油氣管道組合缺陷等效應力*

王戰輝，馬向榮，白 雪，黨 睿

(1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2．陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000)

近年來，中國鋼鐵產量穩步增長，已經成為世界上鋼鐵產量大國，伴隨著鋼鐵產量的激增，一系列的鋼鐵浪費現象也隨之而來，其中最主要的便是鋼鐵腐蝕[1]。國內油氣集輸管線的鋼鐵腐蝕問題尤其突出，油氣集輸管道不僅外部受到各種電離介質的侵蝕，如土壤和海水等，而且內部也受到油氣介質的侵蝕，會形成很多的外部腐蝕缺陷、內部腐蝕缺陷，會造成多種腐蝕缺陷共存的現象，而且國內的油氣集輸管線局部腐蝕往往比全面腐蝕大得多[2]。由于這些腐蝕缺陷的存在，會使管道有效壁厚減薄，承壓性能下降，容易發生強度失效，影響管道的正常運行，更嚴重者，會使管道發生泄漏事故，引發一系列的污染問題，給國民經濟造成巨大損失。因此，對油氣管道的安全評定具有很高的經濟效益[3]。

單點缺陷結構簡單，易于實現，不具有代表性，實際生產中組合缺陷最常見國內外學者對于方形組合缺陷進行了大量研究工作，而對其他組合缺陷研究得還比較少[4-8]。因此，作者以20號鋼橢圓形環向組合缺陷和軸向組合缺陷管道為研究對象，借助ANSYS Workbench 16.0有限元分析軟件，首先考察組合缺陷管道應力云圖分布特點，其次，考察缺陷間距和缺陷尺寸如腐蝕長度、寬度、深度對其最大等效應力的影響規律。

1 腐蝕管道有限元模型的建立

1.1 工作條件及物性參數

以20號鋼為研究對象，其物性參數為密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=206 GPa，屈服強度σs=245 MPa，抗拉強度σb=410 MPa，泊松比μ=0.3，內壓p=3.8 MPa。

1.2 幾何參數及其模型

管道內徑D=168 mm，管道厚度t=10 mm，管道長度L=1 300 mm。所研究組合缺陷為橢圓形缺陷，分為軸向組合缺陷和環向組合缺陷2種形式，其中軸向組合缺陷為長軸長60 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，環向組合缺陷為長軸長80 mm、短軸長20 mm、深度2 mm。鑒于含組合缺陷管道的幾何和載荷的對稱性，選取含缺陷管道的二分之一為研究對象，采用ANSYS Workbench 16.0進行建模，所建模型見圖1。

a 軸向組合缺陷

b 環向組合缺陷圖1 幾何模型

1.3 載荷及位移約束

油氣管道經常會受到管道自身重力、內壓、液柱靜壓力、風壓力、地震壓力等載荷的作用，其他載荷與內壓比較，其影響可以忽略不計，因此，只考慮內壓的作用。由于外腐蝕管道腐蝕缺陷幾何形狀的對稱性，取管道的二分之一作為研究對象，對平行于軸線的2個剖面和垂直于管道軸向的2個端面施加位移約束[9]。

2 腐蝕管道組合缺陷有限元計算結果分析

以環向組合缺陷和軸向組合缺陷為研究對象，首先考察其應力云圖分布特點，其次考察缺陷間距和缺陷尺寸如腐蝕長度、寬度、深度對其最大等效應力的影響。

2.1 應力云圖

在軸向組合缺陷長軸長60 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，環向組合缺陷長軸長80 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，內壓p為3.8 MPa下，應力分布云圖見圖2。

由圖2可知，在無缺陷管壁上，等效應力分布比較均勻；越靠近缺陷，其等效應力突變越大，最終最大等效應力發生在長軸的2個端點處。這是由管道的不連續效應造成的，缺陷處幾何曲率半徑發生突變，會產生邊緣力和邊緣力矩，在邊緣力和邊緣力矩作用下，產生邊緣應力。因此，管道除了承受內壓引起的薄膜應力外，還要承受缺陷處幾何尺寸變化所引起的不連續應力，遠離缺陷處，基本不受不連續應力的影響，分布均勻，靠近缺陷處，深受不連續應力的影響，應力增大，最易發生強度失效[10-11]。

a 軸向組合缺陷

b 環向組合缺陷圖2 環向組合缺陷和軸向組合缺陷應力云圖

2.2 軸向缺陷間距對最大等效應力的影響

以軸向組合缺陷為研究對象，保持缺陷長軸長60 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，同時2個缺陷尺寸相同，軸向缺陷間距分別取15、30、45、60、75、90、105、120 mm，內壓p=3.8 MPa，考察軸向缺陷間距對最大等效應力的影響，見圖3。

