基于有限元的壓力管道超標缺陷模擬研究

張國強 孫寶財

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院 蘭州 730050）

在生產實踐活動中,壓力管道肩負著各設備之間工藝介質的輸送任務,作為第四大運輸方式,其安全質量日益受到重視,管道質量是保證物料能否安全輸送的關鍵因素。由于輸送的介質具有易燃易爆有毒有害的特性,一旦發生泄漏,將會造成嚴重后果。因此,國家頒布了《中華人民共和國特種設備安全法》,實行特種設備目錄管理,對于特種設備目錄范圍內的設備,按規范要求進行定期檢驗,確保設備安全狀況符合要求,對于不滿足安全生產要求的設備,按相關要求進行整改。由于種種原因,現役管道存在各種各樣的缺陷,而大量的結構性缺陷,并不影響管道的安全運行,不加區分地進行返修,不但影響企業正常的生產,而且耗費大量的人力物力,增加成本。因此,對于超標缺陷,進行應力分析,滿足安全使用要求,就可以正常使用。

本文結合某公司現場檢驗實際,定期檢驗發現1條蒸汽管道存在未焊透超標缺陷,由于該單位生產任務重,無法停車對缺陷進行處理,在充分分析管道運行的情況下,通過有限元模擬未焊透超標缺陷、計算最大安全運行壓力,結果表明,在不超過最大工作壓力和最大工作溫度的條件下,該管道可安全運行至下次檢驗周期。通過采用有限元模擬外加應力計算的手段,能夠為含有定期檢驗規則超標缺陷的管道安全運行提供參考,通過獲得應力、應變云圖,應力分布及最大安全應力直觀顯示,相較于傳統方法,基于有限元的壓力管道超標缺陷分析大大提高了準確度和效率,減少了企業停產返修帶來的經濟損失。管道運行條件見表1。

表1 管道運行概況

1 壓力管道超標缺陷

1.1 壓力管道超標缺陷定義

在工藝生產過程中,對于管道的安全狀況進行定期檢驗檢測,參照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》相關要求進行。在實際檢驗檢測過程中,由于管道安裝過程中帶來的未焊透及由于介質腐蝕沖刷造成的局部減薄,是管道使用過程中最常見的缺陷。TSG D7005—2018對于未焊透深度及局部減薄深度根據不同管徑和壁厚,有具體要求,材料為20鋼、Q345或者奧氏體不銹鋼時,未焊透按局部減薄計算,除上述材料以外的其他材料,未焊透按未熔合計算。由于檢驗的2條蒸汽管道均為GC2,本文對GC2級管道進行研究,表2為TSG D7005—2018中要求的局部減薄最大值,超過表2要求尺寸的缺陷為超標缺陷。

表2 TSG D7005—2018中要求的GC2、GC3局部減薄深度的最大值 mm

式中：

ReL——管材屈服強度,MPa。

1.2 壓力管道超標缺陷檢驗

按照TSG D7005—2018規范要求對該廠蒸汽管道停機檢驗,采取宏觀檢驗、壁厚檢測、磁粉檢測、DR射線檢測等手段,彎頭R1-B1/B2焊縫檢驗結果見表3。

表3 彎頭R1-B1/B2檢驗結果

通過對R1彎頭DR檢測發現,B1/B2焊縫均存在最大深度為2 mm的未焊透缺陷,同時,彎頭內壁由于沖刷較上次局部減薄0.8 mm,且該彎頭滿足局部減薄計算的前提條件[1],通過計算,該管道pL0=12.99 MPa,p＜0.3×12.99 MPa=3.897 MPa,由于為整圈未焊透,故0.75＜B/(πD)≤1,3級時未焊透最大允許深度為0.25te-C=1.24 mm,該彎頭2 mm未焊透缺陷已超過3級要求,為超標缺陷,該管道定級為4級,圖1所示為DR檢測未焊透缺陷。

