基于ANSYS的油氣腐蝕管道的受力分析

杜 捷

(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院泉州分院，福建 泉州 350008)

1 引言

隨著管道敷設數(shù)量與投用時間與日俱增，管道腐蝕頻頻出現(xiàn)，管道安全運行受到嚴重影響。當前，國內(nèi)許多油氣管道使用年限已經(jīng)接近設計年限，有些甚至超過設計年限，踏上事故多發(fā)快車。腐蝕是引起管道事故的關鍵因素，通過引起管壁減薄，進而造成局部應力集中。隨著管壁不斷減薄，達到一定程度后將會發(fā)生破裂，進而造成油氣泄漏，從而造成經(jīng)濟損失、人員傷亡及環(huán)境污染等惡性后果。因此，對腐蝕管道開展受力分析，探索管道腐蝕規(guī)律有著深遠意義。

2 直管腐蝕應力研究

為了減小油氣管道腐蝕模型規(guī)模，縮短模型計算時間，考慮管道結(jié)構(gòu)左右對稱，選取腐蝕管道結(jié)構(gòu)的四分之一建立模型[1]。利用充足細密的網(wǎng)格確保有限元仿真結(jié)果擁有較高的精度極為關鍵。通常來講，軟件計算準確度和精度隨著網(wǎng)格分得越多越細而提高。倘若對整個結(jié)構(gòu)全部采用細化網(wǎng)格，則計算時間將成倍增加。因而一般只在出現(xiàn)應力應變梯度高的地方采用細化網(wǎng)格，其它地方采用粗網(wǎng)格。由于腐蝕缺陷處應力和變形往往比較大，為保證計算精度和準確度，腐蝕缺陷處的網(wǎng)格跟其它部分相比，劃分更細密。

2.1 直管腐蝕模型的建立

為便于建模，直管腐蝕區(qū)域采用長方體蝕坑代替，利用ANSYS 20節(jié)點3維6面體單元Solid 95進行建模，具體參數(shù)見表1。

表1 管道參數(shù)

取厚度10mm，外徑380mm，長為管道直徑長度，腐蝕區(qū)（100×20×5）mm的管道進行建模，整個直管外腐蝕模型見圖1。

圖1 直管外腐蝕有限元模型

由圖1可知，在ANSYS中設置腐蝕區(qū)域的網(wǎng)格多且密，其他區(qū)域網(wǎng)格較稀松，有利于分析腐蝕區(qū)域的應力和變形。

2.2 邊界情況設定

油氣管道常常受到內(nèi)壓、軸向載荷以及彎矩等載荷的共同作用，而內(nèi)壓常常是最主要的影響因素，因此只考慮內(nèi)壓的作用[2-3]。由于現(xiàn)實中管道長度較長，而腐蝕分析僅為其中一段，故設置管道兩端軸向位移為零。因為管道兩邊對稱，所以設置管壁對稱面垂直變形為零。整個邊界條件設置為：XZ平面內(nèi)設置Ul=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，XY平面中設置U2=0，整個邊界條件見圖2。

圖2 直管有限元模型的邊界條件

2.3 模型加載和結(jié)果分析

管道內(nèi)部壓力取值為3MPa，將建立好的模型命令流導入ANSYS中進行加載，加載后的應力變化見圖3。

圖3 直管腐蝕模型Von Mises應力圖

由圖3可知，腐蝕管道最大Von Mises應力為233.654MPa，出現(xiàn)在腐蝕區(qū)域與未腐蝕區(qū)連接縫處，腐蝕區(qū)域的應力比未腐蝕處大得多，相對危險，未腐蝕區(qū)的應力較小，相對均勻。

3 腐蝕參數(shù)分析

為分析腐蝕缺陷的長、寬和深3個因素對油氣管道最大等效應力產(chǎn)生的作用，分別取下述腐蝕長、寬和深組合工況進行計算，詳見表2。

表2 計算工況表

3.1 外腐蝕管道的參數(shù)分析

取油氣管道直徑380mm，壁厚10mm，長為管道直徑長度，采用腐蝕區(qū)域尺寸不同的20個組合建立管道外腐蝕模型，分析外腐蝕管道在內(nèi)部壓力3MPa下的應力情況，如表3所示。

表3 外腐蝕長、寬、深對最大等效應力的影響(MPa)

從圖4、5可知，腐蝕區(qū)域最大等效應力的增大與腐蝕長度成正比，增加到一定程度，應力值的增幅變小且趨于穩(wěn)定，即管道腐蝕區(qū)域的長度對管道的應力影響是有限的，不能無限制增大。腐蝕區(qū)域?qū)挾葘ψ畲蟮刃Φ淖饔孟鄬^小，但兩者關系變化也和長度一樣[4-5]。腐蝕區(qū)域的深度對最大等效應力的影響非常大，腐蝕深度小的情況下，最大等效應力隨著腐蝕長度的變化稍緩，增幅較小；當腐蝕加深，最大等效應力隨長度的變化率增大，曲線變陡。總體說來，影響外腐蝕應力的關鍵指標是長度和深度，寬度的影響較小。

圖4 不同外腐蝕寬度對等效應力的影響

圖5 不同外腐蝕深度對等效應力的影響

3.2 內(nèi)腐蝕管道的參數(shù)分析

取油氣管道直徑380mm，壁厚10mm，長為管道直徑長度，采用腐蝕尺寸不同的20個組合建立管道內(nèi)腐蝕模型，分析內(nèi)腐蝕管道在內(nèi)部壓力3MPa下的應力情況，如表4所示。

表4 內(nèi)腐蝕長、寬、深對最大等效應力的影響 (單位：M P a)

圖6 不同內(nèi)腐蝕寬度對等效應力的影響

圖7 不同內(nèi)腐蝕深度對等效應力的影響

從圖6、7中可知，內(nèi)腐蝕和外腐蝕的最大等效應力隨腐蝕尺寸的變化規(guī)律基本相同，深和長的影響更大，寬的影響稍小[6-7]。腐蝕區(qū)域的最大等效應力的增大與腐蝕長度成正比，增加到一定程度，應力值的增幅變小且趨于穩(wěn)定；腐蝕區(qū)域?qū)挾葘ψ畲蟮刃Φ淖饔煤烷L度的影響作用相同[8]。腐蝕區(qū)域的深度對最大等效應力的影響非常大，腐蝕深度小的情況下，最大等效應力隨著腐蝕長度的變化稍緩，增幅較小；當腐蝕加深，最大等效應力隨長度的變化率增大，曲線變陡。

3.3 內(nèi)腐蝕和外腐蝕影響規(guī)律比較

圖8 內(nèi)外腐蝕寬度對等效應力的影響比較

圖9 內(nèi)外腐蝕深度對等效應力的影響比較

由圖8、9可知，內(nèi)腐蝕和外腐蝕影響規(guī)律相同，相同尺寸的腐蝕缺陷的最大等效應力相差不大，曲線基本重合。對于相同腐蝕尺寸而言，外腐蝕的最大應力稍大，即外腐蝕更加危險，現(xiàn)場更應該注意外腐蝕的影響，加強保護[9]。

4 結(jié)語

（1）腐蝕管道最大等效應力出現(xiàn)在腐蝕區(qū)域與未腐蝕區(qū)連接縫處，該處容易產(chǎn)生應力集中，危險性較大。

（2）內(nèi)腐蝕和外腐蝕的影響規(guī)律基本一致，對于相同的腐蝕尺寸而言，外腐蝕更加危險。

（3）總體說來，影響腐蝕應力的關鍵指標是長度和深度，寬度的影響較小。