含矩形腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度的有限元分析

王戰(zhàn)輝 馬向榮 黨睿

摘 ? ? ?要：為了提高油氣管道剩余強(qiáng)度的準(zhǔn)確性，以常用的X70管線鋼為研究對象，借助ANSYS工具，首先考察缺陷尺寸如缺陷長度和缺陷寬度對等效應(yīng)力的影響，其次考察了內(nèi)壓對等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的影響，并基于應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行剩余強(qiáng)度的擬合。結(jié)果表明：隨著缺陷長度、缺陷深度和內(nèi)壓的增加，最大等效應(yīng)力呈增加的趨勢，內(nèi)壓和等效應(yīng)力基本呈正比例關(guān)系;隨著缺陷寬度的增加，最大等效應(yīng)力呈減小的趨勢;通過線性擬合得到了基于應(yīng)力和應(yīng)變的剩余強(qiáng)度求解算法，其中，基于應(yīng)力的剩余強(qiáng)度求解算法下降速度高于基于應(yīng)變的剩余強(qiáng)度求解算法。所得結(jié)論對管線鋼剩余強(qiáng)度的計算有一定的借鑒意義。

關(guān) ?鍵 ?詞：剩余強(qiáng)度;腐蝕缺陷;等效應(yīng)力;擬合

中圖分類號：TQ 050.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）08-1715-04

Abstract： In order to improve the accuracy of residual strength analysis of oil and gas pipelines， taking common X70 pipeline steel with the rectangular defect as the investigation object， the influence of defect size， such as defect length and defect width， on the equivalent stress and equivalent strain was firstly investigated by using ANSYS finite element software. Then， the effect of internal pressure on the equivalent stress and equivalent strain was investigated， and residual strength was fitted based on the stress and strain. The results showed that， with the increase of defect length， defect depth and internal pressure， the maximum equivalent stress increased， and the equivalent stress was basically proportional to the internal pressure; with the increase of defect width， the maximum equivalent stress decreased; through linear fitting， the residual strength algorithm based on the stress and strain was obtained Among them， the descent speed of residual strength algorithm based on the stress was faster than that based on the strain. The conclusion can provide some reference in the calculation of residual strength of pipeline steel.

Key words： Residual strength; Corrosion defect; Equivalent stress; Fitting.

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，化工產(chǎn)業(yè)在任何一個國家都占很大的比重，小到日用品，大到交通運輸工具，都離不開化工行業(yè)的發(fā)展，化工行業(yè)和人的日常生活聯(lián)系越來越緊密[1]。石油天然氣作為化工行業(yè)的重要能源，在中國分布及其不均勻，西北地區(qū)石油天然氣儲存量豐富，但是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，東南沿海城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，但是缺乏能源，因此，需要將石油天然氣進(jìn)行長距離輸送[2]。傳統(tǒng)的油氣輸送工具是管道運輸，管道一般深埋地下，因此容易受到土壤腐蝕，而且管道內(nèi)部介質(zhì)對管道也會進(jìn)行腐蝕。事故是石油天然氣行業(yè)永恒的痛點，油氣資源管道傳輸路線長，不可避免的與空氣、土壤、水等腐蝕環(huán)境接觸，發(fā)生腐蝕事故，引起大量資源損失[3]。多種形式的腐蝕會產(chǎn)生各種形狀的腐蝕缺陷，最后會使管道有效壁厚減薄，壁厚是管道承壓能力的重要指標(biāo)，油氣管道內(nèi)部一般含有壓力，因此，壁厚減薄會使管道承壓能力下降，容易發(fā)生強(qiáng)度破壞，影響其使用壽命，更嚴(yán)重者，可能會使管道發(fā)生泄漏，一旦發(fā)生，輕則設(shè)施財產(chǎn)受損，重則造成人員傷亡及環(huán)境污染[4]。

