含雙體積型腐蝕缺陷管道的有限元應力分析

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(1.中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司,黑龍江 大慶 163416；2.北京化工大學機電工程學院,北京 100029)

含雙體積型腐蝕缺陷管道的有限元應力分析

趙紀禹1,王笑楠2,李璐2

(1.中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司,黑龍江 大慶 163416；2.北京化工大學機電工程學院,北京 100029)

某常減壓蒸餾裝置減壓爐3路出口第2個彎頭后直管經超聲測厚發現腐蝕減薄嚴重。以此管道為樣本，用有限元軟件模擬了含雙體積型腐蝕缺陷管道的應力狀態，研究了平底方形、橢圓底方形兩種體積型腐蝕缺陷及組合缺陷之間的距離對管道最大等效應力的影響規律。結果表明:當雙平底缺陷、雙橢圓底缺陷和組合缺陷之間的距離分別大于等于500，160和300 mm時，兩缺陷互不干涉，可分開評定其對管道剩余強度的影響。

雙腐蝕缺陷組合缺陷等效應力有限元

腐蝕是導致管道失效的主要原因之一，為了預測在役管道腐蝕情況，確定腐蝕缺陷對管道結構完整性的危害程度，有必要評估管道的剩余強度，確保管道在服役期限內的安全運行[1]。但實際上，煉油管道運行環境十分復雜，發生腐蝕的部位及形狀不盡相同，這些不確定因素給腐蝕管道剩余強度評估帶來了一定困難[2]。有研究表明，煉油管道腐蝕往往造成多個缺陷，且缺陷之間距離較近時會互相產生作用，影響管道整體剩余強度[3]。缺陷的位置排列分為環向、軸向和交疊三種[4]。為更真實地研究腐蝕缺陷管道的剩余強度、確保管道安全運行，需要研究多個缺陷共存時對剩余強度的影響規律。借助ANSYS軟件對含缺陷管道進行有限元分析，研究缺陷位置對剩余強度的影響規律，對于準確評估管道腐蝕情況、預測其剩余壽命和確保管道安全運行具有十分重要的意義。

1 有限元法的應用

采用有限元法，結合某常減壓蒸餾裝置減壓爐3路出口第2個彎頭后直管的實際工況，對含雙體積型腐蝕缺陷管道進行了有限元分析，研究了平底方形、橢圓底方形兩種體積型腐蝕缺陷及組合缺陷之間的距離對管道最大等效應力的影響規律。缺陷之間的位置以軸向排列最為常見，主要研究軸向排列的腐蝕缺陷對管道強度的影響規律。

2 有限元分析

2.1模型建立

管道公稱直徑為DN250,壁厚為9 mm，外徑為273 mm。為消除邊界效應，根據圣維南原理，取長度為1 000 mm含腐蝕缺陷的管段進行分析，取一半長度的腐蝕管段進行建模。管道材料為20號鋼，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為245 MPa，管道操作壓力為2 MPa。缺陷尺寸為長20 mm，寬10 mm，深2 mm。

雙平底方形缺陷模型見圖1，缺陷細節見圖2。雙橢圓底方形缺陷模型細節見圖3，組合腐蝕缺陷模型細節見圖4。

圖1 雙平底方形缺陷模型

圖2 雙平底方形缺陷細節

圖3 雙橢圓底方形缺陷細節

圖4 組合缺陷細節

2.2單元類型及網格劃分

選取三維8節點固體結構單元，該單元具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變能力，能夠滿足缺陷處應力集中及大的應變變形要求。網格劃分采取自由劃分方式，劃分結果見圖5至圖8。缺陷處網格較密，使計算結果更精確。

圖5 雙平底方形缺陷網格劃分

圖6 雙平底方形缺陷網格劃分細節

圖7 雙橢圓底方形缺陷網格劃分細節

圖8 組合缺陷網格劃分細節

2.3設定邊界條件及載荷

如圖1所示，管道橫向剖面1為固定端，施加全約束；軸向剖面2和3施加位移約束(x方向位移為零);只考慮內壓載荷的作用，取內壓(P)為管道最大運行壓力2 MPa，且為橫向剖面4施加界面載荷(P1)，其值P1計算如下[5]：

(1)

式中：Sin為內徑所圍成的圓面積,mm2；Smi為內徑與外徑所圍成的圓環面積,mm2。計算得P1等于13.6 MPa。

2.4失效準則

根據第四強度準則(形狀改變比能是引起材料流動破壞的主要原因)，即腐蝕缺陷區的等效應力超過屈服強度即認為失效。采用基于這種彈性失效的準則，Von Mises應力的表達式為：

σs=

(2)

式中：σs為屈服應力，MPa；σ1，σ2和σ3分別為x,y和z軸方向上的主應力，MPa。

2.5有限元方法的可靠性

王勇[6]等將室內管道承壓試驗結果與有限元模擬應力分析結果對比，發現具有較好的吻合度，其最大誤差為8.6%，在工程誤差可接受范圍內，驗證了ANSYS軟件模擬的準確性與可靠性。

