管道裂紋有限元分析與ECA評估研究

＊基勇 黎延志 何玉龍 張軼男 魏昊天 王路明

（1.安徽省天然氣開發股份有限公司 安徽 230051 2.中國石油大學（北京）安全與海洋工程學院 北京 102249）

引言

油氣管道是國家油氣運輸的“大動脈”，在施工和運行過程中，由于施工操作和環境因素等原因，管道表面可能出現裂紋缺陷。裂紋缺陷是影響管道安全運行的重要因素，會破壞管道幾何連續性，產生應力集中，引起管體承壓能力下降，導致管道破裂失效，后果嚴重。因此對含裂紋缺陷管道的安全性進行評估對維護管道安全運營有重要意義。本文構建含裂紋管道有限元模型，同時聯合使用失效評估圖方法，綜合評估含缺陷管道安全性。

1.概述

(1)基本情況

某長輸天然氣管道，其管徑610mm，壁厚12.7mm，設計壓力9.2MPa、最大允許運行壓力9.0MPa，測試期間的運行壓力范圍為7.2～8.3MPa。管道材質為X65鋼，直縫埋弧焊管。

(2)管道內檢測及缺陷情況

2007年7—8月開展第一次內檢測，7—9月開展開挖驗證。當時發現管道上存在機械劃傷缺陷，經無損檢測驗證，發現存在裂紋缺陷；對缺陷處進行打磨處理后，于2011年進行了碳纖維復合材料補強。2015年，對碳纖維補強效果進行開挖驗證，拆除碳纖維復合材料補強層后，未發現有裂紋缺陷，后選擇玻璃纖維復合材料進行補強。2011年11月，再次對玻璃纖維復合材料的補強效果進行驗證，管體表面正常，未發現腐蝕痕跡。但是，經過無損檢測發現該部位存在近外表面裂紋缺陷（滲透檢測PT未發現裂紋缺陷，磁粉檢測MT發現了裂紋缺陷），將裂紋徹底打磨后，測量裂紋深度為1.3mm。

(3)評價方法

針對內檢測中含裂紋管道的安全性評價，可用靜裂紋的方法模擬裂紋型缺陷，即假定裂紋為靜態裂紋，不考慮裂紋的擴展，分析含裂紋管道強度。同基于損傷或孔洞理論失效的GTN模型相比，采用靜裂紋方法計算管道裂紋擴展驅動力，針對含裂紋管道的安全性進行有限元計算，具有更高的計算精度和速率。張宏等[1]采用靜裂紋模擬方法建立了含裂紋缺陷管道環焊縫有限元模型，研究了焊縫強度匹配系數對裂縫擴展驅動力的影響；Zhao等[2]采用靜裂紋方法進行有限元模擬，分析低強度匹配系數下的含裂紋海底管道環焊縫斷裂參數與彎曲應變之間的變化規律。目前，許多經典標準規范以及著名研究機構均推薦采用基于靜裂紋的模擬方法[1,3-4]。

基于已有研究成果，本次分析使用靜裂紋方法進行模擬，模型構建擬選取CSA Z662《石油和天然氣管道系統》中推薦的獨木舟型（Canoe型）模擬裂紋缺陷，采用運動式耦合方法分別與管道端面進行耦合，通過對端面參考點施加平移約束作為位移邊界條件，模擬管道受拉作用[3,5]。

2.基于有限元方法的分析

(1)含裂紋有限元模型

①幾何模型

管徑610mm、壁厚12.7mm、X65管道開展分析，模型中管道總長取6×610mm=3660mm，以消除遠端邊界效應的影響。

模型采用獨木舟型（Canoe型）方法模擬裂紋缺陷，根據2011年11月無損檢測結果，管道管體外表面存在外表面軸向裂紋，裂紋深度1.3mm；由于裂紋長度并未提供，這里假定裂紋長度為20倍裂紋深度，即26mm。按照上述參數構建裂紋面如圖1所示。

