基于有限元分析的壓力管道缺陷智能評估軟件系統(tǒng)設計

基金項目： 國家重點研發(fā)計劃（批準號：2021YFB4000903）資助的課題;浙江省基礎(chǔ)公益研究計劃（批準號：LGF21E040002）資助的課題。

作者簡介：郭靜（1988-），講師，從事計算力學、復合材料結(jié)構(gòu)與光學檢測的研究，guojing@zjut.edu.cn。

引用本文：郭靜，劉昶辰，顧榮利，等.基于有限元分析的壓力管道缺陷智能評估軟件系統(tǒng)設計[J].化工機械，2024，51（2）：281-287;303.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402017

摘 要 針對缺陷安全性評價，開發(fā)了壓力管道應力分析與安全性智能評價軟件系統(tǒng)，集壓力管道數(shù)據(jù)管理-應力分析-智能評估-報告輸出功能于一體。將無損檢測獲得的缺陷數(shù)據(jù)導入軟件，自動建立含缺陷的三維有限元模型并進行應力計算分析，自動結(jié)合相關(guān)安全標準對含缺陷的管道進行安全評定，形成評價報告。該軟件提高了管道檢測與評價的精準性、可靠性與高效性。

關(guān)鍵詞 含缺陷壓力管道 數(shù)據(jù)管理 應力分析 安全評定 有限元分析

中圖分類號 TQ055.8+1" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）02?0281?08

工業(yè)壓力管道通常用于輸送具有一定壓力的氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)，然而在其制造和使用過程中會不同程度地產(chǎn)生各種缺陷，一方面，壓力管道服役時承受的載荷較為復雜，缺陷的存在可能會導致嚴重事故的發(fā)生，危害人們生命及財產(chǎn)安全;另一方面，如果對存在缺陷的管道，不經(jīng)過定期檢驗檢測與安全性評價而直接進行維修或報廢，則會造成不必要的經(jīng)濟損失，對企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營產(chǎn)生不利影響。因此，準確檢測壓力管道缺陷并對這些缺陷做出安全性評價與合理處置具有極大的工程實際意義。

目前，常見的壓力管道缺陷無損檢測手段有射線檢測、滲透檢測、電磁檢測及相控陣超聲檢測等[1～4]。其中，相控陣超聲檢測因可對缺陷進行不同維度的成像顯示，進而觀察到缺陷位置和尺寸形貌，逐漸成為管道缺陷檢測的首選技術(shù)[5～8]。然而，缺陷檢測技術(shù)提升的最終目的是對含缺陷管道給出其承壓性能的安全性評價，所以如何處理檢測出的缺陷是實際使用過程中最關(guān)注的問題。

針對在役含缺陷壓力管道的安全性評定方法，國內(nèi)外學者做了大量研究，并制定了一系列的安全評定標準，包括GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》、ASME IWB?3650及附錄H“鐵素體鋼管道缺陷評定規(guī)程及驗收準則”等[9]。上述傳統(tǒng)方法大多是基于相關(guān)標準和規(guī)范給出評價方法，對檢測數(shù)據(jù)進行人工計算，然后根據(jù)最終的計算結(jié)果評定其安全狀態(tài)[10～12]。此過程要求評定人員具備材料檢驗、應力分析及相關(guān)實驗計算知識，并有較豐富的缺陷判別經(jīng)驗，評定過程復雜，對人工要求較高。另外，傳統(tǒng)方法僅能夠評定單個缺陷，無法更深入地對多個缺陷進行綜合分析，實現(xiàn)缺陷分析數(shù)據(jù)管理。因此，亟需利用數(shù)據(jù)庫與模型庫對檢測數(shù)據(jù)進行管理與分析，并以此為基礎(chǔ)建立缺陷檢測-分析-評價一體化的智能評估系統(tǒng)。

