基于有限元法单点腐蚀缺陷分析

　长江大学石油工程学院

基于有限元法单点腐蚀缺陷分析

王立航孙萍萍长江大学石油工程学院

油气输送管道在长期的运行过程中，受许多复杂因素的影响容易导致管壁发生腐蚀，有腐蚀缺陷的管道其强度会发生较大的变化。因此，需要对管道进行剩余强度评价，以确定是否需要维修或更换管道。取2m长的管道建立有限元几何模型，在ANSYSWorkbench15.0软件中采用静力学分析模块，对管道缺陷模型进行离散化处理。根据第四强度失效准则确定管道的剩余强度，并与前人的计算结果进行对比，得到在ASMEB31G—2009评价标准下，管道的剩余强度为14.3512MPa；在分项安全系数法评价标准下，管道的剩余强度为15.9424MPa；通过有限元分析得出管道的最大内压力为15.94MPa。有限元分析方法与分项安全系数法得到的结果非常接近。对于实际运行的管道进行剩余强度分析还需要采用实验方法以及现场数据来判定。

油气管道；腐蚀缺陷；有限元分析；剩余强度

油气输送管道在长期的运行过程中，受许多复杂因素的影响容易导致管壁发生腐蚀，有腐蚀缺陷的管道其强度会发生较大的变化[1]。为了避免油气管道发生事故，必须确定管道是否能在规定的压力下继续输送产品。因此，需要对管道进行剩余强度评价，以确定是否需要维修或更换管道。

目前，ASMEB31G[2]、DNV—F101[3]、API579[4]等标准以及有限元法被广泛地运用于油气管道的评价中。本文采用有限元法，利用ANSYSWorkbench软件对含有单点腐蚀缺陷的管道进行分析，根据第四强度失效准则确定管道的剩余强度，并与前人的计算结果进行对比，得出了合理的结论。

1　有限元分析

（1）建立有限元模型。针对文献[5]中的管道进行有限元分析。对材料为API5LX65号钢的腐蚀管道进行分析，管道尺寸为Ø812.8mm×191.1mm，缺陷的尺寸为200mm×10mm×4.775mm。根据API的SpecificationForLinePipe标准，X65管道的屈服强度为450MPa，抗拉强度为695MPa。为了消除边界效应，根据圣维南原理，主要关心腐蚀点周围的应力分布情况[6]。取2m长的管道建立有限元几何模型，如图1所示，并假定腐蚀点在管道中央。

（2）网格划分。在ANSYSWorkbench15.0软件中采用静力学分析模块，对管道缺陷模型进行离散化处理。在Mash模块中，选择Fine（精细）模型对管道进行智能离散化处理。最终整个模型划分网格单元为28471个，节点57214个，如图2所示。网格单元密集而且规整，缺陷部分的网格更加精细，可以进行下一步的分析。

图1　管道模型

图2　离散化模型

（3）载荷分析。油气输送管道在运行中受到的载荷是比较复杂的，由于穿越形式的不同载荷类型会有很大的差别。对于埋地管道而言，会在管道上敷设土壤，而土壤的弹性系数比较难确定，加上管道受到内压后膨胀量可以忽略不计，因此忽略了土壤对该模型的作用。在本文的有限元分析中，对管道两端面施加对称约束，垂直方向上的位移为0，仅对内壁施加压力。

（4）失效准则。根据第四强度准则，即腐蚀缺陷区的等效应力超过屈服极限强度认为失效[7]，采用基于这种弹性失效的准则。VonMises表达式

式中σs为屈服应力（MPa）；σ1为x轴方向主应力（MPa）；σ2为 y轴方向主应力（MPa）； σ3为z轴方向主应力（MPa）。

2　仿真计算与对比分析

2.1计算结果

利用ANSYSWorkbench软件对所建模型求解，内压从0开始施加，每次增加1MPa，依次求出管道的等效应力云图。用失效准则与管道的屈服强度进行对比，得出管道失效的压力范围。当内压在15MPa时，最大的等效应力为429.65MPa，如图3 （a）所示；当内压在16MPa时，最大的等效应力为451.3MPa，如图3（b）所示。因此可以判断管道的失效压力在15～16MPa。

图3　等效应力云图

接着采用步进为0.1MPa的压力进行计算，然后再用0.01MPa的步进进行计算，最后得出管道所能承受的最大内压力为15.94MPa。

2.2对比分析

在文献[5]中，通过理论计算得出在ASME B31G—2009评价标准下，管道的剩余强度为14.3512MPa；在分项安全系数法评价标准下，管道的剩余强度为15.9424MPa；本文通过有限元分析得出管道的最大内压力为15.94MPa。对于相同的腐蚀缺陷，采用不同的分析方法，得出的结论有很大的差别。从数据上看，有限元分析方法与分项安全系数法得到的结果非常接近，而ASME B31G—2009得到的结果更加保守，但是若利用该标准得到的许用操作压力将更加安全。

3　结论

利用ANSYSWorkbench软件对已知的缺陷管道进行了有限元分析，得到了该管道的剩余强度，通过与前人的理论计算结果对比确定了仿真计算结果的有效性。但是对于实际运行管道进行剩余强度分析还需要采用实验方法以及现场数据来判定。

[1]洪来凤，孙铁，赵志海．基于ANSYS的双点腐蚀缺陷管道剩余强度评价[J]．油气储运，2010，29（12）：916-917.

[2]AmericanSocietyofMechanicalEngineers．ManualforDetermining theRemainingStrengthofCorrodedPipeline：ANSI/ASMEB31G—2009[S]．NewYork：ASMEB31Committee，2009.

[3]DetNorskeVeritas．RecommendedPracticeforCorrodedPipelines：DNV—RP—F1011999[S]．Oslo：DetNorskeVeritas，1999.

[4]AmericanPetroleumInstitute．API579—2000RecommendedPracticeforFitnessforService：ISSUE6[S]．Washington：DC，2000.

[5]杨理践，刘凤艳，高松巍．基于腐蚀缺陷管道的剩余强度评价标准应用[J]．沈阳工业大学学报，2014，36（3）：297-302.

[6]董事尔，何东升，张鹏，等．双点腐蚀管道的弹塑性有限元分析[J]．机械，2005，32（9）：20-22，56.

[7]张旭昀，韩军，徐子怡，等．基于ANSYS有限元法的外腐蚀管道剩余强度和剩余寿命的研究[J]．化工机械，2013，40（5）：639-641，657.

18007144848、84863602@qq.com

（栏目主持樊韶华）

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胡庆明 摄影报道

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.037

王立航：2010年毕业于长江大学油气储运专业，现为长江大学石油工程学院研究生，学习方向为油气储运管道安全性和可靠性研究。

2015-06-02