韓 濤，劉 宇，楊柳青，尹長華，趙忠剛，姜曉紅，溫曉峰

1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北廊坊 065000

2.中油管道檢測技術(shù)有限責(zé)任公司，河北廊坊 065000

3.中國石油管道分公司，河北廊坊 065000

埋地管道由于受到石塊等外部硬物的擠壓，管體上可能會產(chǎn)生不同形狀和深度的凹陷變形，給油氣管道的安全運行帶來不利影響[1-2]。Dawson等[3]對歐洲7 000 km管道的內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后，發(fā)現(xiàn)了近萬處凹陷，平均1.4個/km；而國內(nèi)某條運行30余年的管道在內(nèi)檢測中也發(fā)現(xiàn)了100多處凹陷，且深度達到維修標(biāo)準(zhǔn)，即深度≥6%OD（OD為管道外徑）的有70多處[4]。我國目前長輸油氣管道總里程達11.7萬km，基本形成了貫穿全國、連通海外的油氣輸送管網(wǎng)[5]，管體凹陷的大量存在對管道安全造成威脅，因此開展凹陷變形的檢測和處置十分重要。

根據(jù)美國機械工程師學(xué)會ASME B31.4/B31.8標(biāo)準(zhǔn)要求，在役管道的管體平滑凹陷深度大于6%OD時須換管修復(fù)[6-7]。在實際的工程檢測中，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與開挖后測量數(shù)據(jù)間有時存在一定差異，即內(nèi)檢測的凹陷深度超過了標(biāo)準(zhǔn)要求，但在開挖后管道去除了土壤或硬物等約束，使凹陷發(fā)生了回彈，此時測量的凹陷深度小于內(nèi)檢測數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致在決定該凹陷管體是否需要修復(fù)，以及修復(fù)方式的選擇方面存在爭議。基于此，在考慮管體凹陷形成后幾何、應(yīng)力、應(yīng)變的基礎(chǔ)上，結(jié)合開挖后凹陷約束狀態(tài)的變化，借助ABAQUS強大的非線性分析功能，建立了管體凹陷形成和開挖回彈的有限元模型，分析開挖前、后管體凹陷深度的變化規(guī)律，為管體凹陷變形檢測數(shù)據(jù)的分析，以及合理制訂凹陷處置方案提供技術(shù)依據(jù)。

1 管道管體凹陷有限元模型建立

根據(jù)約束類型，管體平滑凹陷可分為非約束型凹陷和約束型凹陷兩類，其中非約束型凹陷通常位于管道頂部，凹陷形成后無硬物持續(xù)約束，只存在土壤約束；約束型凹陷通常是由溝底石塊等硬物擠壓形成，一般位于管道底部，硬物的約束作用持續(xù)存在。

管體凹陷區(qū)域的管材發(fā)生大應(yīng)變（彈塑性）而形成永久性凹陷，這一過程涉及動力學(xué)、大應(yīng)變、材料和接觸非線性問題。對于此類延性金屬的變形問題，ABAQUS/explicit模塊具有良好的適應(yīng)性；開挖后管道凹陷的約束外力逐漸解除，凹陷開始回彈，為了消除凹陷回彈過程中質(zhì)量力對凹陷回彈量的影響，凹陷回彈計算以凹陷形成后的動力學(xué)計算結(jié)果為初始條件，進行ABAQUS/explicit和ABAQUS/standard模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞，利用ABAQUS/standard對凹陷進行靜態(tài)回彈分析，得到絕對收斂解[8-9]。

1.1 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

管體凹陷的形成和回彈過程中存在材料的正、反向加載，考慮材料大應(yīng)變過程中屈服面的變化，以及材料正、反向加載過程中由于包辛格效應(yīng)而出現(xiàn)的硬化和軟化現(xiàn)象，模型中的材料本構(gòu)采用彈塑性多線性隨動強化模型，有：

式中：εT為真應(yīng)變；ε為工程應(yīng)變；σT為真應(yīng)力，MPa；σ為工程應(yīng)力，MPa。

有限元分析對象為X80、D1 219 mm×18.4 mm管道，材料參數(shù)為圓棒拉伸的實測數(shù)據(jù)，利用式（1）和式（2）將工程應(yīng)力、工程應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為真應(yīng)力、真應(yīng)變數(shù)據(jù)[10]。模型選取材料基本參數(shù)見表1，拉伸應(yīng)力/應(yīng)變曲線見圖1。

表1 模型材料參數(shù)

