康也，郝敏，馬思達，張佳亮

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110142）

經濟發(fā)展離不開能源崛起，煤、石油、天然氣被廣泛應用于各行各業(yè)，運輸管道同樣快速發(fā)展[1]。由于大部分運輸管道埋于地下，防腐措施、檢驗對工業(yè)生產安全意義重大[2]。被腐蝕后的油氣管道，管壁變薄易破裂。腐蝕的油氣管道其韌性和強度會發(fā)生巨大變化，故對腐蝕管道進行失效壓力檢測非常重要[3-4]，根據剩余強度判斷管道是否需要維修或更換。其管道的工作狀態(tài)可以通過其剩余強度體現，剩余強度其含義就是判定腐蝕缺陷管道還能承受的多大工作載荷，決定管道后續(xù)是升壓或降壓運行，有利于確定腐蝕管道的維修和更換，確保管道安全運輸，使油氣管道經濟效益達到最大[5]。

利用有限元分析方法對雙點腐蝕缺陷管道進行剩余強度評價，簡化缺陷為雙點矩形等壁厚減薄缺陷，分析了雙點腐蝕缺陷角度、深度、長寬等參數對管道失效壓力的影響。

1 有限元模型

1.1 管道參數

本文以規(guī)則的方形腐蝕缺陷為研究對象，用Solidworks[6]軟件建立管道模型，三維實體模型如圖1所示。

圖1 管道模型

如果管道長度選擇過短，管道兩端的固定約束會影響模擬結果精度，管道長度應為管道外徑長度的3～5 倍，本文管道選擇4 倍外徑長度為3 600 mm。腐蝕缺陷以管道中軸線為對稱軸在管道的中心部位，以矩形缺陷為例[7]。油氣管道的基本參數如表所示1。

表1 油氣管道的基本參數

1.2 定義材料物理屬性

將Solidworks 建立的管道模型導入ANSYS 軟件后，第一步檢查模型的建立情況，這一步也會直接影響到后處理結果。本文選取的材料API 5L X80 屬于管線鋼[8]，在ANSYS 軟件材料庫找到非線性管線鋼并賦予管道模型屬性，然后對油氣管道彈性模量、密度、泊松比、抗拉強度、應力應變關系等基本參數進行設定。油氣管道在工作壓力下會發(fā)生彈塑性變形，材料的真實應力-應變關系屬于非線性參數[9-10]，API 5L X80 應力應變關系曲線如圖2所示。

圖2 應力應變曲線

1.3 網格劃分

本文的重點研究對象是腐蝕缺陷區(qū)域及缺陷周圍的應力應變對整個管道的影響，為了節(jié)約時間，避免無效功，在對腐蝕缺陷油氣管道進行劃分網格時，對油氣管道沒有腐蝕缺陷的地方進行粗略的劃分，對腐蝕缺陷區(qū)域及缺陷周圍進行細化，管道兩端全約束[11-12]。

1.4 失效準則

失效準則主要有[13-14]：彈性極限準則、塑性失效準則[15]、數值失穩(wěn)準則。根據文獻資料[16-17]顯示，采用塑性失效準則分析管道是否安全最為合適。

2 管道剩余強度評價

2.1 角度對管道剩余強度的影響

腐蝕缺陷以矩形為例，與管道軸向夾角為變量，探究缺陷夾角和管道失效壓力的聯系。缺陷深度d=7 mm，長度L=400 mm，寬度B=200 mm，設定內壓p=10 MPa，軸向傾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，引入角度系數K=θ/15。等效應力云圖如圖3所示。

圖3 不同角度下缺陷應力云圖

由圖3可知，雙點含角度腐蝕缺陷管道剩余強度，不同于腐蝕缺陷環(huán)、軸向距離的影響，介于兩者之間且呈對稱分布。缺陷區(qū)域整體應力水平隨著角度的增加在不斷的下降。缺陷長邊兩側出現低應力區(qū)，但是隨著角度的增加，低應力的區(qū)域不斷減少，并且在不斷的向下外側拐角和上內側拐角移動，但是低應力區(qū)域內的應力值在不斷的增加。下內側和上外側拐角應力集中最為明顯，形成了兩個小范圍的應力高值區(qū)。應力隨角度變化的規(guī)律曲線如圖4所示。圖4（a）研究結果表明，管材等效應力隨角度變化產生波動，沒有明顯的增大與減小趨勢。隨著內壓的增加，管道首先發(fā)生彈性變形，隨后進入塑性變形和屈服階段，一旦壓力繼續(xù)升高，缺陷上的應力顯著增加，管道破裂。由圖4（b）可知，如果管道腐蝕缺陷存在夾角，對管道的剩余強度也存在影響，失效壓力小幅度增長后大幅度迅速增長，并且增長幅度呈遞增趨勢。

圖4 應力隨角度的變化

2.2 深度對剩余強度的影響

以腐蝕缺陷深度為變量，寬度B=400 mm，長度L=100 mm，寬度B=100 mm，內壓p=10 MPa，傾角為45°，深度分別為1、3、5、7，9、11 mm，不同深度下缺陷的應力云圖如圖5所示。

圖5 不同深度下缺陷應力云圖

圖6（a）為雙點腐蝕缺陷不同缺陷深度下的最大等效應力，最大值一般出現在上外拐角和下內拐角，隨著缺陷深度的增加，最大等效應力逐漸增大，但是增長幅度有所下降。圖6（b）為不同缺陷深度下的失效應力。隨著缺陷深度的增加，失效壓力驟降，且下降程度遞增。由此可知，腐蝕缺陷的深度關系到管道的工作壽命，管道腐蝕越深管道失效的可能性就越大。

圖6 應力隨深度的變化

2.3 長度對管道剩余強度的影響

以腐蝕缺陷長度為變量，設定內壓p=10 MPa，傾角為45°，寬度B=100 mm，深度d=7.2 mm，長度分別取100、200、300、400、500、600 mm，繪制等效應力云圖如圖7所示。

圖7 不同長度下缺陷應力云圖

圖8（a）為等效應力隨缺陷長度的變化，可知隨著缺陷長度的增加，等效應力也隨之增加，但是增長幅度較小。圖8（b）為失效應力隨缺陷長度的變化，隨著缺陷長度的增加，管道失效應力有所下降但不明顯。由此可知，雙方形腐蝕缺陷長度參數對管道剩余強度也是有著一定的影響。

圖8 應力隨長度的變化

3 結 論

缺陷傾角對失效壓力的影響較顯著。缺陷區(qū)域最大等效應力隨角度變化無明顯增減，管道失效壓力遞增式增加。

對管道失效壓力影響最大的是腐蝕深度。隨著深度的增加，失效壓力與腐蝕深度近似線性遞減。

隨著腐蝕缺陷長度的增加，失效壓力降低幅度呈遞減趨勢減小。各因素對管道失效壓力影響程度由大到小順序為：深度、角度、長度、寬度。