基于有限元的雙點含角度腐蝕缺陷油氣管道剩余強度評價

康也，郝敏，馬思達，張佳亮

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

經濟發展離不開能源崛起，煤、石油、天然氣被廣泛應用于各行各業，運輸管道同樣快速發展[1]。由于大部分運輸管道埋于地下，防腐措施、檢驗對工業生產安全意義重大[2]。被腐蝕后的油氣管道，管壁變薄易破裂。腐蝕的油氣管道其韌性和強度會發生巨大變化，故對腐蝕管道進行失效壓力檢測非常重要[3-4]，根據剩余強度判斷管道是否需要維修或更換。其管道的工作狀態可以通過其剩余強度體現，剩余強度其含義就是判定腐蝕缺陷管道還能承受的多大工作載荷，決定管道后續是升壓或降壓運行，有利于確定腐蝕管道的維修和更換，確保管道安全運輸，使油氣管道經濟效益達到最大[5]。

利用有限元分析方法對雙點腐蝕缺陷管道進行剩余強度評價，簡化缺陷為雙點矩形等壁厚減薄缺陷，分析了雙點腐蝕缺陷角度、深度、長寬等參數對管道失效壓力的影響。

1 有限元模型

1.1 管道參數

本文以規則的方形腐蝕缺陷為研究對象，用Solidworks[6]軟件建立管道模型，三維實體模型如圖1所示。

圖1 管道模型

如果管道長度選擇過短，管道兩端的固定約束會影響模擬結果精度，管道長度應為管道外徑長度的3～5 倍，本文管道選擇4 倍外徑長度為3 600 mm。腐蝕缺陷以管道中軸線為對稱軸在管道的中心部位，以矩形缺陷為例[7]。油氣管道的基本參數如表所示1。

表1 油氣管道的基本參數

1.2 定義材料物理屬性

將Solidworks 建立的管道模型導入ANSYS 軟件后，第一步檢查模型的建立情況，這一步也會直接影響到后處理結果。本文選取的材料API 5L X80 屬于管線鋼[8]，在ANSYS 軟件材料庫找到非線性管線鋼并賦予管道模型屬性，然后對油氣管道彈性模量、密度、泊松比、抗拉強度、應力應變關系等基本參數進行設定。油氣管道在工作壓力下會發生彈塑性變形，材料的真實應力-應變關系屬于非線性參數[9-10]，API 5L X80 應力應變關系曲線如圖2所示。

圖2 應力應變曲線

1.3 網格劃分

本文的重點研究對象是腐蝕缺陷區域及缺陷周圍的應力應變對整個管道的影響，為了節約時間，避免無效功，在對腐蝕缺陷油氣管道進行劃分網格時，對油氣管道沒有腐蝕缺陷的地方進行粗略的劃分，對腐蝕缺陷區域及缺陷周圍進行細化，管道兩端全約束[11-12]。

1.4 失效準則

失效準則主要有[13-14]：彈性極限準則、塑性失效準則[15]、數值失穩準則。根據文獻資料[16-17]顯示，采用塑性失效準則分析管道是否安全最為合適。

2 管道剩余強度評價

2.1 角度對管道剩余強度的影響

腐蝕缺陷以矩形為例，與管道軸向夾角為變量，探究缺陷夾角和管道失效壓力的聯系。缺陷深度d=7 mm，長度L=400 mm，寬度B=200 mm，設定內壓p=10 MPa，軸向傾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，引入角度系數K=θ/15。等效應力云圖如圖3所示。

圖3 不同角度下缺陷應力云圖

由圖3可知，雙點含角度腐蝕缺陷管道剩余強度，不同于腐蝕缺陷環、軸向距離的影響，介于兩者之間且呈對稱分布。缺陷區域整體應力水平隨著角度的增加在不斷的下降。缺陷長邊兩側出現低應力區，但是隨著角度的增加，低應力的區域不斷減少，并且在不斷的向下外側拐角和上內側拐角移動，但是低應力區域內的應力值在不斷的增加。下內側和上外側拐角應力集中最為明顯，形成了兩個小范圍的應力高值區。應力隨角度變化的規律曲線如圖4所示。圖4（a）研究結果表明，管材等效應力隨角度變化產生波動，沒有明顯的增大與減小趨勢。隨著內壓的增加，管道首先發生彈性變形，隨后進入塑性變形和屈服階段，一旦壓力繼續升高，缺陷上的應力顯著增加，管道破裂。由圖4（b）可知，如果管道腐蝕缺陷存在夾角，對管道的剩余強度也存在影響，失效壓力小幅度增長后大幅度迅速增長，并且增長幅度呈遞增趨勢。

圖4 應力隨角度的變化

2.2 深度對剩余強度的影響

以腐蝕缺陷深度為變量，寬度B=400 mm，長度L=100 mm，寬度B=100 mm，內壓p=10 MPa，傾角為45°，深度分別為1、3、5、7，9、11 mm，不同深度下缺陷的應力云圖如圖5所示。

圖5 不同深度下缺陷應力云圖

圖6（a）為雙點腐蝕缺陷不同缺陷深度下的最大等效應力，最大值一般出現在上外拐角和下內拐角，隨著缺陷深度的增加，最大等效應力逐漸增大，但是增長幅度有所下降。圖6（b）為不同缺陷深度下的失效應力。隨著缺陷深度的增加，失效壓力驟降，且下降程度遞增。由此可知，腐蝕缺陷的深度關系到管道的工作壽命，管道腐蝕越深管道失效的可能性就越大。

圖6 應力隨深度的變化

2.3 長度對管道剩余強度的影響

以腐蝕缺陷長度為變量，設定內壓p=10 MPa，傾角為45°，寬度B=100 mm，深度d=7.2 mm，長度分別取100、200、300、400、500、600 mm，繪制等效應力云圖如圖7所示。

圖7 不同長度下缺陷應力云圖

圖8（a）為等效應力隨缺陷長度的變化，可知隨著缺陷長度的增加，等效應力也隨之增加，但是增長幅度較小。圖8（b）為失效應力隨缺陷長度的變化，隨著缺陷長度的增加，管道失效應力有所下降但不明顯。由此可知，雙方形腐蝕缺陷長度參數對管道剩余強度也是有著一定的影響。

圖8 應力隨長度的變化

3 結 論

缺陷傾角對失效壓力的影響較顯著。缺陷區域最大等效應力隨角度變化無明顯增減，管道失效壓力遞增式增加。

對管道失效壓力影響最大的是腐蝕深度。隨著深度的增加，失效壓力與腐蝕深度近似線性遞減。

隨著腐蝕缺陷長度的增加，失效壓力降低幅度呈遞減趨勢減小。各因素對管道失效壓力影響程度由大到小順序為：深度、角度、長度、寬度。