碩士，工程師，研究方向：海洋工程裝備與技術(shù)研究。