目前，由腐蝕引起的管道破壞事故呈逐年增加的趨勢，剩余強(qiáng)度表示管道的承壓能力，腐蝕缺陷會對管道剩余強(qiáng)度產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而影響管道使用壽命和服役條件[5-7]。因此，許多高校和國外科研機(jī)構(gòu)都對腐蝕缺陷進(jìn)行了一系列的研究工作，關(guān)于剩余強(qiáng)度提出了很多的標(biāo)準(zhǔn)，但是這些標(biāo)準(zhǔn)都有一定的使用條件，進(jìn)而使其計算結(jié)果準(zhǔn)確性不能達(dá)到保證，有一定的局限性[8]。為了提高油氣管道剩余強(qiáng)度的準(zhǔn)確性，以常用的X70管線鋼為研究對象，借助ANSYS工具，首先考察缺陷尺寸如缺陷長度和缺陷寬度對等效應(yīng)力的影響，其次考察了內(nèi)壓對等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的影響，并基于應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行剩余強(qiáng)度的擬合，所得結(jié)論對于油氣管道剩余強(qiáng)度的求解有一定的參考價值。

1 ?有限元分析過程

1.1 ?物性條件及結(jié)構(gòu)參數(shù)

以X70管線鋼為研究目標(biāo)，其屈服強(qiáng)度σs為485 MPa，抗拉強(qiáng)度σb為570 MPa，彈性模量E為206 GPa，泊松比μ為0.3。結(jié)構(gòu)參數(shù)為管道長度L為1 500 mm，外徑D為300 mm，內(nèi)徑為270 mm，壁厚t為15 mm。所研究腐蝕缺陷形式為矩形腐蝕缺陷，缺陷長度為100 mm，缺陷寬度為50 mm。內(nèi)壓為8MPa。考慮所建模型的幾何對稱性和載荷對稱性，選取管道幾何形狀的一半進(jìn)行建模，所建模型如圖1所示。

1.2 ?載荷及位移約束

缺陷管道在實際運行當(dāng)中，除了承受內(nèi)壓作用外，還要承受外壓載荷、風(fēng)載荷、地震載荷等作用，但是，其他載荷與內(nèi)壓載荷進(jìn)行比較，其影響效果可以忽略不記，因此，只考慮內(nèi)壓的影響。借助模型管道的幾何對稱性，約束其對稱面Y軸方向和Z軸方向的位移，對管道內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷p[9]。

1.3 ?失效判斷準(zhǔn)則

利用基于彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則來判斷管道是否發(fā)生強(qiáng)度失效。即當(dāng)含缺陷管道最大等效應(yīng)力達(dá)到或超過屈服強(qiáng)度時，認(rèn)為管道失效，當(dāng)內(nèi)壓增大到最大等效應(yīng)力等于屈服強(qiáng)度時，此時的內(nèi)壓載荷就稱為剩余強(qiáng)度[10]。

2 ?有限元分析結(jié)果

首先考察缺陷尺寸如缺陷長度和缺陷寬度對等效應(yīng)力的影響，其次考察了內(nèi)壓對等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的影響，并基于應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行剩余強(qiáng)度的擬合。

2.1 ?缺陷長度對等效應(yīng)力的影響

保持矩形缺陷寬度50 mm不變，缺陷深度分別為1/6t、1/4t、1/3t、5/12t、1/2t，缺陷長度分別取50、60、70、80、90、100 mm，考察不同缺陷深度下，缺陷長度對等效應(yīng)力的影響如圖2所示。可以得到，在缺陷深度相同的情況下，最大等效應(yīng)力與缺陷長度的變化趨勢一致;在同一缺陷長度下，最大等效應(yīng)力隨缺陷深度的增加而增大。缺陷長度從50到100 mm時，等效應(yīng)力變化最大的是缺陷深度為1/2t時，變化量為34.12 MPa，而缺陷長度為100 mm時，深度從1/6t到1/2t等效應(yīng)力變化量為54.27 MPa，由等效應(yīng)力變化量得到如下結(jié)論：缺陷深度對等效應(yīng)力的影響程度比缺陷長度要大。

2.2 ?缺陷寬度對等效應(yīng)力的影響

保持矩形缺陷長度100 mm不變，缺陷深度分別為1/6t、1/4t、1/3t、5/12t、1/2t，缺陷寬度分別取50、60、70、80、90、100，考察不同缺陷深度下，缺陷寬度對等效應(yīng)力的影響如圖3所示。

