埋地城市燃氣管道三通失效有限元分析

劉 柯，邵大偉

（沈陽市特種設備檢測研究院， 遼寧 沈陽110000）

壓力管道廣泛應用于石油、城市天然氣、化工、核能源等工業領域，擔負著輸送易燃、易爆、腐蝕、有毒及放射性介質的重要任務，在國民經濟中占有重要地位。三通管件是城市燃氣管道系統中的重要元件，與直管相比，三通的形狀更加復雜，由于拐角、不等壁厚等幾何不連續及開孔等原因，造成了很大的應力集中，使得即使在工作壓力下，三通相貫區也有可能產生局部的屈服。

同時，在管道運行中，由于腐蝕、沖蝕、機械損傷以及對表面裂紋打磨等會引起管壁產生局部減薄缺陷。這類體積型缺陷的存在，會降低管道的承載能力，誘發破壞事故的產生，影響管道的完整性及安全運行。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，現有的管道失效評價規范ASMEB31G-2009[1]、加拿大管道規范CSA-Z 184-M86[2]都是針對內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定。

ANSYS 軟件是融結構、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。

ANSYS 軟件可廣泛應用于核工業、石化、機械、電子、土木工程等一般工業及科學研究。它能與多數CAD 軟件如Pro /Engineer、NASTRAN、AutoCAD軟件等實現數據共享和交換。

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壓和極限彎矩作用下失效模式的相關問題加以探討，介紹使用 ANSYS 軟件進行結構分析的思路、基本步驟及三通失效模式評價方法。

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，主管內徑為377 mm，支管內徑為254 mm，管道材質為L245MB管線鋼，壁厚為6 mm，埋深1.7 m，在建模時考慮到幾何結構、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，在網格劃分上采用 20節點等參單元SOLID95，為了確保計算結果的精確度，網格應盡可能規整、均勻，網格劃分如圖2。

圖1 三通管道幾何模型Fig.1 The model of three-way pipe

圖2 三通管道網格劃分Fig.2 The grid division of three-way pipe

1.2 材料參數的確定

查《機械設計手冊》[3]得該型號鋼材的彈性模量E=2. 06×105MPa，泊松比μ＝0.3，強化模量ET=0，屈服強度為245 MPa，抗拉強度為415 MPa。在計算模型中采用Ramberg-Osgood（簡稱R-O）冪硬化應力-應變關系，如式(1)所示，材料特性見圖3所示。

式中:ss—屈服強度，MPa；

e0—初始應變，e0=ss/E；

n—冪硬化指數；

a—硬化系數；

E—初始彈性模量，MPa。

1.3 載荷及邊界條件的確定

在內表面施加工作壓力0.6 MPa，在支管橫截面和主管橫截面上施加均布應力[4]。直接在主、支管內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)計算[5]：

圖3 應力-應變曲線圖Fig.3 The curve of stress - strain

式中：Do—直管段外徑；

Di—直管段內徑；

p0—管件的內壓。

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)將極限彎矩轉化為支管端部的最大等效彎曲應力

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 計算結果及分析

2.1 內壓及極限面外彎矩聯合作用下無缺陷三通塑性失效模式

三通位于管道轉彎處，管道受面外彎矩作用時，當彎矩達到極限彎矩時三通有可能發生塑性失效，如圖3、4所示。

圖3 無缺陷三通失效應力分布圖Fig.3 The failure stress distribution of no defect three-way pipe

由圖 3(a)、(b)可知，內壓和面外彎矩作用下三通塑性失效常是由于沿相貫線發生整圈塑性屈服，并形成塑性鉸并且極限狀態下的塑性區分布在整條相貫線的兩側區域，在此處易形成裂縫而產生泄漏，而遠離三通相貫區的支、主管材料還處于彈性應力狀態。

2.2 內壓及極限面外彎矩聯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構承載能力，危及工業管道的安全運行。但斷裂力學研究表明，設備中存在缺陷并不說明設備會立即損壞，實驗也發現許多存在超標缺陷的設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力分析，來監控三通是否可繼續使用。利用有限元評定局部減薄三通方法是對局部減薄區的應力場分布進行分析，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，其失效模式常表現為極限載荷控制的塑性破壞。由式(3)求得極限彎矩，依據簡化后的有限元模型，分析了內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，內壓和極限面外彎矩聯合作用下，局部減薄位置在主管底部時，缺陷位于管道的低應力區，三通失效應力分布圖與無缺陷三通相差很小，還是在相關區域出現塑性失效區域；局部減薄出現在主管腹部時，除了相貫區域外在局部減薄區靠近相貫區也會先出現塑性區域；局部減薄區域出現在主管肩部時，局部減薄對管道應力分布影響較小，管道塑性區域出現在相貫處。受內壓和面外彎矩作用下，管道失效以相貫區塑性失效為主，局部減薄位于主管腹部時對管道失效模式影響最大。

3 結 論

（1）無缺陷三通受內壓和極限面內彎矩時，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塑性區，無缺陷三通受內壓和極限面外彎矩時，沿相貫線形成塑性鉸，發生整圈塑性屈服，并且塑性區分布在整條相貫線的兩側區域，在此處易形成裂縫而產生泄漏；

（2）當局部減薄區位于主管底部時，由于在主管底部出現應力較小區域，三通失效模式與無缺陷三通失效模式相同。

當缺陷位于主管腹部時，除了相貫線附近出現塑性區以外，缺陷處也會進入塑性區服階段，當缺陷位于主管肩部時，面內彎矩作用下，缺陷邊緣靠近支管處會出現裂縫，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.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

［4］王澤軍．鍋爐結構有限元分析［M］．北京：化學工業出版社，2005．

［5］馬季紅，帥健，魏化中,等．局部減薄埋地三通塑性極限內壓的有限元分析[J]．管道技術與設備，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,2004.