埋地城市燃?xì)夤艿廊ㄊв邢拊治?/h1>
2014-11-14 02:47:08邵大偉
當(dāng)代化工 2014年2期
劉 柯，邵大偉
（沈陽市特種設(shè)備檢測研究院， 遼寧 沈陽110000）
壓力管道廣泛應(yīng)用于石油、城市天然氣、化工、核能源等工業(yè)領(lǐng)域，擔(dān)負(fù)著輸送易燃、易爆、腐蝕、有毒及放射性介質(zhì)的重要任務(wù)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。三通管件是城市燃?xì)夤艿老到y(tǒng)中的重要元件，與直管相比，三通的形狀更加復(fù)雜，由于拐角、不等壁厚等幾何不連續(xù)及開孔等原因，造成了很大的應(yīng)力集中，使得即使在工作壓力下，三通相貫區(qū)也有可能產(chǎn)生局部的屈服。
同時(shí)，在管道運(yùn)行中，由于腐蝕、沖蝕、機(jī)械損傷以及對表面裂紋打磨等會引起管壁產(chǎn)生局部減薄缺陷。這類體積型缺陷的存在，會降低管道的承載能力，誘發(fā)破壞事故的產(chǎn)生，影響管道的完整性及安全運(yùn)行。因此對三通的完整性研究是非常重要的。管道最常見的失效形式是塑性失效，現(xiàn)有的管道失效評價(jià)規(guī)范ASMEB31G-2009[1]、加拿大管道規(guī)范CSA-Z 184-M86[2]都是針對內(nèi)壓作用下直管管壁的局部減薄，對三通的局部減薄的安全評定沒有作出規(guī)定。
ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、熱、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司美國 ANSYS 公司開發(fā)。
ANSYS 軟件可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、石化、機(jī)械、電子、土木工程等一般工業(yè)及科學(xué)研究。它能與多數(shù)CAD 軟件如Pro /Engineer、NASTRAN、AutoCAD軟件等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。
本文就使用ANSYS軟件采用塑性失效有限元，考慮材料非線性和集合非線性，對鋼制三通管件受內(nèi)壓和極限彎矩作用下失效模式的相關(guān)問題加以探討，介紹使用 ANSYS 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的思路、基本步驟及三通失效模式評價(jià)方法。
1 三通有限元分析
1.1 有限元模型的建立
三通管件公稱尺寸為DN 377 mm×377 mm×254 mm，主管內(nèi)徑為377 mm，支管內(nèi)徑為254 mm，管道材質(zhì)為L245MB管線鋼，壁厚為6 mm，埋深1.7 m，在建模時(shí)考慮到幾何結(jié)構(gòu)、外載荷及約束的對稱性，采用了簡化形式，建立了1/2模型，如圖1所示，在網(wǎng)格劃分上采用 20節(jié)點(diǎn)等參單元SOLID95，為了確保計(jì)算結(jié)果的精確度，網(wǎng)格應(yīng)盡可能規(guī)整、均勻，網(wǎng)格劃分如圖2。
圖1 三通管道幾何模型Fig.1 The model of three-way pipe
圖2 三通管道網(wǎng)格劃分Fig.2 The grid division of three-way pipe
1.2 材料參數(shù)的確定
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[3]得該型號鋼材的彈性模量E=2. 06×105MPa，泊松比μ＝0.3，強(qiáng)化模量ET=0，屈服強(qiáng)度為245 MPa，抗拉強(qiáng)度為415 MPa。在計(jì)算模型中采用Ramberg-Osgood（簡稱R-O）冪硬化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如式(1)所示，材料特性見圖3所示。
式中:ss—屈服強(qiáng)度，MPa；
e0—初始應(yīng)變，e0=ss/E；
n—冪硬化指數(shù)；
a—硬化系數(shù)；
E—初始彈性模量，MPa。
1.3 載荷及邊界條件的確定