為此，筆者開發(fā)了一款壓力管道應力分析與缺陷智能評價軟件，提供了一套完整的壓力管道數(shù)據(jù)管理-應力分析-智能評估-報告輸出系統(tǒng)。在通過相控陣超聲獲得缺陷三維形貌數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合ANSYS的二次開發(fā)工具APDL，建立含缺陷結(jié)構(gòu)的三維有限元模型進行載荷與應力分析，自動結(jié)合安全標準對含缺陷的管道進行適用性評定，形成評價報告，為工程技術(shù)人員提供智能化評價工具，實現(xiàn)管道檢測與評價的精準性、可靠性與高效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

壓力管道數(shù)據(jù)管理-分析-評價一體化的智能評估系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫模塊、模型庫模塊和缺陷評定模塊3個功能模塊。

1.1 數(shù)據(jù)庫模塊

首先，建立管道數(shù)據(jù)庫對壓力管道數(shù)據(jù)進行分類管理，包括壓力管道設計時對應的管道名稱、編號、級別、材質(zhì)、設計壓力、設計溫度、介質(zhì)、設計使用壽命以及投入使用后的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括投入使用日期、最大工作壓力、工作溫度等。使用人員在進行缺陷評估時，可直接調(diào)用管道原始數(shù)據(jù)。

其次，建立材料數(shù)據(jù)庫。對于壓力管道常用材料建立相應參數(shù)數(shù)據(jù)庫，包括彈性模量、屈服強度、抗拉強度、流變應力及許用應力等。材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立可為缺陷安全評定提供參考。

最后，建立缺陷數(shù)據(jù)庫。通過相控陣超聲檢測技術(shù)與OpenGL軟件技術(shù)的有機結(jié)合可獲得真實缺陷的類型、長度、深度、位置及走向等信息。基于檢測所得到的數(shù)據(jù)，將缺陷類型進行分類管理，建立針對不同缺陷類型的規(guī)則化處理模型，以便快速建立含缺陷管道模型。

1.2 模型庫模塊

模型庫的建立是基于含缺陷壓力管道的安全評定標準結(jié)合應力分類方法，利用ANSYS的二次開發(fā)，對壓力管道的應力做出精確詳細的計算。安全標準是評價管道缺陷的依據(jù)，對材料性能數(shù)據(jù)的確定起關(guān)鍵性作用。模型庫對壓力管道評定所需的主要標準進行歸類，包括各項標準里材料性能數(shù)據(jù)的計算方法和缺陷評定所需的各項容限值。在缺陷評定過程中，選擇相應的標準后可自動匹配計算方法。

模型庫主要包括缺陷評定方法。文中壓力管道缺陷評定方法是應力狀態(tài)法，將不同的應力按產(chǎn)生原因與性質(zhì)進行區(qū)分，并對不同應力設置不同的限制值，分別得到一次應力P和二次應力Q，進而以最大等效應力點作為應力評定線的起始點，適用于壓力管道的缺陷評定分析。采用應力分類方法可忽略幾何非線性，且所需的材料參數(shù)少，不涉及收斂問題，因此在壓力管道設計領(lǐng)域被廣泛使用[12]。

1.3 缺陷評定模塊

根據(jù)有限元計算得到的應力數(shù)據(jù)和失效模式可以得到缺陷變化趨勢，再結(jié)合壓力管道“合于使用”標準，進而可以得到管道缺陷評定結(jié)果，實現(xiàn)缺陷定量分析評定和危害性程度的智能判定，并自動生成評價報告，實現(xiàn)缺陷評定分析的智能化與自動化。

本系統(tǒng)是綜合考慮了材料、結(jié)構(gòu)、缺陷和應力四者有機結(jié)合的壓力管道分析與評定系統(tǒng)。

2 軟件實現(xiàn)

2.1 軟件概述

筆者使用Python語言與QT圖形用戶界面庫，編制針對存在缺陷的壓力管道的安全性智能評價軟件。通過該軟件，可以調(diào)用管道數(shù)據(jù)庫、材料數(shù)據(jù)庫和缺陷數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，后臺調(diào)用模型庫中的安全標準和計算方法，可以得到缺陷模型所需的材料性能數(shù)據(jù)及指標數(shù)據(jù)進行有限元計算，并根據(jù)失效評定方法和國內(nèi)外相關(guān)標準進行缺陷評定，最后輸出結(jié)果自動生成報告。該軟件可以實現(xiàn)參數(shù)化建模、自動化應力計算和報告自動生成，實現(xiàn)壓力管道的數(shù)據(jù)管理、分析與評價一體化。