3 結果分析

3.1雙平底方形缺陷間距影響

雙平底方形缺陷模型缺陷尺寸為軸向長20 mm，環向寬10 mm，徑向深2 mm。雙平底方形缺陷間距對最大等效應力的影響見圖9。管道最大等效應力隨缺陷間距變化而變化，在缺陷間距小于200 mm時，最大等效應力隨間距增大而增大；缺陷間距在200～500 mm時，最大等效應力隨缺陷間距增大而減小；當缺陷間距大于等于 500 mm時，雙缺陷管道最大等效應力不再隨間距而改變，基本與單缺陷管道最大等效應力保持一致。說明當缺陷間距小于500 mm時，兩缺陷相互干涉，在評估管道剩余強度時應考慮缺陷的相互影響；而缺陷間距大于等于500 mm時，缺陷無相互干涉。

圖9 缺陷間距對等效應力的影響

3.2雙橢圓底方形缺陷間距影響

雙橢圓底方形缺陷模型缺陷尺寸為軸向長20 mm，環向寬10 mm，徑向深2 mm，底部為橢圓形。雙橢圓底方形缺陷間距對最大等效應力的影響見圖10。當缺陷間距小于160 mm時，管道最大等效應力隨間距改變而改變，這說明缺陷之間存在干涉作用，當間距大于160 mm時，無干涉作用。

圖10 缺陷間距對等效應力的影響

3.3組合缺陷間距影響

組合缺陷間距對最大等效應力的影響見圖11，當缺陷間距大于300 mm時，兩缺陷之間互不干涉。

圖11 組合腐蝕缺陷間距對等效應力的影響

4 結束語

結合某常減壓蒸餾裝置管道腐蝕減薄嚴重的實際情況，使用有限元軟件對含雙體積型缺陷腐蝕管道進行應力分析，得出當雙平底缺陷之間的距離大于等于500 mm時，兩缺陷相互獨立，可分開評定管道的剩余強度,即臨界距離為500 mm；而雙橢圓底缺陷之間的臨界距離為160 mm；兩種缺陷組合時，之間的臨界距離為300 mm。關于腐蝕管道剩余強度以及剩余壽命還有許多問題亟待解決，該文只是對腐蝕管道剩余強度評估做了一些基礎性研究。研究對于評估此條管道腐蝕情況以及剩余強度具有較大的價值。

[1] 周敏得,蔡守翔,何仁洋,等.管道完整性管理技術在城鎮燃氣管線中的應用[J].管道技術與設備,2007(6):18-20.

[2] 崔進起,于曉勇,郭澤榮.基于ANSYS有限元法的長輸油氣腐蝕管道剩余強度與剩余壽命研究[J].實驗技術與管理,2010,27(10):56-59.

[3] 董事爾,何東升,張鵬,等.雙點腐蝕管道的彈塑性有限元分析[J].機械設計與研究,2006,32(9):20-23.

[4] 魏化中,周小兵,舒安慶,等.含組合腐蝕缺陷壓力管道剩余強度分析[J].制造技術與工藝,2007,42(2):42-43.

[5] 高姍.典型焦化裝置基于風險的腐蝕評估及壽命預測技術研究[D].北京：北京化工大學,2016.

[6] 王勇,李洋,孫世斌,等.腐蝕缺陷管道剩余強度ANSYS有限元模擬可行性研究[J].兵器材料科學與工程,2014,37(3):12-16.

(編輯 寇岱清)

FiniteElementStressAnalysisofCorrodedPipelinewithDoubleVolume-TypeDefects

ZhaoJiyu1,WangXiaonan2,LiLu2
(1.CNPCDaqingRefiningCompany,Daqing163416,China; 2.BeijingUniversityofChemicalTechnology,CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,Beijing100029,China)

Through ultrasonic C-scanning surface thickness measurement, thinning problem was found to be serious due to the corrosion in the straight pipeline next to the second elbow of No.3 export in vacuum furnace. Stress status of the pipeline with double volume-type defects was simulated using finite element software, and effects of defects with flat square or elliptical bottom square, as well as the distance between them, was investigated on the maximum equivalent stress of pipeline. The results showed that when the distances between two defects with flat square, two defects with elliptical bottom square, and defects with flat square and elliptical bottom square were higher than 500 mm, 160 mm and 300 mm, respectively, influence of the defects on the residual strength of pipeline can be evaluated separately.

double corroded defects, combined defects, equivalent stress, finite element

2017-03-23；修改稿收到日期：2017-06-28。

趙紀禹 (1970—)，工程師，現在該公司煉油一廠從事設備管理、設備腐蝕與防護工作。E-mail:lilu_0618@foxmail.com