圖1 R1彎頭DR檢測未焊透缺陷

2 計算模型與仿真方法

2.1 計算模型

該壓力管道實體模型的建立需要綜合考慮材料屬性、彈性模量、泊松比等[2-5],由于未焊透缺陷在焊縫根部,高度為2 mm,且為整圈,結合實際工況與建模的便利性,對焊縫根部未焊透缺陷用規則的環向溝槽進行模擬,溝槽深度設置為2 mm。在實際情況中,管道主要承受內壓、彎矩等載荷,因此忽略其他載荷對管道的影響。由于未焊透缺陷為整圈,溝槽規則且對稱,為計算方便,只需分析管子模型的1/2。

為消除邊界效應,根據圣維南原理[6],管段選取彎頭兩側600 mm,規格為φ273×7 mm,管道材質為20鋼,彈性模量為206 GPa,最小屈服強度為245 MPa,泊松比為0.3,最大運行壓力為1.0 MPa。

2.2 網格劃分

在有限元仿真模擬之前,采用前處理軟件對模型進行離散,即進行網格劃分。本文采用SOLID186單元進行網格劃分,共劃分了41 356個計算節點,12 248個網格單元。含有2 mm未焊透缺陷的壓力管道網格劃分模型如圖2所示,局部減薄0.8 mm的壓力管道網格劃分模型如圖3所示。

圖2 含未焊透缺陷的壓力管道網格劃分模型

圖3 彎頭內壁局部減薄的壓力管道網格劃分模型

3 計算結果與分析

3.1 最大應力計算

含體積型缺陷的管道失效壓力計算見式（2）：

式中：

pF——含缺陷管道的失效壓力,MPa；

D——管道直徑,mm；

t——管道壁厚,mm；

d——腐蝕缺陷深度,mm；

δflow——流變應力；

M——Folias鼓脹系數。

該壓力管道d=2 mm,L=273×3.14 mm（整圈未焊透）,通過計算,該含有未焊透缺陷的管道失效壓力為pF=13.73 MPa,最大安全壓力為pS=1.365 MPa,最高工作壓力1.0 MPa小于最大安全壓力1.365 MPa,該含有未焊透缺陷的蒸汽管道可以安全運行。

3.2 仿真結果與分析

將前處理器進行網格后,導入有限元求解器,采用靜力學計算模型,按照材料特性及工作條件,進行有限元模擬,未焊透模擬應力云圖如圖4所示,局部減薄模擬應力云圖如圖5所示。

圖4 含未焊透缺陷的壓力管道有限元應力云圖

圖5 局部減薄的壓力管道有限元應力云圖

由于根部有深度為2 mm的整圈未焊透,存在結構不連續,通過模擬的最大應力集中部位為根部未焊透部位,與實際情況一致。通過圖4未焊透應力云圖可以看出,對規格為φ273×7 mm存在整圈深度為2 mm未焊透的彎頭焊縫,加載1.0 MPa的最大工作壓力,有限元得出的失效壓力pF為13.648 9 MPa,失效位置為未焊透部位,與式（2）計算得到的失效壓力pF=13.73 MPa,誤差僅為0.6%,且有限元模擬給出了最大應力集中部位為焊縫根部,這就驗證了有限元模擬的準確性。通過構建超標缺陷模型,有限元模擬能夠直接得出失效應力與失效部位,且失效應力與通過失效壓力計算式（2）計算得出的失效應力誤差極小,因此,有限元模擬能夠作為一種可靠的手段對壓力管道超標缺陷進行仿真分析,其模擬結果具有可靠性和準確性。

4 結論

本文采用有限元仿真分析和計算的方法,對壓力管道檢驗過程中發現的超標缺陷進行模型建立、網格劃分、仿真分析,并通過計算得含缺陷壓力管道的失效壓力pF為13.73 MPa,最大安全工作壓力pS為1.365 MPa,大于最大工作壓力1.0 MPa,計算結果表明該超標缺陷不影響管道的安全運行,與通過有限元仿真的結果pF=13.648 9 MPa吻合性較高,誤差僅為0.6%。通過本研究所述方法能夠直接獲得應力、應變云圖,直觀反映應力集中部位與失效壓力,在驗證ANSYS有限元分析軟件模擬壓力管道超標缺陷實驗正確性的同時,進一步說明有限元模擬能夠作為評價壓力管道超標缺陷是否影響管道安全運行的手段,其結果具有可靠性和準確性。