在內(nèi)表面施加工作壓力0.6 MPa，在支管橫截面和主管橫截面上施加均布應(yīng)力[4]。直接在主、支管內(nèi)表面施加均勻分布的壓力p0，并在主、支管端面施加等效軸力Pm按式(2)計(jì)算[5]：
圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.3 The curve of stress - strain
式中：Do—直管段外徑；
Di—直管段內(nèi)徑；
p0—管件的內(nèi)壓。
若要獲得三通的塑性極限彎矩，所施加的彎矩必須足夠大，本文計(jì)算中，將三通主管的塑性極限彎矩載荷由式(3)[6]得。
利用式(4)將極限彎矩轉(zhuǎn)化為支管端部的最大等效彎曲應(yīng)力
然后利用梯度加載法沿X（面外彎矩）軸方向給支管端部施加表面載荷。
2 計(jì)算結(jié)果及分析
2.1 內(nèi)壓及極限面外彎矩聯(lián)合作用下無缺陷三通塑性失效模式
三通位于管道轉(zhuǎn)彎處，管道受面外彎矩作用時(shí)，當(dāng)彎矩達(dá)到極限彎矩時(shí)三通有可能發(fā)生塑性失效，如圖3、4所示。
圖3 無缺陷三通失效應(yīng)力分布圖Fig.3 The failure stress distribution of no defect three-way pipe
由圖 3(a)、(b)可知，內(nèi)壓和面外彎矩作用下三通塑性失效常是由于沿相貫線發(fā)生整圈塑性屈服，并形成塑性鉸并且極限狀態(tài)下的塑性區(qū)分布在整條相貫線的兩側(cè)區(qū)域，在此處易形成裂縫而產(chǎn)生泄漏，而遠(yuǎn)離三通相貫區(qū)的支、主管材料還處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。
2.2 內(nèi)壓及極限面外彎矩聯(lián)合作用下帶缺陷三通塑性失效模式
在役三通不可避免地出現(xiàn)流體沖刷局部減薄以及第三方破壞引起的缺陷，缺陷的存在會大大降低結(jié)構(gòu)承載能力，危及工業(yè)管道的安全運(yùn)行。但斷裂力學(xué)研究表明，設(shè)備中存在缺陷并不說明設(shè)備會立即損壞，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)許多存在超標(biāo)缺陷的設(shè)備卻可長期安全使用，可見缺陷不是不可接受的，可通過對含缺陷三通元件的在外力作用下應(yīng)力分析，來監(jiān)控三通是否可繼續(xù)使用。利用有限元評定局部減薄三通方法是對局部減薄區(qū)的應(yīng)力場分布進(jìn)行分析，三通的支、主管壁厚均較薄，其上的缺陷絕對尺寸較小，且一般是由韌性較好的碳鋼或不銹鋼材料制成，其失效模式常表現(xiàn)為極限載荷控制的塑性破壞。由式(3)求得極限彎矩，依據(jù)簡化后的有限元模型，分析了內(nèi)壓和極限面外彎矩作用下的主管底部、主管腹部及主管肩部的局部減薄缺陷三通塑性失效模式。
圖4 帶缺陷三通失效應(yīng)力分布圖Fig.4 The failure stress distribution of with local wall-thinning three-way pipe
由圖4（a）、(b)、(c）可知，內(nèi)壓和極限面外彎矩聯(lián)合作用下，局部減薄位置在主管底部時(shí)，缺陷位于管道的低應(yīng)力區(qū)，三通失效應(yīng)力分布圖與無缺陷三通相差很小，還是在相關(guān)區(qū)域出現(xiàn)塑性失效區(qū)域；局部減薄出現(xiàn)在主管腹部時(shí)，除了相貫區(qū)域外在局部減薄區(qū)靠近相貫區(qū)也會先出現(xiàn)塑性區(qū)域；局部減薄區(qū)域出現(xiàn)在主管肩部時(shí)，局部減薄對管道應(yīng)力分布影響較小，管道塑性區(qū)域出現(xiàn)在相貫處。受內(nèi)壓和面外彎矩作用下，管道失效以相貫區(qū)塑性失效為主，局部減薄位于主管腹部時(shí)對管道失效模式影響最大。
3 結(jié) 論
（1）無缺陷三通受內(nèi)壓和極限面內(nèi)彎矩時(shí)，沿相貫線形成塑性鉸，并且在靠近相貫線的主管腹部會出現(xiàn)塑性區(qū)，無缺陷三通受內(nèi)壓和極限面外彎矩時(shí)，沿相貫線形成塑性鉸，發(fā)生整圈塑性屈服，并且塑性區(qū)分布在整條相貫線的兩側(cè)區(qū)域，在此處易形成裂縫而產(chǎn)生泄漏；