軸向距離/mm圖3 軸向缺陷間距對最大等效應力的影響

由圖3可知，對于軸向排列的2個缺陷，當組合缺陷尺寸相同時，最大等效應力隨著軸向缺陷間距的增大呈減小的趨勢，并出現臨界點90 mm。這是由于當缺陷間距小于90 mm，缺陷間存在較強的干涉作用，等效應力大，隨著缺陷間距的增大，干涉作用減弱，等效應力逐漸減小；當缺陷間距大于90 mm時，缺陷間干涉作用基本可以忽略不計，此時可以把軸向組合缺陷看成2個獨立的缺陷，最大等效應力與單個缺陷的等效應力基本相等，趨于穩定狀態。因此，在進行實際的腐蝕缺陷研究中，不能輕易的把多個缺陷分離成單獨的缺陷進行研究，而是要考慮其缺陷間的干涉作用，當2個缺陷距離較近時會發生干涉作用，不能將之當成一個整體來對待。

2.3 環向缺陷間距對最大等效應力的影響

以環向組合缺陷為研究對象，保持缺陷長軸長80 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，同時2個缺陷尺寸相同，環向組合缺陷間距用角度表示，環向間距分別取10°、20°、30°、40°、50°、 60°、70°、80°，內壓p=3.8 MPa，考察環向缺陷間距對最大等效應力的影響，見圖4。

環向角度/(°)圖4 環向缺陷間距對最大等效應力的影響

由圖4可知，對于環向排列的2個缺陷，當組合缺陷尺寸相同時，最大等效應力隨著環缺陷間距的增大呈減小的趨勢，并出現臨界點20°。與軸向組合缺陷變化規律基本一致，由于缺陷間干涉的作用，出現臨界距離，不同之處是等效應力變化速率不同，在軸向間距從15 mm到30 mm，最大等效應力變化了7.366 MPa，在環向間距從10°到20°，最大等效應力變化了4.933 MPa，兩者相差大約1倍。

2.4 組合缺陷的尺寸對最大等效應力的影響

以軸向組合缺陷為研究對象，保持其缺陷間距為60 mm，內壓p=3.8 MPa，通過改變缺陷長軸長度、短軸長度和缺陷深度，考察其對最大等效應力的影響。

2.4.1 組合缺陷長度、深度雙變量對管道應力的影響

保持橢圓形缺陷短軸長度8 mm不變，缺陷深度分別取為1、2、3、4 mm，缺陷長軸長度分別取10、20、30、40、50、60 mm，考察在不同缺陷深度下缺陷長軸長度對最大等效應力的影響，見圖5。

長軸長度/mm圖5 長軸長度對最大等效應力的影響曲線

由圖5可知，當缺陷深度相同時，隨著缺陷長軸長度的增大，最大等效應力隨之增大；當缺陷長軸長度相同時，隨著缺陷深度的增大，最大等效應力也隨之增大。這是由于缺陷深度增大導致腐蝕處壁厚減小，故薄膜應力增大，其最大等效應力也隨之增大。缺陷深度越大，對應的長軸長度和等效應力的關系曲線斜率越大，長軸長度從50 mm到60 mm，缺陷深度為1 mm的最大等效應力增加1.691 MPa，缺陷深度為4 mm的最大等效應力增加了10.616 MPa，顯然深度對于曲線斜率的影響成正比例作用。長軸長從10 mm到60 mm，等效應力變化最大的是深度為4 mm的時候，其等效應力變化量是27.775 MPa。而長軸長為60 mm，深度從1 mm到4 mm等效應力變化了34.833 MPa，明顯大于缺陷長度引起的等效應力變化量，因此，缺陷深度對最大等效應力的影響大于長軸長度。

2.4.2 組合缺陷寬度、深度雙變量對管道最大等效應力的影響

保持橢圓形缺陷長軸長度60 mm不變，缺陷深度分別取為1、2、3、4 mm，缺陷長軸長度分別取10、20、30、40、50 mm，考察在不同缺陷深度下缺陷短軸長度對最大等效應力的影響，見圖6。

短軸長度/mm圖6 短軸長度對最大等效應力的影響曲線

由圖6可知，當缺陷深度相同時，隨著缺陷短軸長度的增大，最大等效應力隨之減小；當缺陷短軸長度相同時，隨著缺陷深度的增大，最大等效應力隨之增大。缺陷深度為1 mm，缺陷短軸長度對最大等效應力的影響最小。短軸長度從10 mm到60 mm，等效應力變化最大的是深度為4 mm的時候，其等效應力變化量是19.167 MPa。而短軸長度為50 mm，深度從1 mm到4 mm等效應力變化了20.816 MPa，明顯大于短軸長度所引起的等效應力變化量，因此，與缺陷長軸長度一樣，缺陷深度對最大等效應力的影響大于短軸長度。

3 結 論

(1)在無缺陷管壁上，等效應力分布比較均勻，越靠近缺陷，其等效應力突變越大，最終最大等效應力發生在長軸的2個端點處；

(2)對于軸向組合缺陷和環向組合缺陷，當缺陷尺寸不變時，隨著缺陷間距的增大，最大等效應力呈減小的趨勢，并出現臨界點；

(3)對于軸向組合缺陷，當缺陷間距不變時，隨著缺陷長軸長度的增大，最大等效應力隨之增大；隨著缺陷短軸長度的增大，最大等效應力隨之減小；隨著缺陷深度的增大，最大等效應力隨之增大；缺陷深度的影響程度最大。