圖1 應(yīng)力/應(yīng)變曲線

1.2 凹陷管體的幾何和網(wǎng)格模型

考慮到凹陷處應(yīng)力影響區(qū)范圍及大應(yīng)變過程，管道模型選取整管進行分析（管長為12 m），網(wǎng)格采用六面體減縮積分單元（C3D8R）進行網(wǎng)格劃分，厚度方向三層網(wǎng)格，管體與壓頭接觸部位進行網(wǎng)格細化，充分保證接觸的穩(wěn)定性以及大應(yīng)力梯度區(qū)域計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，幾何模型見圖2，網(wǎng)格模型見圖3；壓頭為球面結(jié)構(gòu)，對管道施壓形成管體平滑凹陷，模型中處理為剛體。模型幾何參數(shù)見表2。

圖2 幾何模型

圖3 網(wǎng)格模型

表2 模型幾何參數(shù)

1.3 有限元分析方案

首先利用ABAQUS/explicit準(zhǔn)靜態(tài)動力學(xué)分析模塊，采用剛體壓頭對管道施壓，形成一定深度的平滑凹陷。然后將動力學(xué)部分計算得到的帶凹陷管道的幾何、材料、應(yīng)力和應(yīng)變等數(shù)據(jù)作為初始狀態(tài)進行數(shù)據(jù)傳遞，導(dǎo)入ABAQUS/standard進行凹陷回彈分析。

非約束型凹陷由臨時性外力造成，當(dāng)臨時性外力撤除后，凹陷發(fā)生回彈。假設(shè)內(nèi)檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，此時影響內(nèi)檢測凹陷深度和開挖檢測凹陷深度數(shù)據(jù)一致性的因素，僅有土壤對凹陷的約束作用。所以對于非約束型凹陷的回彈分析，以外力撤除后已發(fā)生回彈凹陷的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)為初始條件，建立管土耦合模型，分析土壤約束作用對非約束型凹陷深度的影響。

同樣，約束型凹陷是由永久性外力（硬物等）造成，開挖后硬物和土壤去除，凹陷發(fā)生回彈。影響內(nèi)檢測凹陷深度和開挖檢測凹陷深度數(shù)據(jù)一致性的因素，是硬物和土壤對凹陷的約束作用。所以對于約束型凹陷，以凹陷形成后的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)為初始條件，建立管土耦合模型，分析硬物和土壤約束作用對約束型凹陷深度的影響。

2 有限元分析結(jié)果與討論

2.1 凹陷預(yù)制過程的應(yīng)力應(yīng)變

凹陷預(yù)制屬于金屬成型問題，建立有限元模型后運用ABAQUS/explicit模塊進行有限元分析，圖4和圖5分別為預(yù)制6%OD凹陷的應(yīng)力和位移云圖。結(jié)果表明，經(jīng)過剛體壓頭沖壓，管道上形成了一個深度為6%OD的平滑凹陷。凹陷形成后其Mises應(yīng)力最大值為817 MPa，最大真應(yīng)變?yōu)?.84%，應(yīng)力與應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在凹陷最底部。

圖4 Mises應(yīng)力云圖/MPa

圖5 凹陷截面位移云圖/mm

2.2 基于管土耦合模型的凹陷回彈分析

考慮不同類型凹陷的形成原因，建立管土耦合模型，模擬凹陷在殘余應(yīng)力和運行內(nèi)壓作用下的回彈過程，其中土體開挖過程采用生死單元法。以上節(jié)預(yù)制的6%OD凹陷為例，建立管土耦合模型。圖6為管土耦合模型，圖7為凹陷處環(huán)向截面和凹陷處軸向橫截面，其中紅色部分為管道，藍色為土體。土體材料采用線彈性土體模型，具體參數(shù)見表3，土體與變形管道之間的應(yīng)力傳遞通過接觸實現(xiàn)。

圖6 管土耦合模型

圖7 凹陷處橫截面

表3 土體材料參數(shù)

對于非約束型凹陷，模擬臨時性約束外力撤除后埋地狀態(tài)下的回彈和開挖回彈；對于約束型凹陷模擬開挖回彈。考慮到質(zhì)量力對回彈量計算精度的影響，回彈部分在ABAQUS/standard采用靜態(tài)回彈，以提高計算精度。

埋地狀態(tài)下，約束型凹陷由于硬物等造成的永久性外力持續(xù)存在，因此不發(fā)生回彈；非約束型凹陷由于臨時性約束外力的撤除而發(fā)生回彈。

為了研究凹陷回彈行為，模型求解后，取凹陷部位環(huán)向和軸向的位移參數(shù)繪制成曲線進行對比分析，如圖8所示。

圖8 凹陷區(qū)域節(jié)點位移曲線

（1）在殘余應(yīng)力和管道運行內(nèi)壓的共同作用下，非約束型凹陷在埋地狀態(tài)下發(fā)生大部分回彈，開挖后土壤的約束力解除，繼續(xù)發(fā)生少量回彈。對于非約束型凹陷來說，內(nèi)檢測凹陷深度與開挖檢測凹陷深度具有一致性，有少量差別。

