基于有限元的內(nèi)壓載荷管道應(yīng)力研究

張光源，盛小明（蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215006）

1 油氣管道應(yīng)力分析

為了減小計(jì)算時(shí)間和規(guī)模，選取一段腐蝕管道建立模型[1]。一般大部分都采用粗放網(wǎng)格。被腐蝕處的應(yīng)力和變形一般較大，為保證計(jì)算精度和準(zhǔn)確度，腐蝕處的網(wǎng)格劃分應(yīng)更精確。網(wǎng)格質(zhì)量和模型計(jì)算時(shí)間會(huì)對(duì)模型的求解精度產(chǎn)生一定的影響。網(wǎng)格劃分密集，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)；網(wǎng)格劃分稀疏，模擬結(jié)果誤差越大。要科學(xué)地對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，提前確定網(wǎng)格大小，以便在計(jì)算時(shí)間和結(jié)果精度上取得平衡。

1.1 管道腐蝕模型的建立

選取L415型管道來建立ANSYS模型，管道腐蝕缺陷的形狀為圓柱面的缺陷。表1是L415型管道模型參數(shù)。

取厚度8mm，管道直徑406mm，長(zhǎng)度為1 000mm，腐蝕區(qū)域（150mm×30mm×2mm）的管道進(jìn)行模擬。可以看到，在ANSYS中腐蝕缺陷的地方網(wǎng)格應(yīng)密集，其他地方網(wǎng)格可以比較稀疏。

表1腐蝕管道參數(shù)

1.2 管道邊緣分析

油氣管道一般受到內(nèi)壓載荷、彎矩等應(yīng)力的作用，本文為便于計(jì)算，只分析管道的內(nèi)壓[2]。由于管道長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過管道直徑，應(yīng)力分析對(duì)直徑影響不大，可以設(shè)置管道軸向位移為零。

1.3 模型加載和結(jié)果分析

管道內(nèi)部壓力取值為7MPa，將各類參數(shù)和管道受到的工況情況輸入進(jìn)行建模，輸入?yún)?shù)后形成管道模擬形態(tài)。

腐蝕管道最大Von Mises（米塞斯）應(yīng)力出現(xiàn)在腐蝕中心處和連接的地方，腐蝕處的應(yīng)力比沒有腐蝕處大很多，沒有腐蝕處應(yīng)力比較小。

2 最終計(jì)算參數(shù)分析

為深入研究腐蝕的長(zhǎng)度、寬度和深度3方面對(duì)油氣管道最大等效應(yīng)力的影響，取不同的腐蝕長(zhǎng)度、寬度、深度進(jìn)行研究計(jì)算，選取腐蝕長(zhǎng)度分別為100～250mm（間隔50mm）4種腐蝕長(zhǎng)度，腐蝕寬度分別為20°、30°、40°（假定腐蝕為沿管道內(nèi)表面或外表面呈弧形分布，為便于建模及有限元分析，以管道切面為圓心，以扇形切面的角度來表示腐蝕寬度大小），而腐蝕深度分別為2mm、4mm和6mm。

2.1 外腐蝕管道的參數(shù)分析

取油氣管道直徑406mm，壁厚8mm，長(zhǎng)度為1 000mm，采用深度不變，取腐蝕寬度為20°～40°（間隔10°），分析外腐蝕管道在內(nèi)壓載荷7MPa下的應(yīng)力情況，如表2所示。

表2管道外腐蝕長(zhǎng)、寬、深最大等效應(yīng)力分析表

從圖1和圖2可知，管道外腐蝕處最大等效應(yīng)力與腐蝕長(zhǎng)度的變化越來越接近，最終趨于一個(gè)固定值，即當(dāng)長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，最大等效應(yīng)力已經(jīng)沒有太大變化，變?yōu)榉€(wěn)定。從圖1可以看出，當(dāng)不同寬度的情況下，應(yīng)力相差不大，即寬度對(duì)于腐蝕應(yīng)力的影響不大。最大等效應(yīng)力同腐蝕長(zhǎng)度變化稍緩，增加幅度小；腐蝕深度深，最大等效應(yīng)力隨長(zhǎng)度增大，曲線變化快。腐蝕寬度影響作用比較小，但兩者關(guān)系變化與長(zhǎng)度一樣。

