天然氣管道小尺寸缺陷的仿真模擬

咸玉龍 王 謝 徐佳楠 王澤林 魏玉婷

1中國石油北京油氣調(diào)控中心2北京東方石油化工有限公司化工四廠3大慶油田采油一廠

天然氣管道小尺寸缺陷的仿真模擬

咸玉龍1 王 謝1 徐佳楠1 王澤林2 魏玉婷3

1中國石油北京油氣調(diào)控中心2北京東方石油化工有限公司化工四廠3大慶油田采油一廠

為了最大程度地減小管道腐蝕缺陷帶來的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境危害，在前人研究成果的基礎(chǔ)上建立了埋地天然氣管道小尺寸缺陷模型，對(duì)缺陷管道剩余應(yīng)力進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：隨著腐蝕深度的增加，長(zhǎng)方形截面和正方形截面缺陷的最大應(yīng)力值增幅梯度逐漸降低，而圓形截面和橢圓截面缺陷的最大應(yīng)力值增幅梯度逐漸增大；內(nèi)部載荷的增加，導(dǎo)致管道最大應(yīng)力呈線性規(guī)律增長(zhǎng)，長(zhǎng)方形截面和正方形截面缺陷增長(zhǎng)速率大于圓形截面和橢圓形截面缺陷的增長(zhǎng)速率；當(dāng)雙腐蝕缺陷間距小于70 mm時(shí)，兩缺陷干涉作用影響較大，腐蝕缺陷部位及中間干涉區(qū)域均易發(fā)生管材失效；兩缺陷間距由80 mm增大到150 mm時(shí)，干涉作用相對(duì)減弱。

管道；小尺寸缺陷；剩余應(yīng)力；數(shù)值模擬；失效壓力

管道腐蝕缺陷會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一系列的研究，以最大程度減少損失、降低危害。美國科學(xué)技術(shù)人員通過相關(guān)試驗(yàn)研究及力學(xué)分析，提出了B31G準(zhǔn)則。1984年，該準(zhǔn)則由美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)發(fā)布，成為了腐蝕管道的評(píng)估準(zhǔn)則，即ASME B31G—1984標(biāo)準(zhǔn)，大量管道工業(yè)設(shè)計(jì)、維護(hù)等均采用該標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)比較保守，現(xiàn)已發(fā)展為ASME B31G—1991標(biāo)準(zhǔn)。1997年，英國的Jones等人進(jìn)行研究分析，提出了一種塑性極限原則方法；B.Bedairi等人采用彈塑性斷裂力學(xué)與有限元結(jié)合的方法，預(yù)測(cè)管道腐蝕部位可能發(fā)生的裂紋，并用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了失效壓力[1]。國內(nèi)學(xué)者趙事、蔣曉斌、高惠臨利用改進(jìn)的一次二階矩陣法對(duì)腐蝕管道失效概率及可靠性指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算[2]；帥健、于付平、崔銘偉等學(xué)者均采用有限元法對(duì)腐蝕缺陷管道的失效壓力進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)，取得了一定的進(jìn)展[3-5]。基于上述研究成果，建立了埋地天然氣管道小尺寸缺陷模型，通過缺陷管道剩余應(yīng)力對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，確定模型的可靠性，進(jìn)而分析缺陷深度、不同輸送壓力及不同缺陷間距對(duì)剩余應(yīng)力的影響，以期為管道檢修、優(yōu)化設(shè)計(jì)及完整性評(píng)價(jià)等提供理論依據(jù)。

1 模型的建立

（1）物理模型。建立埋地天然氣管道小尺寸缺陷模型，采用20-node-solid95單元，并且對(duì)腐蝕缺陷區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，而遠(yuǎn)離腐蝕缺陷區(qū)域則采用稀疏的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，這樣不僅提高了計(jì)算精度也節(jié)約了計(jì)算成本。模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 模型實(shí)體及網(wǎng)格劃分

（2）邊界條件及定義。管道在實(shí)際運(yùn)行中主要受內(nèi)壓和彎矩作用，其他影響可忽略不計(jì)。本文選取的是長(zhǎng)直管道，因此僅考慮內(nèi)壓影響，并且忽略軸向位移，對(duì)管道兩端施加軸向位移約束，使模型不發(fā)生剛性位移。

（3）計(jì)算工況。針對(duì)不同缺陷尺寸爆破試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，并利用ANSYS仿真軟件進(jìn)行失效壓力計(jì)算，與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而得出相關(guān)結(jié)論。具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[4]～[7]，選取X60型鋼計(jì)算各個(gè)失效壓力，其中彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，其余數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 含體積缺陷管道爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

利用有限元法預(yù)測(cè)表1中缺陷管道的失效壓力，計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算失效壓力與試驗(yàn)爆破壓力結(jié)果相差不大，如圖2所示。由圖2可看出，計(jì)算的最大誤差絕對(duì)值為7.32%，最小誤差絕對(duì)值為0.489%，因此該模型可以用來計(jì)算缺陷管道的失效壓力。

表2 模擬計(jì)算結(jié)果

圖2 試驗(yàn)爆破壓力與計(jì)算失效壓力值及其誤差分析

在此基礎(chǔ)上，以某輸氣管道為例進(jìn)行管道剩余應(yīng)力分析。管道材質(zhì)為X60鋼，外徑為377 mm，壁厚為6 mm，取管道長(zhǎng)1 000 mm進(jìn)行相關(guān)應(yīng)力分析。查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得該型號(hào)鋼材的彈性模量為E=210 GPa，泊松比為0.3，內(nèi)部施加載荷為4 MPa[8]。通過分析缺陷深度、不同輸送壓力及不同缺陷間距對(duì)剩余應(yīng)力的影響，為管道檢修、優(yōu)化設(shè)計(jì)及完整性評(píng)價(jià)等提供理論依據(jù)。