（2）約束型凹陷開挖后硬物和土壤對凹陷的約束力解除，一次性產(chǎn)生大量回彈。約束型凹陷的內(nèi)檢測凹陷深度與開挖檢測凹陷深度差異較大。

（3）另一方面，開挖后凹陷后邊緣存在隆起現(xiàn)象，這主要是由凹陷形成過程引起的材料硬化造成的，使得凹陷區(qū)域材料的屈服強度高于其他區(qū)域，計算結(jié)果與實際開挖檢測過程中的現(xiàn)象相符，見圖9。

圖9 現(xiàn)場開挖測量發(fā)現(xiàn)的凹陷邊界區(qū)域隆起

2.3 不同深度凹陷回彈對比分析

通過對不同深度凹陷回彈的系列分析，得到不同約束狀態(tài)下的凹陷深度以及回彈量和回彈率數(shù)據(jù)。為了分析不同狀態(tài)時凹陷回彈后深度的變化規(guī)律，將表示不同狀態(tài)下凹陷回彈后的深度繪制成曲線，如圖10所示。從圖中可以看出：

（1）埋地狀態(tài)下，約束型凹陷由于硬物的持續(xù)約束作用，回彈率為0；非約束型凹陷，由于臨時性約束外力撤除，埋地狀態(tài)下凹陷已發(fā)生大量回彈，并且其回彈量隨著初始凹陷深度的增大而減小。

圖10 凹陷回彈規(guī)律

（2）開挖后，由于永久性約束硬物和土壤的去除，約束型凹陷一次性發(fā)生大量回彈。其回彈趨勢為回彈率隨著初始凹陷深度的增大而減??；非約束型凹陷，去除土壤的約束后發(fā)生少量回彈，其回彈趨勢為回彈率隨著初始凹陷深度的增大而增大。

（3）從內(nèi)檢測和開挖后檢測結(jié)果方面來看，對于約束型凹陷，管道凹陷內(nèi)檢測深度與開挖檢測深度差值很大，并且隨著凹陷深度的增大，內(nèi)檢測凹陷深度與開挖檢測數(shù)值差異增大；對于非約束型凹陷，由于土壤對凹陷的約束作用有限，管道凹陷內(nèi)檢測深度與開挖檢測深度差值較小，其差值約為內(nèi)檢測深度的8.6%左右。

2.4 工程分析

截至2016年11月底，某檢測公司共完成管道智能測徑45段，累計檢測里程3 342 km，涉及D 219～1 219 mm等十余種不同口徑，共檢測報告管道變形949處，最大變形深度為13.5%OD，深度≥6%OD的變形105處。根據(jù)目前我國執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，這105處變形管段需進行切除修復(fù)。但對不合格管體凹陷進行開挖檢測發(fā)現(xiàn)，其凹陷深度均在5%OD以內(nèi)，說明這些不合格管體凹陷均為約束型凹陷，這與本文理論分析結(jié)果一致。

3 結(jié)束語

本文運用ABAQUS/explicit和ABAQUS/standard模塊數(shù)據(jù)傳遞耦合計算方法，采用彈塑性材料本構(gòu)模型，對X80、D 1 219 mm×18.4 mm管道凹陷的形成以及不同約束狀態(tài)下凹陷的回彈情況進行了系列分析，得出了長輸管道缺陷檢測過程中，內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與開挖檢測數(shù)據(jù)差異性的來源及變化規(guī)律。

（1）管道凹陷的約束狀態(tài)不同是內(nèi)檢測數(shù)據(jù)與開挖檢測數(shù)據(jù)差異較大的主要原因。

（2）管道凹陷的回彈行為是由于凹陷形成后的殘余應(yīng)力和管內(nèi)內(nèi)壓作用而發(fā)生的。

（3）考慮到開挖后因管道凹陷處約束狀態(tài)的改變產(chǎn)生的凹陷回彈，在役帶凹陷管道的修復(fù)應(yīng)在區(qū)分凹陷的約束狀態(tài)后，以內(nèi)檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)制訂修復(fù)方案更為合理。

（4）通過理論分析結(jié)合某檢測公司現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)得出，在役管道開挖檢測后凹陷深度一般在5%OD以內(nèi)，此結(jié)論符合API1156[11-12]中的論述。