王福眾 李強

1中國石化集團管道儲運公司魯寧輸油處 2中國石油勘探開發(fā)公司

長期服役含孔盜油管段結(jié)構(gòu)強度的模擬分析

王福眾1李強2

1中國石化集團管道儲運公司魯寧輸油處 2中國石油勘探開發(fā)公司

針對輸油管道盜油孔引起管道局部應(yīng)力集中及焊接修復時產(chǎn)生殘余應(yīng)力的狀況，基于ANSYS有限元分析平臺對魯寧管道某盜油管段盜油孔修復過程、管道運營狀態(tài)進行數(shù)值模擬。具體包括單獨考慮內(nèi)壓作用下管道應(yīng)力分布狀態(tài)模擬，管道制造、盜油孔修復時焊接所造成的殘余應(yīng)力分析以及綜合考慮焊接殘余應(yīng)力與內(nèi)壓的共同作用，模擬盜油孔管道應(yīng)力應(yīng)變分布。結(jié)果表明，有限元數(shù)值方法具有較高可靠性，盜油孔及其修補焊帽的存在造成了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)最高為2.05。

輸油管道；打孔盜油；焊接；殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬

魯寧輸油管道途經(jīng)山東、安徽和江蘇3省，首站為山東臨邑，末站江蘇儀征，全長655.37 km，管道直徑720 mm，壁厚8(9)mm，設(shè)計運行最高工作壓力4.2 MPa，管道材質(zhì)為16 Mn螺旋焊縫鋼管。然而，自20世紀90年代以來這條管線卻時常受到人為破壞。針對輸油管道盜油孔引起管道局部應(yīng)力集中及焊接修復時產(chǎn)生殘余應(yīng)力的狀況，基于ANSYS有限元分析平臺對盜油孔修復過程、管道運營狀態(tài)進行數(shù)值模擬。具體包括單獨考慮內(nèi)壓作用下管道應(yīng)力分布狀態(tài)，管道制造、盜油孔修復時焊接所造成的殘余應(yīng)力分析以及綜合考慮焊接殘余應(yīng)力與內(nèi)壓的共同作用，模擬盜油孔管道應(yīng)力應(yīng)變分布，并與實驗結(jié)果進行對比，分析由于焊接以及應(yīng)力集中對管道強度造成的影響情況。

1 內(nèi)壓作用下輸油管道應(yīng)力分析

分析用的輸油管道內(nèi)直徑d=704 mm，外直徑D=720 mm，壁厚t=8 mm，管體頂部分布有9個盜油孔及修復焊帽，大焊帽內(nèi)直徑160 mm，小焊帽內(nèi)直徑107 mm。管體螺旋焊縫從左起第4、5盜油孔之間穿過。該管體在工程上屬于薄壁圓筒，當沒有盜油孔時，忽略其所承受的外壓，僅受內(nèi)壓p作用時，管體環(huán)向應(yīng)力可以求得解析解若取p=4 MPa，計算可得：σθ=180 MPa.

對存在盜油孔的輸油管道應(yīng)力分布進行有限元計算時，采用8節(jié)點三維實體單元solid45建立有限元計算模型。計算中忽略重力和焊接殘余應(yīng)力的影響，僅考慮模型承受內(nèi)壓的作用（p=4 MPa）。

從局部應(yīng)力分布上可以明顯觀察到盜油孔附近存在高應(yīng)力區(qū)，這是由于盜油孔造成結(jié)構(gòu)改變引起應(yīng)力場發(fā)生變化所致。提取管體上受盜油孔及邊界約束影響較小的44751號節(jié)點，其環(huán)向應(yīng)力σθ= 173 MPa?？梢钥闯觯邢拊治鼋Y(jié)果和經(jīng)典力學理論解比較接近，誤差為3.8%。說明利用ANSYS進行管道應(yīng)力的有限元分析，采用實體單元建模能獲得較好的計算結(jié)果。

在內(nèi)壓4 MPa時選取1、3、5、7號盜油孔處的最大環(huán)向應(yīng)力與無盜油孔存在的普通管體處環(huán)向應(yīng)力（180 MPa）進行比較，求得應(yīng)力集中系數(shù)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，3號孔處應(yīng)力集中最嚴重，最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.05。

表1 盜油孔導致的應(yīng)力集中情況

研究發(fā)現(xiàn)，盜油孔局部應(yīng)力增大不是由于橫截面面積減小而引起的，即使橫截面面積只減小千分之幾，由于盜油孔造成的局部應(yīng)力集中也會使最大應(yīng)力增大若干倍，并且增大程度幾乎與孔大小無關(guān)。從環(huán)向應(yīng)力和Mises應(yīng)力隨距盜油孔的距離的變化情況可以看出：應(yīng)力隨著與盜油孔距離的增大而迅速減?。槐I油孔焊帽的存在對管體應(yīng)力分布影響較大，其根部的環(huán)向應(yīng)力與Mises應(yīng)力較小，但焊帽的影響范圍很小，焊帽以外管體的應(yīng)力迅速趨于無孔時的管體應(yīng)力狀態(tài)。同時從模擬結(jié)果可以看出：盜油孔之間受兩個盜油孔共同作用的位置，其應(yīng)力分布與遠離盜油孔的普通管體處基本一致，其影響基本可以忽略不計。

