外加鋼套對含裂紋管道強度的影響

賀彥霖

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065)

外加鋼套對含裂紋管道強度的影響

賀彥霖

(西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065)

在石油化工行業，管道輸送是一些關鍵技術得以實施的重要環節。目前隨著所用管材韌性的增加，延性斷裂成為管道斷裂的主要形式，為了防止管道裂紋的擴展,需要對管材上出現的未穿透裂紋進行局部修復，本文采用局部添加鋼套的修復方式，并利用有限元分析軟件，對添加鋼套后的管道強度和安全進行分析，研究鋼套的寬度、厚度對修復效果的影響。

管道；延性斷裂；裂紋修復

隨著溫室效應的日漸嚴重，使得CCUS項目技術作為減少溫室氣體的重要方法已經成為全球研究的重點[1]，管道輸送是該技術得以實現的重要環節。但是在役管道在運輸、安裝以及使用過程中往往都會造成不同程度的損傷，并成為安全隱患。且目前隨著所用管材韌性的增加，延性斷裂成為管道斷裂的主要形式[2]，延性斷裂一旦發生，可能會擴展十幾米，其危害極大。因此預防管道的延性斷裂成為許多專家學者關注的焦點。

本文以一段帶有未穿透裂紋的管道作為研究對象，研究鋼套結構及安裝位置對裂紋擴展的影響。

1 幾何模型建立及網格劃分

如圖1所示為添加裂紋后的管道模型，管道尺寸規格為508×12mm，管材為X80，屈服應力為551MPa[3]，管道中添加長半軸為50 mm，短半周為7mm的橢圓裂紋[4]。由于裂紋的短半徑小于管材壁厚，所以裂紋為未穿透裂紋。

圖1 幾何模型

圖2 隱藏鋼套后網格模型

為了直觀的觀察到裂紋，圖2為隱藏鋼套后管道的網格劃分模型。由于裂紋形狀的不規則性，為了提高網格的劃分質量，本文采用四面體網格劃分，且在靠近裂紋的周圍進行了網格加密，劃分后的網格總數為178690。

2 裂紋擴展及強度分析判據

由于材料中存在的裂紋缺陷會使其周圍產生高度的應力集中，而傳統的設計無法用應力分量來度量裂紋的危險程度。因而，斷裂力學使用可以表征裂紋尖端附近應力場的斷裂參量來建立斷裂判據，本文主要采用K判據[5]，該判據將材料的斷裂韌性、應力水平、裂紋尺寸聯系在一起，對于結構的設計、選材和檢驗提供了依據。

有限中求解應力強度因子的方程如式1所示：

(1)

式中：u為尖端區域的位移場，r為到尖端處的距離，μ為泊松比。若KI

(2)

3 施加載荷及結果分析

管道內壁施加12MPa的內壓，通過計算，管道一端添加固定約束，另一端施加127MPa的軸向拉力，鋼套兩個端面限制軸向位移，在模型計算中激活大變形[6]。下面的各個分析中，邊界條件一致。

通過計算，得到未加鋼套修復前含未穿透裂紋管道的應力分布與應變分布分別如圖3、圖4表示。

圖3 應力分布圖

圖4 應變分布圖

從圖3可以看出，最大等效應力與最小等效應力都位于裂紋處，其中最大等效應力高達10029MPa，遠遠高于管材X80的屈服應力，從強度方面來考慮，顯然管道不安全。在不含裂紋的管壁上，管道應力分布均勻，約為340MPa，小于管材的屈服應力。靠近模型約束端的地方，應力較小，約為116MPa。從圖4的總變形云圖來看，裂紋及裂紋周圍部分變性最大，最大變形達到0.727 mm，靠近添加固定約束端不發生變形，不含裂紋的管壁上變形均勻，約為0.36。且通過計算得出為添加鋼套前的管道裂紋處的應力強度因子為 ，顯然大于式2中所求得的臨界應力強度因子，則裂紋或失穩擴展，管道不安全。綜合上述分析，如果能控制裂紋的擴展則管道就可以處于安全狀態。

3.1 鋼套寬度對裂紋擴展及管道強度的影響

鋼套的單位強度至少應等于管道的單位強度，所以確定鋼套的最小厚度t與管壁相同為9mm。工程上，謹慎的做法是鋼套的寬度一般不少于管徑的50%[7]。此次模擬以鋼套的寬度為變量，鋼套寬度得中心線與裂紋長度得中心線重合。鋼套寬度以80 mm為初始寬度，以20mm為增量，逐漸對稱增加其寬度，以確定鋼套寬度對裂紋擴展的影響。

通過有限元軟件計算分析發現，發現添加了厚度為9 mm、寬度為80～300 mm的鋼套之后，鋼套與管道整體的等效應力小于管道屈服強度，應力強度因子KI小于材料的KIC，則管道在安裝止裂器后裂紋不會失穩擴展，管道處于安全狀態。得到鋼套在不同寬度時的斷裂強度因子，其折線圖如圖5所示。

圖5 鋼套寬度與應力強度因子的關系

從圖5中可以看出，添加鋼套后，應力強度因子最大為1160，明顯比添加鋼套之前減小；且鋼套的厚度不變，隨著鋼套寬度的增加，裂紋處的應力強度因子也在逐漸減小。寬度為80 mm的鋼套并未完全覆蓋裂紋，但其應力強度因子明顯小于安裝鋼套前的管道應力強度因子，所以即使鋼套未完全覆蓋裂紋，也可以起到防治裂紋擴展的作用。當鋼套寬度大于100 mm后，鋼套完全覆蓋了裂紋。當鋼套寬度增加到160 mm時，應力強度因子減小的幅度減小。