軟件主界面功能區(qū)域如圖1所示。

軟件主界面分為7個工作區(qū)域：

a. ①區(qū)域，包括管道名稱、設計壓力、溫度及材料等，該部分可調(diào)用管道數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，輸入管道編號之后，系統(tǒng)根據(jù)管道數(shù)據(jù)庫中的信息，自動查詢其各項數(shù)據(jù)，包括投入使用日期、最大工作壓力、工作溫度及管道材料信息等，輸出報告時會自動顯示。同時，數(shù)據(jù)將被用于分析計算，評定管道是否合格。

b. ②區(qū)域，輸入報告編號、評價日期等信息，輸出報告時會自動讀取。

c. ③區(qū)域，被檢測單位信息，輸出報告時會自動讀取。

d. ④區(qū)域，添加缺陷位置示意圖、管線彎曲分析模型圖和管線彎矩分布圖，輸出報告時軟件將導入對應圖片，并插在報告相應的位置。

e. ⑤區(qū)域，后臺調(diào)用ANSYS進行有限元分析時，可選擇需要顯示的中間步驟。

f. ⑥區(qū)域，缺陷信息包括管道規(guī)格、缺陷類型、缺陷尺寸及評定等級等，該區(qū)域是有限元分析建模與缺陷評定系統(tǒng)參數(shù)讀取的主要區(qū)域，此處允許用戶輸入缺陷關(guān)鍵尺寸參數(shù)，軟件自動根據(jù)所輸入的尺寸進行缺陷參數(shù)化建模與自動化應力計算。

g. ⑦區(qū)域，安全性評價報告形成并輸出。

軟件主界面的①～③區(qū)域?qū)氖枪艿涝O計與使用信息，可調(diào)用管道數(shù)據(jù)庫信息。④～⑥區(qū)域顯示的是管道缺陷信息，可調(diào)用模型庫信息，模型的計算通過在后臺調(diào)用ANSYS進行，最后缺陷評定系統(tǒng)會根據(jù)所得應力數(shù)據(jù)，結(jié)合安全標準，進行安全性評價，最終自動完成并輸出評價報告。

2.2 智能評定流程

缺陷評定過程（圖2）如下：

a. 基于無損檢測結(jié)果，確定缺陷的三維特征（形狀、尺寸與深度），進而將缺陷進行分類，確定缺陷類型，如壁厚局部減薄缺陷、未焊透缺陷或氣孔、夾渣缺陷等，并進行規(guī)則化處理。

b. 根據(jù)缺陷的特征參數(shù)，建立帶缺陷的幾何模型，進行有限元分析，并應用應力分類方法對有限元結(jié)果進行分析。

c. 依據(jù)相應標準規(guī)范，自動完成附表中的缺陷評定。

d. 自動生成評價報告。

2.3 有限元計算

無論是對壓力管道進行設計、檢驗檢測還是安全性評定，都需要管道外力、內(nèi)力和應力應變狀況數(shù)據(jù)的支持。由于管道結(jié)構(gòu)復雜和缺陷類型較多，一般采用有限元方法計算其內(nèi)力和應力應變[13～17]。本軟件在有限元軟件二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了含缺陷管道的應力應變分析。①、④、⑥區(qū)域的數(shù)據(jù)主要用于有限元分析建模與缺陷評定，由于數(shù)據(jù)較多且有限元計算較為費時，為保證計算的準確性與高效性，在有限元計算之前設置數(shù)據(jù)校驗環(huán)節(jié)。例如，⑥區(qū)域中缺陷所在的管道外徑，與①區(qū)域中填寫的“管線外徑”中，任意一組數(shù)值不能實現(xiàn)匹配，就無法進入有限元計算模塊。