圖1外腐蝕管道在不同腐蝕寬度情況下的應(yīng)力

圖2外腐蝕管道在不同腐蝕深度情況下的應(yīng)力

2.2 內(nèi)腐蝕管道的參數(shù)分析

取油氣管道直徑406mm，壁厚8mm，長(zhǎng)為1 000mm，在管道受到外腐蝕的情況下進(jìn)行管道應(yīng)力分析，研究?jī)?nèi)壓載荷情況下管道在內(nèi)部壓力7MPa下的應(yīng)力情況，如表3所示。

從圖3和圖4中可知，內(nèi)部腐蝕管道和外部腐蝕管道的最大等效應(yīng)力同整個(gè)管道的尺寸變化不大。整個(gè)腐蝕管道的腐蝕處長(zhǎng)度和深度更加重要，腐蝕寬度對(duì)管道應(yīng)力的影響較小。腐蝕處最大等效應(yīng)力慢慢變大，達(dá)到一定范圍時(shí)，應(yīng)力的變化趨于穩(wěn)定，可以視為固定值。腐蝕處的深度對(duì)的應(yīng)力影響很大。深度較小，最大等效應(yīng)力隨腐蝕長(zhǎng)度的幅度變化較慢，增大幅度較小；當(dāng)腐蝕深度較深時(shí)，最大等效應(yīng)力隨長(zhǎng)度的變化增大，會(huì)出現(xiàn)突變的情況。內(nèi)腐蝕和外腐蝕影響基本一樣，相同情況下管道的外部腐蝕要特別注意，管道維護(hù)施工時(shí)要注意加強(qiáng)保護(hù)。

表3管道內(nèi)部腐蝕長(zhǎng)、寬、深最大等效應(yīng)力分析表

圖3內(nèi)腐蝕管道在不同腐蝕寬度作用下的應(yīng)力

圖4內(nèi)腐蝕管道在不同腐蝕深度情況下的應(yīng)力

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 管道檢測(cè)內(nèi)容

本次檢測(cè)內(nèi)容主要包括管道外防腐層質(zhì)量狀況檢測(cè)、管道陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)、雜散電流干擾方面，并在此基礎(chǔ)上選擇局部管段進(jìn)行直接開挖檢測(cè)、調(diào)查防腐層狀況和管體的腐蝕情況，測(cè)試土壤腐蝕性，根據(jù)實(shí)際情況分析。

3.2 管道檢測(cè)情況

選取API X60成品油管道其中2個(gè)檢測(cè)位置點(diǎn)，管道檢測(cè)基本參數(shù)如表4所示，發(fā)現(xiàn)壁厚基本為7～8mm，且腐蝕基本發(fā)生在成品油管道外部，即管道壁厚的腐蝕小于1mm。根據(jù)GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》應(yīng)力校核準(zhǔn)則進(jìn)行校核，在設(shè)計(jì)壓力7 MPa作用下各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力能通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力校核準(zhǔn)則，在最大操作壓力下運(yùn)行時(shí)，符合規(guī)范要求。

表4 API X60成品油管道檢測(cè)基本參數(shù)

4 結(jié)論

1）腐蝕管道最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在腐蝕處的中心以及缺陷處。管道在內(nèi)壓載荷下，腐蝕軸向長(zhǎng)度對(duì)管道失效壓力的影響顯著。管道的失效壓力隨管道壓力的增大而增幅逐步變小，而且減小的趨勢(shì)越來越小，最終在缺陷長(zhǎng)度大于300mm之后，趨于穩(wěn)定。

2）內(nèi)腐蝕和外腐蝕的影響規(guī)律基本一致，外腐蝕對(duì)管道影響更大。

3）總體說來，影響管道腐蝕應(yīng)力的主要因素是長(zhǎng)度和深度。管道在單純內(nèi)壓作用下，管道的腐蝕處的寬度對(duì)于管道本身失效的影響很小，可以視實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和維護(hù)。