3.2 鋼套厚度對裂紋擴展及管道強度的影響

從上述鋼套厚度不變，研究鋼套寬度對裂紋擴展的影響研究發現，在鋼套寬度為160 mm之后，繼續增加寬度，應力強度因子的下降趨勢不大，即對裂紋擴展的影響變弱。所以，取鋼套的寬度為160 mm，初始厚度為10 mm，以2 mm為增量，研究鋼套寬度不變時，厚度對裂紋擴展的影響。

通過有限元軟件計算分析發現，發現添加了寬度為160 mm、厚度為10～30 mm的鋼套之后，鋼套與管道整體的等效應力小于管道屈服強度，應力強度因子KI小于材料的KIC，則管道在安裝止裂器后裂紋不會失穩擴展，管道處于安全狀態。得到鋼套在不同寬度時的斷裂強度因子，其折線圖如圖6所示。

圖6 鋼套厚度與應力強度因子的關系

從圖6中可以看出，添加鋼套后，應力強度因子最大為750，明顯比添加鋼套之前減小；且鋼套的厚度不變，隨著鋼套厚度的增加，裂紋處的應力強度因子也在逐漸減小，說明增加鋼套的厚度可以防治裂紋的擴展，且從圖中可以看出，當鋼套的厚度增加到18mm后應力強度因子減小的幅度減小。盡管增加鋼套厚度對裂紋擴展的改善效果明顯優于增加寬度，但是隨著鋼套厚度的增加，鋼套周圍的應力分布也在緩慢增大，而過厚的鋼套厚度容易造成局部應力集中的現象。

3.3 鋼套位置對裂紋擴展及管道強度的影響

根據前面鋼套的寬度和厚度對裂紋擴展的影響研究，發現對于本文中計算涉及到的裂紋，選用寬度為160 mm，厚度為18 mm的鋼套，可以較好的防止裂紋的擴展。在該章節，以寬度為160 mm，厚度為80 mm的鋼套為研究對象，分析鋼套位置對裂紋擴展的影響。如圖7為裂紋與鋼套的位置關系，X為橢圓裂紋長軸中心線與鋼套寬度中心線之間的距離，當兩中心線重合時，X=0。

圖8 鋼套位置X與應力強度因子的關系

圖中的橢圓裂紋的長半軸為50 mm，鋼套寬度的一半為80 mm，即當X為130 mm時，鋼套與裂紋完全分離。由圖8可以看出，隨著裂紋中心線與鋼套寬度的中心線之間的距離增大，應力強度因子先是平穩增長，當X>130 mm后，應力強度因子迅速增大，當X>210 mm之后，應力強度因子增大的幅度減小，且其值逐漸接近未添加鋼套之前的裂紋尖端處的應力強度因子。

4 結論

(1)鋼套寬度為80 mm時未完全覆蓋長度為100 mm的裂紋，而應力強度因子明顯小于安裝鋼套前的管道應力強度因子，所以安裝的鋼套未完全覆蓋裂紋也可以起到防治裂紋擴展的作用；

(2)在鋼套完全覆蓋裂紋之前，增加鋼套的寬度，應力強度因子明顯降低，即防止裂紋擴展的效果明顯，在鋼套完全覆蓋之后，應力強度因子下降趨勢較緩；

(3)增加鋼套的厚度可以防止裂紋的擴展，且通過增加厚度控制裂紋擴展的效果明顯優于增加鋼套的控制效果。但是過厚的鋼套厚度，容易造成管道局部的應力集中；

(4)當鋼套寬度得中心線不與裂紋長度的中心線重合時，隨著兩中心線偏離的距離X增大，鋼套對裂紋擴展的防止能力降低。在鋼套與裂紋完全相離前，隨著X的增大，鋼套對裂紋擴展的防止能力逐漸降低；當鋼套與裂紋完全相離后，鋼套對裂紋的防止能力迅速降低；當相離的距離增加到一定程度后鋼套對裂紋不再有防治擴展的作用。

[1] 寧雯宇，陳 磊，韓喜龍，等.CO2管道輸送技術現狀研究[J]．當代化工，2014(7)：1280-1282．

[2] 張希悉，汪 鳳，范玉然.高鋼級天然氣長輸管道止裂控制技術現狀[J].油氣儲運，2014(8)：819-824.

[3] 陳福來. 輸氣管道延性斷裂的止裂結構及韌性確定方法[J]. 壓力容器，2006(7)：39-43.

[4] 張洪才，劉憲偉，孫長青.ANSYS Workbench14.5數值模擬工程實例解析[M].北京:機械工業出版社,2013.

[5] 董韶華.管道完整性技術與管理[M].北京:中國石化出版社，2007.

[6] (美)莫西特普爾.含雜質二氧化碳管道輸送[M].趙 帥，張 建，李清方，譯.北京:中國石化出版社，2014.

(本文文獻格式：賀彥霖.外加鋼套對含裂紋管道強度的影響[J].山東化工,2017,46(5):112-114.)

Intensity Analysis of the Pipe with Unpenetrated Crack After a Steel Jacket Added

HeYanlin

(Mechanical Engineering Institute,Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065,China)

In the petrochemical industry,pipeline is an important link for some key technologies to implement. The increase of the currently used as the pipe material toughness,ductility fracture become the main form of pipeline fracture,in order to prevent pipeline crack extension,the unpenetrated crack should be repaired locally. In this paper,we repaired the crack by adding steel jacket,and by using the finite element analysis software to analysis security and intensity of the pipe after adding steel jacket,and the effects on the width and thickness of steel jacket.

pipeline;ductility fracture;crack repairing

2017-02-07

賀彥霖(1991—)，女，陜西榆林人，碩士研究生，主要研究方向為化工過程機械。

TQ015.9

A

1008-021X(2017)05-0112-03