圖1 裂紋面位置

②網格設置

在管道承受外載荷作用發生變形的過程中，裂紋尖端區域附近產生較大的塑性變形，因此在模擬時，對裂尖部分附近的網格進行局部加密處理。同時在裂尖區域采用圓孔建模以更好地模擬管道裂紋的鈍化行為，根據已有研究，這種方法被證明能夠對裂紋張開過程中的裂尖鈍化進行有效模擬[1,3,4]，從而準確得到J積分、CTOD等相應的斷裂參數，管道裂紋尖端區域網格劃分如圖2所示。

圖2 裂紋尖端的網格劃分

對于管道其他區域的模擬采用了掃掠網格進行劃分，模型網格均采用8節點雜交減縮C3D8RH單元，對管道結構局部區域進行分割并加密，以提高計算收斂性與準確性。

③邊界條件

油氣管道在運行中主要受到拉伸載荷作用。由于管道分析模型存在對稱性，建立1/2圓管模型，對管道對稱XY面構建對稱約束進行計算。使用運動耦合約束，分別對管道端面進行耦合，在管道兩端建立參考點，通過對參考點施加平移作為位移邊界條件，以此模擬管道受到的拉伸作用。

模型共包含兩個載荷步：第一步，對管道施加9.2MPa內壓，并維持恒定；第二步，對參考點施加平移模擬拉伸。

④材料

以加拿大標準CSA Z662中給出的材料應力應變曲線形式確定了X65等級管材的應力應變關系：

式中：ε為應變；σ為應力，MPa；σy為屈服強度，MPa；E為彈性模量，MPa；n為材料硬化指數；λ為屈強比；σT為抗拉強度，MPa。

X65管材按API SPEC 5L，GB/T 9711.2，抗拉強度535MPa、屈服強度481.5MPa、屈強比0.90、彈性模量2.1×105MPa、泊松比0.3。

⑤有限元模型

綜上，構建外表面存在一外表面軸向裂紋的管徑610mm、壁厚12.7mm、X65管道模型，模型共包括106396個節點，81038單元。管道模型有限元模型示意圖如圖3。

圖3 管道有限元模型示意圖

(2)分析結果

計算并提取裂紋尖端張開位移（Crack Tip Opening Displacement，CTOD）隨應變的變化關系如圖4所示，以目前油氣管道工業廣泛采用的0.25mm作為允許的最大裂紋尖端張開位移[6]，可見本案例含裂紋管道的臨界應變遠遠大于0.5%應變需求，屬于安全狀態。

圖4 裂紋尖端張開位移隨應變的變化曲線

3.基于失效評估圖的分析

X65管材抗拉強度535MPa、最小屈服強度450MPa、彈性模量2.1×105MPa、泊松比0.3，管徑610mm、壁厚12.7mm，對應徑厚比48.03，沒有超過評價外表面裂紋時的參數范圍。

裂紋深度1.3mm，裂紋長度26mm，裂紋平面與管道軸向完全垂直，管道軸向受到405MPa的軸向應力，一下分別采用BS 7910失效評估圖中的等級1、等級2方法進行評價。

經過計算，本案例中（Lr，Kr）坐標為（0.9042，0.1420），將其繪制在FAD圖上如圖5，可以發現案例對應的點在兩條曲線之內，故認為該管道在受405MPa（0.9倍屈服強度）軸向應力條件下符合安全要求。

圖5 FAD圖

4.結論

（1）基于非線性有限元方法構建含裂紋管道裂紋擴展驅動力數值仿真模型開展計算分析，結果表明，可見本案例含裂紋管道的臨界應變遠大于0.5%應變需求，屬于安全狀態。

（2）基于國內外標準普遍使用的失效評估圖方法開展計算分析，結果表明，本案例含裂紋管道在405MPa（0.9倍屈服強度）軸向載荷條件下符合安全要求。