基于有限元研究某站場天然氣壓力管道應力分析及缺陷評估

＊王沖 王彥軍 周順 劉明 趙娜 費凡*

（1.國家管網北京管道有限公司 北京 100101 2.北京瑞祥宏遠科技有限公司 北京 102200）

1.引言

天然氣站場壓力管道應力集中點和缺陷部位往往是管道安全風險點[1]。站場管道應力分布會受到管線走向、吊支架布置及位移、管體及附件自重、現場生產環境等多種因素的影響。因此利用有限元技術構建分析模型，快速對整個站場進行應力分析，了解管線應力集中風險點，對于指導管道安全檢測及管理具有重要的研究意義[2]。

隨著使用年限的增加，個別部位會出現不同程度的缺陷，缺陷處的強度會有不同程度的降低，同時會伴隨著爆管、泄露等管道事故的發生，而且管道事故引發的后果更嚴重。評價工作中正確選擇適用規范并正確使用不是一件容易的事情。不同種類的缺陷需要使用不同的方法來進行分析，規范內容多、分析流程復雜，具有大量的交叉判斷，人工完成需要進行多次判斷，難以保證不出錯，而軟件則能比較好地解決這個問題。因此將缺陷標準規范計算過程與有限元快速建模和分析技術相結合，利用計算機的優勢快速對缺陷評價分析是未來發展的趨勢[3]。

本研究利用有限元技術結合缺陷評估標準對壓力管道整體應力進行分析并對其缺陷進行了快速的分析，為快速開展壓力管道應力集中分布和缺陷安全評估提供應用參考。

2.軟件系統架構

本系統基于管線應力計算的相關設計規程、管道缺陷分析的相關國標GB/T 20801-2020《壓力管道規范工業管 道》[4]、GB/T 19624-2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》[5]和有限元分析平臺開發，將規范計算過程與有限元快速建模和分析技術相結合。充分利用現代計算機與有限元技術，快速建立管線模型進行應力分析，找到應力集中部位，即重點檢測、監測部位，并在安全適用的原則下，對缺陷進行快速評定，以實現高效的在役含缺陷壓力管道應力分析及缺陷安全評定系統。

本系統采用純客戶端架構，整個系統包含：模型繪制、模型分析、結果輸出（云圖/報告）以及材料庫四個主要模塊。

模型繪制模塊主要負責通過使用者填寫的管道及管道部件的基本參數生成管線模型以及對應的部件模型。模型分析模塊包括應力分析和缺陷評定功能，應力分析功能負責將管線模型轉換為INP模型文件及進行數據分析；缺陷評定功能負責獲取缺陷所在部位應力數據，并自動按標準方法進行評定。結果輸出模塊包括云圖顯示和報告生成功能，云圖顯示部分負責將數據分析結果以云圖的形式顯示，報告生成主要負責將數據分析結果填入Word文檔并存儲。

模型繪制模塊及模型分析模塊都有相同的附屬模塊，即為材料庫模塊。材料庫模塊主要負責保存標準協議中各種不同材料的計算參數以及使用者自定義的計算參數。

本系統分析流程包含三部分：前處理、模型分析、后處理。分析流程，見圖1。

圖1 系統分析流程圖

3.某站場應力分析及缺陷評估快速評估

(1)站場參數

某天然氣站場管道相關參數，如表1，材質機械性能參數，如表2。

表1 站場管道相關參數

表2 材料機械性能參數

(2)應力分析

根據管道基本信息、單線圖及現場檢驗情況，通過參數化建模繪制整體的管道有限元模型和并自動生成3D實體模型，如圖2所示，軟件系統可一鍵式自動進行有限元應力分析，可以得到管線系統的應力，并能對模型進行可視化處理，如圖3所示。

圖2 （a）站場管道有限元模型；（b）管道3D模型

圖3 管道應力分析云圖

顏色越趨近于紅色，表示此處應力越大，經查看云圖可知，西沙屯管道有限元分析應力值為72.5～80.97MPa，最大應力值為80.97MPa，小于許用應力138MPa。應力集中位置基本都位于架空管道彎頭或三通處。彎頭和三通相對管道系統來講，處于結構不連續的地方，因此應力相對其他地方來說較大。管道支架或者有約束的地方，由于限制了管道在受力情況下通過位移來釋放應力，所以也會有較大的應力。

(3)缺陷分析

管道在工作條件下產生結構性破壞的形式有斷裂和塑性破壞。斷裂是由于管道結構存在面型（裂紋類）缺陷，在載荷作用下產生的主要失效形式，它的評定是采用斷裂力學的理論加以解決。而塑性破壞是由于管道結構所承受的載荷超過結構本身的塑性極限載荷而產生的破壞，在一定條件下含面型缺陷和體積型缺陷（如局部減薄）的管道結構都可能產生這類破壞。

本次安全評定結合管道應力分析系統對管道缺陷進行分析。對于平面缺陷根據國家標準《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624－2019）中附錄G規定，采用U因子評定法進行評定，對于體積缺陷根據GB/T 19624－2019中附錄H或附錄I的規定，采用塑性極限荷載法進行評定。

①在模型上添加直管段平面（未焊透）缺陷參數，見 表3，管道模型，如圖4所示。

表3 缺陷類型及尺寸

圖4 管道添加缺陷后有限元模型

②經有限元分析計算，管道軸力及彎矩分布云圖，如圖5所示。

圖5 （a）管道軸力云圖；（b）管道彎矩云圖

③表3列出了所分析管線基于應力分析系統受力分析得到的缺陷處截面拉力與彎矩值，然后采用缺陷所在位置的內壓和彎矩作為輸入項，通過應力分析系統然后即可自動進行安全評價。

該管道缺陷評定參數計算數值及安全評定結果，如表4。

表4 安全評定結果

4.結論

（1）從有限元分析結果看，管道系統最小應力值為72.5MPa，最大應力值為80.97MPa，無明顯應力集中情況；管道系統材料L245MB的許用應力最低為138MPa，有限元分析結果最大值為80.97MPa，應力分析校核通過，滿足工程應用。

（2）應力云圖中，顏色越趨近于紅色，表示此處應力相對越大，更容易發生破壞，在維護、保養等日常工作中應重點關注。應力較大部位基本處于彎頭和三通處，按檢規要求，一般是抽檢，可為檢驗重點和探傷位置提供參考依據。

（3）軟件自動完成缺陷評估，方便快捷，管道系統中的缺陷通過了安全評定。