含缺陷壓力管道應力應變有限元分析過程主要包括前處理、求解、后處理。管道應力應變的有限元分析可通過系統(tǒng)后臺調(diào)取有限元軟件ANSYS。前處理與求解是根據(jù)無損檢測得到的數(shù)據(jù)，建立模型，劃分網(wǎng)格，施加外力與約束條件，進行應力應變計算。后處理則是篩選相關(guān)所需數(shù)據(jù)，為下一步的缺陷評價提供支撐。

以相控陣超聲檢測中一條含未焊透缺陷、安全狀況等級為4級的工業(yè)管道為例，首先對無損檢測得到的缺陷進行規(guī)則化處理。根據(jù)未焊透缺陷具體的位置、形狀和尺寸，將缺陷按圖3規(guī)則化為軸向半長為A、環(huán)向半長為B、深度為C的表面缺陷[18]。

如圖4所示為基于規(guī)則化缺陷尺寸與形狀，結(jié)合管道內(nèi)外徑尺寸和厚度所建立的含缺陷管道模型，將管道的設計長度設置為5倍的管道外徑。

根據(jù)缺陷尺寸、管道壁厚等參數(shù)，劃分網(wǎng)格。為保證計算結(jié)果的準確性與可靠性，所以在缺陷周圍區(qū)域需要適當加密網(wǎng)格。軟件在劃分網(wǎng)格時會在厚度方向上保持一定的層數(shù)，同時考慮到單元各方向尺寸的比例，避免網(wǎng)格畸變，結(jié)果如圖5所示。

在管道內(nèi)壁施加壓力，一端施加x、y方向的固定約束，另一端施加z方向的固定約束。也可根據(jù)缺陷所在位置的管道局部實際受力情況進行等效約束處理，并施加相應的約束條件。進行有限元計算時，軟件自動彈出計算進度條，方便預估完成時間。計算完成時，可得到管道整體的應力分布情況，如圖6所示。

將缺陷及其周圍網(wǎng)格加密部分（軸向半長=10×缺陷軸向半長）提出，找出缺陷區(qū)域應力最大點，并沿壁厚方向繪制路徑，如圖7所示。軟件在此路徑下自動運用應力分類法對該壓力管道的強度進行計算分析，得到一次應力，一次應力與二次應力之和如圖8所示，可為缺陷評價提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4 自動生成報告

完成建模與應力計算后，軟件可自動生成并輸出報告。軟件根據(jù)輸入的信息（包括圖片路徑等）調(diào)整文本的內(nèi)容并按照設定的模板生成報告。軟件基于模型庫中的安全評定標準與方法，自動計算、校核“缺陷評定表”，填寫計算結(jié)果，并根據(jù)需要評定的缺陷數(shù)量，生成對應數(shù)量的評定結(jié)果，實現(xiàn)對多個缺陷的綜合分析。文本生成成功時，系統(tǒng)給出提示（圖9）。

3 結(jié)束語

筆者設計的壓力管道分析與缺陷智能評價軟件，實現(xiàn)了壓力管道數(shù)據(jù)管理-應力分析-智能評估-報告輸出的一體化操作。通過調(diào)取管道數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，確定管道的內(nèi)外徑尺寸、管道材質(zhì)、工作環(huán)境以及投入使用日期等重要信息，進而對無損檢測得到的缺陷進行規(guī)則化處理，建立含缺陷結(jié)果的三維有限元模型，在有限元軟件二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，得到應力最大點及應力評定路徑，自動結(jié)合行業(yè)標準和專業(yè)知識對含缺陷的管道進行安全性評定，自動形成并輸出報告，為工程技術(shù)人員提供了一種智能化評價工具，具有重大的實際意義和工程應用價值。

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（收稿日期：2023-04-25，修回日期：2024-03-17）

Software System Design for Intelligent Assessment of Pressure Pipeline Defects Based on Finite Element Analysis

GUO Jing1， LIU Chang?chen1， GU Rong?li2， MA Li1

（1. College of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology;2. Hangzhou GT Technology Co.，Ltd.）

Abstract" In this paper， aiming at safety evaluation of defects， a software system for analyzing the stress and intelligently assessing the safety of pressure pipelines was developed， which boasts of the data manage?ment， stress analysis， intelligent evaluation and report output of pressure pipelines， including having the