閆生棟 楊新宇

摘 要：由于我國(guó)現(xiàn)役油氣管道服役時(shí)間長(zhǎng)，且存在腐蝕等缺陷，與滑坡等自然災(zāi)害共同作用時(shí)常導(dǎo)致管道事故的發(fā)生。以X52油氣管道為研究對(duì)象，利用ABAQUS有限元分析軟件，構(gòu)建管道三點(diǎn)彎曲模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算缺陷周圍的應(yīng)力分布情況，研究缺陷位置分布、尺寸大小等對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。提出了研究含缺陷管道的裂紋擴(kuò)展一般規(guī)律的研究方法，且研究結(jié)論對(duì)于油氣管道的建設(shè)與運(yùn)行管理具有深遠(yuǎn)的意義。

關(guān)鍵詞：X52油氣管道;三點(diǎn)彎曲模型;數(shù)值模擬分析;裂紋擴(kuò)展一般規(guī)律

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.29.114

0 引言

管道運(yùn)輸具有運(yùn)輸距離長(zhǎng)、輸量大、可以持續(xù)運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)，然而，管道運(yùn)輸前期投入大，服役期長(zhǎng)，運(yùn)行過(guò)程環(huán)境復(fù)雜，易受腐蝕、地質(zhì)滑坡等影響產(chǎn)生裂紋和泄漏等現(xiàn)象，造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

由于含缺陷管線鋼裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究較少，本文提出了含缺陷X52管線鋼在受外部載荷時(shí)裂紋擴(kuò)展規(guī)律的研究方法，以管道表面缺陷的位置作為變量，利用ABAQUS有限元軟件構(gòu)建三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的數(shù)值模型，進(jìn)行不同工況的數(shù)值模擬，得出含缺陷X52油氣管道裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

1 2X52管線鋼力學(xué)性能

X52管線鋼鋼板的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2 含缺陷X52管道有限元模型的建立

2.1 模型建立

管道模型長(zhǎng)度為1000mm具體參數(shù)如表2所示。

參考《GB/T232-2010金屬材料彎曲實(shí)驗(yàn)方法》，采用三點(diǎn)彎曲法對(duì)管道進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。底部支撐柱跨距為800mm，壓采用位移控制，對(duì)管道施力。壓頭柱垂直向下運(yùn)動(dòng)的位移為100mm，如圖1所示。

管道缺陷的布置包括兩類：一類為三維的槽型缺陷，槽型缺陷的尺寸如表3所示。

另一類為二維的片狀缺陷，尺寸如表4所示。

2.2 管道缺陷的布置

首先在無(wú)預(yù)制缺陷的情況下，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的ABAQUS有限元數(shù)值模擬，管道應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如2、3、4所示。

根據(jù)無(wú)預(yù)制缺陷下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，可以確定預(yù)制缺陷的位置。缺陷布置在管道的內(nèi)外表面，如圖5所示，為擬布置缺陷的位置。

3 數(shù)值模擬分析的可行性

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可行性，選取圖5（a）中4號(hào)缺陷，研究缺陷附近的應(yīng)力分布、進(jìn)行“XFEM”分析、計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子。

含內(nèi)表面上部中軸處環(huán)向缺陷管道的應(yīng)力云圖如6、7所示。

如圖6和7所示，管道上部受擠壓處呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，管道內(nèi)表面含缺陷處應(yīng)力集中范圍呈現(xiàn)“X”形，缺陷處有向兩邊張開(kāi)的趨勢(shì)。裂紋萌生點(diǎn)出現(xiàn)在管道上部?jī)?nèi)表面受壓處附近，裂紋由裂紋萌生點(diǎn)沿管道軸向兩側(cè)擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展云圖如圖8和圖9所示。

裂紋為Ⅰ型（張開(kāi)型）裂紋，裂紋初始萌生時(shí)的Mises應(yīng)力為347.334MPa，對(duì)數(shù)應(yīng)變?yōu)?.0030931，裂紋未穿透管壁，左右兩端裂紋長(zhǎng)度分別為417.178mm和401.157mm。如圖10所示。

應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線圖，環(huán)向缺陷兩端應(yīng)力強(qiáng)度因子顯著高于環(huán)向缺陷的中部，根據(jù)斷裂力學(xué)的基本理論可推測(cè)，管道缺陷兩端萌生裂紋，失效斷裂的可能性要高于管道缺陷中部。

4 結(jié)論

通過(guò)該缺陷位置的數(shù)值模擬分析得到的數(shù)據(jù)和推論，可以認(rèn)為利用ABAQUS有限元軟件構(gòu)建三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的數(shù)值模型，進(jìn)行多工況的數(shù)值模擬，得到含缺陷X52管線鋼在受外部載荷時(shí)裂紋擴(kuò)展規(guī)律是可行的。

參考文獻(xiàn)

[1]帥健.我國(guó)輸氣管道應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的調(diào)查與研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（4）：22-26.

[2]付勇.海底管線斷裂疲勞分析及軟件開(kāi)發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.