（2）當(dāng)局部減薄區(qū)位于主管底部時(shí)，由于在主管底部出現(xiàn)應(yīng)力較小區(qū)域，三通失效模式與無缺陷三通失效模式相同。
當(dāng)缺陷位于主管腹部時(shí)，除了相貫線附近出現(xiàn)塑性區(qū)以外，缺陷處也會進(jìn)入塑性區(qū)服階段，當(dāng)缺陷位于主管肩部時(shí)，面內(nèi)彎矩作用下，缺陷邊緣靠近支管處會出現(xiàn)裂縫，而面外彎矩作用下，肩部缺陷三通失效模式影響較小。
［1］ANSI/ASME B31G-2009.Manual for determining strength of corroded pipelines [S]. ASME，New York.
［2］CAN/CSA-Z184-M86. Gas pipeline systems [S].CanadaStandards Association，1986.
［3］成大先，王德夫，姜勇,等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
［4］王澤軍．鍋爐結(jié)構(gòu)有限元分析［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．
［5］馬季紅，帥健，魏化中,等．局部減薄埋地三通塑性極限內(nèi)壓的有限元分析[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2010(1)：34-36．
［6］賈慧玲.受外載作用焊制三通塑性極限載荷的有限元分析[D]. 北京:北京化工大學(xué),2004.
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ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、熱、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司美國 ANSYS 公司開發(fā)。
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圖2 三通管道網(wǎng)格劃分Fig.2 The grid division of three-way pipe
1.2 材料參數(shù)的確定
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式中:ss—屈服強(qiáng)度，MPa；
e0—初始應(yīng)變，e0=ss/E；
n—冪硬化指數(shù)；
a—硬化系數(shù)；
E—初始彈性模量，MPa。
1.3 載荷及邊界條件的確定
在內(nèi)表面施加工作壓力0.6 MPa，在支管橫截面和主管橫截面上施加均布應(yīng)力[4]。直接在主、支管內(nèi)表面施加均勻分布的壓力p0，并在主、支管端面施加等效軸力Pm按式(2)計(jì)算[5]：
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若要獲得三通的塑性極限彎矩，所施加的彎矩必須足夠大，本文計(jì)算中，將三通主管的塑性極限彎矩載荷由式(3)[6]得。
利用式(4)將極限彎矩轉(zhuǎn)化為支管端部的最大等效彎曲應(yīng)力
然后利用梯度加載法沿X（面外彎矩）軸方向給支管端部施加表面載荷。
2 計(jì)算結(jié)果及分析
2.1 內(nèi)壓及極限面外彎矩聯(lián)合作用下無缺陷三通塑性失效模式
三通位于管道轉(zhuǎn)彎處，管道受面外彎矩作用時(shí)，當(dāng)彎矩達(dá)到極限彎矩時(shí)三通有可能發(fā)生塑性失效，如圖3、4所示。
圖3 無缺陷三通失效應(yīng)力分布圖Fig.3 The failure stress distribution of no defect three-way pipe
由圖 3(a)、(b)可知，內(nèi)壓和面外彎矩作用下三通塑性失效常是由于沿相貫線發(fā)生整圈塑性屈服，并形成塑性鉸并且極限狀態(tài)下的塑性區(qū)分布在整條相貫線的兩側(cè)區(qū)域，在此處易形成裂縫而產(chǎn)生泄漏，而遠(yuǎn)離三通相貫區(qū)的支、主管材料還處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。