（1）不同缺陷深度下管道剩余應(yīng)力分析。選擇腐蝕缺陷長(zhǎng)度30 mm，腐蝕缺陷寬度30 mm，缺陷深度分別為2、2.5、3、3.5、4、4.5和4.8 mm；腐蝕缺陷截面分別選取長(zhǎng)方形、正方形、圓形及橢圓形（分別用A、B、C、D表示，以下同），計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可看出，隨著腐蝕深度的增加，4種缺陷的最大應(yīng)力值逐漸增加；但長(zhǎng)方形截面和正方形截面缺陷的增幅梯度逐漸降低，而圓形截面和橢圓截面缺陷的增幅梯度逐漸增大，這是由于長(zhǎng)方形截面和正方形截面缺陷出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而圓形截面和橢圓形截面缺陷的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在缺陷底部，因而增長(zhǎng)幅度梯度逐漸增大。

圖3 不同缺陷深度下最大應(yīng)力變化

（2）不同壓力下缺陷管道剩余應(yīng)力分析。選擇腐蝕缺陷長(zhǎng)度30 mm，腐蝕缺陷寬度30 mm，缺陷深度為2 mm，載荷壓力分別為1、2、3、4、5和6 MPa，計(jì)算最大應(yīng)力值的變化情況，結(jié)果如圖4所示。由圖4可看出，隨著內(nèi)部載荷的逐漸增加，管道最大應(yīng)力也逐漸增加，4種工況均呈線性規(guī)律增長(zhǎng)，長(zhǎng)方形和正方形截面缺陷增長(zhǎng)速率大于圓形和橢圓形截面缺陷的增長(zhǎng)速率；隨著管道最大應(yīng)力的逐漸增加，趨于屈服極限，一旦達(dá)到該值便會(huì)發(fā)生穿孔泄漏事故，而實(shí)際生產(chǎn)中壓力變化梯度大時(shí)容易引發(fā)事故。

圖4 不同運(yùn)行壓力下最大應(yīng)力值變化

（3）不同缺陷間距下管道剩余應(yīng)力分析。選擇腐蝕缺陷長(zhǎng)度30 mm，腐蝕缺陷寬度25 mm，缺陷深度為2 mm，雙腐蝕缺陷間距分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140和150 mm，計(jì)算最大應(yīng)力值的變化情況，結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出，隨著缺陷間距的增大，管道最大應(yīng)力呈先減小，后增加，再減小的波浪式遞減；當(dāng)間距小于70 mm時(shí)，兩缺陷干涉作用影響較大，腐蝕缺陷部位及中間干涉區(qū)域均易發(fā)生管材失效，引發(fā)事故，而兩缺陷間距由80 mm增大到150 mm時(shí)，干涉相對(duì)減弱。

圖5 雙缺陷不同間距下最大應(yīng)力值變化

3 結(jié)論

（1）隨著腐蝕深度的增加，4種缺陷的最大應(yīng)力值逐漸增加，但長(zhǎng)方形截面和正方形截面缺陷的增幅梯度逐漸降低，而圓形截面和橢圓截面缺陷的增幅梯度逐漸增大。

（2）隨著內(nèi)部載荷的逐漸增加，管道最大應(yīng)力也逐漸增加，4種工況均呈線性規(guī)律增長(zhǎng)，長(zhǎng)方形截面和正方形截面缺陷增長(zhǎng)速率大于圓形截面和橢圓形截面缺陷的增長(zhǎng)速率。

（3）當(dāng)間距小于70 mm時(shí)，兩缺陷干涉作用影響較大，腐蝕缺陷部位及中間干涉區(qū)域均易發(fā)生管材失效，引發(fā)事故；而兩缺陷間距由80 mm增大到150 mm時(shí)，干涉作用影響相對(duì)減弱。

[1]BEDAIRIB，CRONIN D，HOSSEINIA，et al．Failure prediction forcrack-in-corrosion defects in naturalgas transmission pipelines[J]．International Journal of Pressure Vessels and Piping，2012（96）：90-99.

[2]趙事，蔣曉斌，高惠臨．腐蝕管道的失效概率和剩余壽命預(yù)測(cè)方法[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（12）：28-31.

[3]帥健，張春娥，陳福來．非線性有限元法用于腐蝕管道失效壓力預(yù)測(cè)[J]．石油學(xué)報(bào)，2008，29（6）：933-937.

[4]于付平，朱榮新，王韞江，等．基于ANSYS的管道腐蝕缺陷有限元仿真[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（1）：151-153.

[5]崔銘偉，曹學(xué)文．腐蝕缺陷對(duì)中高強(qiáng)度油氣管道失效壓力的影響[J]．石油學(xué)報(bào)，2012，33（6）：1 086-1 092.

[6]CRONIN D S，ROBERTS A，PICK R J．Assessmentoflong corrosion grooves in line pipe[C]//1st International Pipeline Conference，Calgary：ASME，1996：401-408.

[7]NORONHA D B，BENJAMIN A C，ANDRACK E Q.Finite element models for the prediction of the failure pressure of pipeline with long corrosion defects[C]//The 4th InternationalPipeline Conference，Calgary：ASME，2002：1 751-1 758.

[8]成大先，王德夫，姜勇，等．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.012

咸玉龍：2013年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)軟件與理論專業(yè)，從事長(zhǎng)輸管道調(diào)度工作。

2015-04-27

18810867876、woshi0325@126.com