可以得到，在缺陷深度相同的情況下，最大等效應(yīng)力與缺陷寬度的變化趨勢相反;在同一缺陷寬度下，最大等效應(yīng)力隨缺陷深度的增加而增大。缺陷寬度從50到100 mm時，等效應(yīng)力變化最大的是缺陷深度為1/2t時，變化量為28.01 MPa，而缺陷寬度為100 mm時，深度從1/6t到1/2t等效應(yīng)力變化了38.51 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺陷寬度所引起的等效應(yīng)力變化量，可以得出，與缺陷寬度相比，缺陷深度對等效應(yīng)力的影響程度更大。

2.3 ?內(nèi)壓對等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的影響

保持矩形缺陷長度100 mm，缺陷寬度50 mm不變，缺陷深度分別為1/6t、1/4t、1/3t、5/12t、1/2t，內(nèi)壓分別取1、2、4、8、16 MPa，考察內(nèi)壓對等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的影響如圖4和圖5所示。

可以得到，在同一缺陷深度下，等效應(yīng)力和等效應(yīng)變均隨內(nèi)壓的增加而增大，基本呈正比例關(guān)系。這與理論情況下基本上是相符的，在缺陷尺寸保持不變的情況下，最大等效應(yīng)力的大小只與內(nèi)壓有關(guān)系，隨著內(nèi)壓的增大而增大，此時的最大等效應(yīng)力數(shù)值上要大于薄膜應(yīng)力。在內(nèi)壓p的增加過程中，最大等效應(yīng)力隨之增加，如果最大等效應(yīng)力超過了屈服極限，此時的內(nèi)壓就稱為剩余強(qiáng)度，對于管線鋼來說，剩余強(qiáng)度是一個非常重要的參數(shù)，它表示鋼材的承壓能力，如果內(nèi)壓超過剩余強(qiáng)度，此時最大等效應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，鋼材就發(fā)生強(qiáng)度失效，因此，通常情況下，鋼材剩余強(qiáng)度越高越好。最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變均與內(nèi)壓呈線性關(guān)系，因此，可借助origin軟件對該曲線進(jìn)行擬合求出剩余強(qiáng)度。

3 ?基于應(yīng)變和應(yīng)力求解剩余強(qiáng)度

3.1 ?基于應(yīng)力的剩余強(qiáng)度求解

5種不同深度腐蝕缺陷最大等效應(yīng)力和內(nèi)部壓力成線性關(guān)系，因此，考慮采用線性擬合的方法得出最大等效應(yīng)力和內(nèi)壓的關(guān)系，擬合結(jié)果如圖6和表1所示。

通過對上述5點進(jìn)行擬合可以得到基于等效應(yīng)力的剩余強(qiáng)度計算公式： p=40.149-38.307d/t，相關(guān)性R2=0.971 11。可以看出，剩余強(qiáng)度與d/t呈線性關(guān)系。

3.2 ?基于應(yīng)變的剩余強(qiáng)度求解

五種不同深度腐蝕缺陷最大等效應(yīng)變和內(nèi)部壓力成線性關(guān)系，擬合結(jié)果如圖7和表2所示。

通過對上述5點進(jìn)行擬合可以得到基于等效應(yīng)力的剩余強(qiáng)度計算公式： p=49.134 6-46.134 6d/t，相關(guān)性R2=0.949 7。可以看出，剩余強(qiáng)度與d/t呈線性關(guān)系。綜合比較上述兩種求解方法，基于應(yīng)力的求解方法下降速度高于基于應(yīng)變的求解方法。

4 ?結(jié) 論

1）最大等效應(yīng)力與缺陷長度、缺陷深度的變化趨勢一致;最大等效應(yīng)力與缺陷寬度的變化趨勢相反;缺陷深度對等效應(yīng)力的影響程度比缺陷長度和缺陷寬度要大。

2）等效應(yīng)力和等效應(yīng)變均隨內(nèi)壓的增加而增大，基本呈正比例關(guān)系。

3）通過線性擬合得到了基于應(yīng)力的剩余強(qiáng)度求解方法和基于應(yīng)變的剩余強(qiáng)度求解方法，基于應(yīng)力的求解方法下降速度高于基于應(yīng)變的求解方法。

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