2.2 內(nèi)壓及極限面外彎矩聯(lián)合作用下帶缺陷三通塑性失效模式
在役三通不可避免地出現(xiàn)流體沖刷局部減薄以及第三方破壞引起的缺陷，缺陷的存在會大大降低結(jié)構(gòu)承載能力，危及工業(yè)管道的安全運(yùn)行。但斷裂力學(xué)研究表明，設(shè)備中存在缺陷并不說明設(shè)備會立即損壞，實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)許多存在超標(biāo)缺陷的設(shè)備卻可長期安全使用，可見缺陷不是不可接受的，可通過對含缺陷三通元件的在外力作用下應(yīng)力分析，來監(jiān)控三通是否可繼續(xù)使用。利用有限元評定局部減薄三通方法是對局部減薄區(qū)的應(yīng)力場分布進(jìn)行分析，三通的支、主管壁厚均較薄，其上的缺陷絕對尺寸較小，且一般是由韌性較好的碳鋼或不銹鋼材料制成，其失效模式常表現(xiàn)為極限載荷控制的塑性破壞。由式(3)求得極限彎矩，依據(jù)簡化后的有限元模型，分析了內(nèi)壓和極限面外彎矩作用下的主管底部、主管腹部及主管肩部的局部減薄缺陷三通塑性失效模式。
圖4 帶缺陷三通失效應(yīng)力分布圖Fig.4 The failure stress distribution of with local wall-thinning three-way pipe
由圖4（a）、(b)、(c）可知，內(nèi)壓和極限面外彎矩聯(lián)合作用下，局部減薄位置在主管底部時(shí)，缺陷位于管道的低應(yīng)力區(qū)，三通失效應(yīng)力分布圖與無缺陷三通相差很小，還是在相關(guān)區(qū)域出現(xiàn)塑性失效區(qū)域；局部減薄出現(xiàn)在主管腹部時(shí)，除了相貫區(qū)域外在局部減薄區(qū)靠近相貫區(qū)也會先出現(xiàn)塑性區(qū)域；局部減薄區(qū)域出現(xiàn)在主管肩部時(shí)，局部減薄對管道應(yīng)力分布影響較小，管道塑性區(qū)域出現(xiàn)在相貫處。受內(nèi)壓和面外彎矩作用下，管道失效以相貫區(qū)塑性失效為主，局部減薄位于主管腹部時(shí)對管道失效模式影響最大。
3 結(jié) 論
（1）無缺陷三通受內(nèi)壓和極限面內(nèi)彎矩時(shí)，沿相貫線形成塑性鉸，并且在靠近相貫線的主管腹部會出現(xiàn)塑性區(qū)，無缺陷三通受內(nèi)壓和極限面外彎矩時(shí)，沿相貫線形成塑性鉸，發(fā)生整圈塑性屈服，并且塑性區(qū)分布在整條相貫線的兩側(cè)區(qū)域，在此處易形成裂縫而產(chǎn)生泄漏；
（2）當(dāng)局部減薄區(qū)位于主管底部時(shí)，由于在主管底部出現(xiàn)應(yīng)力較小區(qū)域，三通失效模式與無缺陷三通失效模式相同。
當(dāng)缺陷位于主管腹部時(shí)，除了相貫線附近出現(xiàn)塑性區(qū)以外，缺陷處也會進(jìn)入塑性區(qū)服階段，當(dāng)缺陷位于主管肩部時(shí)，面內(nèi)彎矩作用下，缺陷邊緣靠近支管處會出現(xiàn)裂縫，而面外彎矩作用下，肩部缺陷三通失效模式影響較小。
［1］ANSI/ASME B31G-2009.Manual for determining strength of corroded pipelines [S]. ASME，New York.
［2］CAN/CSA-Z184-M86. Gas pipeline systems [S].CanadaStandards Association，1986.
［3］成大先，王德夫，姜勇,等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
［4］王澤軍．鍋爐結(jié)構(gòu)有限元分析［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．
［5］馬季紅，帥健，魏化中,等．局部減薄埋地三通塑性極限內(nèi)壓的有限元分析[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2010(1)：34-36．
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