含缺陷X52油氣管道裂紋擴展規律的研究方法探討

閆生棟 楊新宇

摘 要：由于我國現役油氣管道服役時間長，且存在腐蝕等缺陷，與滑坡等自然災害共同作用時常導致管道事故的發生。以X52油氣管道為研究對象，利用ABAQUS有限元分析軟件，構建管道三點彎曲模型并進行數值模擬分析，計算缺陷周圍的應力分布情況，研究缺陷位置分布、尺寸大小等對裂紋擴展的影響。提出了研究含缺陷管道的裂紋擴展一般規律的研究方法，且研究結論對于油氣管道的建設與運行管理具有深遠的意義。

關鍵詞：X52油氣管道;三點彎曲模型;數值模擬分析;裂紋擴展一般規律

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.29.114

0 引言

管道運輸具有運輸距離長、輸量大、可以持續運行等優勢，然而，管道運輸前期投入大，服役期長，運行過程環境復雜，易受腐蝕、地質滑坡等影響產生裂紋和泄漏等現象，造成巨大的人員傷亡和財產損失。

由于含缺陷管線鋼裂紋擴展規律的研究較少，本文提出了含缺陷X52管線鋼在受外部載荷時裂紋擴展規律的研究方法，以管道表面缺陷的位置作為變量，利用ABAQUS有限元軟件構建三點彎曲試驗的數值模型，進行不同工況的數值模擬，得出含缺陷X52油氣管道裂紋擴展規律。

1 2X52管線鋼力學性能

X52管線鋼鋼板的屈服強度、抗拉強度、伸長率等力學性能數據見表1。

2 含缺陷X52管道有限元模型的建立

2.1 模型建立

管道模型長度為1000mm具體參數如表2所示。

參考《GB/T232-2010金屬材料彎曲實驗方法》，采用三點彎曲法對管道進行加載實驗。底部支撐柱跨距為800mm，壓采用位移控制，對管道施力。壓頭柱垂直向下運動的位移為100mm，如圖1所示。

管道缺陷的布置包括兩類：一類為三維的槽型缺陷，槽型缺陷的尺寸如表3所示。

另一類為二維的片狀缺陷，尺寸如表4所示。

2.2 管道缺陷的布置

首先在無預制缺陷的情況下，進行三點彎曲實驗的ABAQUS有限元數值模擬，管道應力應變云圖如2、3、4所示。

根據無預制缺陷下的應力應變云圖，可以確定預制缺陷的位置。缺陷布置在管道的內外表面，如圖5所示，為擬布置缺陷的位置。

3 數值模擬分析的可行性

為了驗證數值模擬方法的可行性，選取圖5（a）中4號缺陷，研究缺陷附近的應力分布、進行“XFEM”分析、計算應力強度因子。

含內表面上部中軸處環向缺陷管道的應力云圖如6、7所示。

如圖6和7所示，管道上部受擠壓處呈現明顯的應力集中，管道內表面含缺陷處應力集中范圍呈現“X”形，缺陷處有向兩邊張開的趨勢。裂紋萌生點出現在管道上部內表面受壓處附近，裂紋由裂紋萌生點沿管道軸向兩側擴展，裂紋擴展云圖如圖8和圖9所示。

裂紋為Ⅰ型（張開型）裂紋，裂紋初始萌生時的Mises應力為347.334MPa，對數應變為0.0030931，裂紋未穿透管壁，左右兩端裂紋長度分別為417.178mm和401.157mm。如圖10所示。

應力強度因子曲線圖，環向缺陷兩端應力強度因子顯著高于環向缺陷的中部，根據斷裂力學的基本理論可推測，管道缺陷兩端萌生裂紋，失效斷裂的可能性要高于管道缺陷中部。

4 結論

通過該缺陷位置的數值模擬分析得到的數據和推論，可以認為利用ABAQUS有限元軟件構建三點彎曲試驗的數值模型，進行多工況的數值模擬，得到含缺陷X52管線鋼在受外部載荷時裂紋擴展規律是可行的。

參考文獻

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