2 焊接殘余應(yīng)力

在實際情況下，焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是相當復雜的，一般可分以下三種情況：①焊接熱源的移動性；②約束應(yīng)力；③相變應(yīng)力。

2.1 焊接溫度場數(shù)值模擬

首先對螺旋焊縫焊接進行計算，為后續(xù)分析做鋪墊，計算模型與前面內(nèi)壓分析計算模型一致。焊接時間t=405.3 s時管體的溫度云紋圖表現(xiàn)出了明顯的“拖尾”現(xiàn)象，最高溫度位于焊接熱源中心，達到1 061℃。當與熱源的距離增加時，熱源前方溫度的下降最為劇烈，而熱源后方則最為緩慢，熱源兩邊為中等梯度。

盜油分子焊接盜油支管后不會再去進行去應(yīng)力退火，盜油孔焊接修復由于受現(xiàn)場施工條件的限制，也難以實行去應(yīng)力退火處理。有限元計算方法與前述管道制造螺旋焊接模擬類似，但沒有退火處理過程。從焊帽焊接冷卻結(jié)束時管道的溫度分布圖中可以看出，焊接修復后管道的最高溫度Tmax= 26.858℃，最低溫度Tmin=25.007℃，基本與室溫一致，可以認為已經(jīng)冷卻完全。

2.2 焊接應(yīng)力場數(shù)值模擬

焊接殘余應(yīng)力場采用非線性靜力分析，因此對材料處理為與應(yīng)變率無關(guān)的塑性，塑性應(yīng)變假定為瞬間建立。

圖1為管體退火前后的Mises應(yīng)力分布圖，兩者的應(yīng)力分布趨勢基本一致，但去應(yīng)力退火使管體殘余應(yīng)力值大幅降低，殘余最大Mises應(yīng)力從409 MPa降至34.1 MPa，說明去應(yīng)力退火對焊接殘余應(yīng)力消除作用相當明顯，能滿足實際需要。

圖1 管管體退火前后的Mises應(yīng)力分布

盜油孔及焊帽焊接由于沒有進行去應(yīng)力退火，焊縫熱影響區(qū)存在較大的殘余應(yīng)力，盜油支管與焊帽根部的焊縫處為高應(yīng)力區(qū)，焊接影響范圍大約15 cm。

3 壓力管道有限元計算

根據(jù)實驗建立有限元模型，管道和盜油孔內(nèi)壁施加壓力，兩端根據(jù)內(nèi)壓變化情況施加相應(yīng)的均布拉力，對管體壓力進行數(shù)值模擬實驗。從壓力p= 4 MPa時管道環(huán)向應(yīng)力與Mises應(yīng)力云紋圖可以看出，離盜油孔較遠的管體節(jié)點環(huán)向應(yīng)力與理論解（180 MPa）相近。由于盜油孔及焊帽焊接后沒有進行去應(yīng)力退火，其局部存在較大的焊接殘余應(yīng)力，相比之下，管體螺旋焊縫去應(yīng)力退火后殘余應(yīng)力很小。壓力p=8 MPa時，盜油孔及焊帽根部較大部分區(qū)域的應(yīng)力達到屈服極限，可見盜油孔及焊帽處的焊接殘余應(yīng)力對管道強度影響很大。

有限元計算所得現(xiàn)場實驗的管道環(huán)向應(yīng)力與Mises應(yīng)力在遠離兩端邊界和管體焊縫的節(jié)點環(huán)向應(yīng)力值為175 MPa，與理論值（180 MPa）的誤差為2.7%。取實驗壓力p=1.153 7 MPa，對此時的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)與相應(yīng)有限元計算結(jié)果進行對比，軸向、環(huán)向、斜向及盜油孔周邊共計45個測試點的結(jié)果表明，最大誤差24.32%，最小誤差0.62%，平均誤差11.09%，說明本模擬方法具有較高的可靠性。

4 結(jié)論

焊接給輸油管道帶來較大的殘余應(yīng)力，其結(jié)果會導致管道的承壓能力下降，容易發(fā)生管道爆管等重大事故，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬是確定焊接殘余應(yīng)力的有效方法之一。在參考已有焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，對盜油支管及修復焊帽焊接殘余應(yīng)力分布問題及其數(shù)值模擬方法進行了研究，得到了以下主要結(jié)論：

（1）計算模型的簡化問題。焊接過程的數(shù)值模擬是多物理場耦合問題，可以簡化為溫度場和結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的雙場單向耦合；采用與溫度相關(guān)的材料性質(zhì)可以獲得更符合實際的分析結(jié)果；焊縫區(qū)有限元網(wǎng)格劃分必須足夠密，以滿足高梯度的溫度場與應(yīng)力場精度要求；焊接過程應(yīng)力對材料熱性能影響很小，適合采用順序耦合的方法來實現(xiàn)熱—應(yīng)力場的耦合。

（2）根據(jù)現(xiàn)場實驗和室外壓力實驗資料，運用ANSYS有限元分析軟件對實驗進行有限元數(shù)值模擬，理論分析結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，可說明有限元數(shù)值方法的可靠性，反過來也說明實驗測試結(jié)果的準確性，測試數(shù)據(jù)對工程實際具有較好的參考價值。

（3）通過有限元數(shù)值模擬與理論結(jié)果進行對比分析得出，盜油孔及其修補焊帽的存在造成了局部應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)最高為2.05。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.007