含双体积型腐蚀缺陷管道的有限元应力分析

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(1.中国石油天然气股份有限公司大庆炼化分公司,黑龙江 大庆 163416；2.北京化工大学机电工程学院,北京 100029)

含双体积型腐蚀缺陷管道的有限元应力分析

赵纪禹1,王笑楠2,李璐2

(1.中国石油天然气股份有限公司大庆炼化分公司,黑龙江 大庆 163416；2.北京化工大学机电工程学院,北京 100029)

某常减压蒸馏装置减压炉3路出口第2个弯头后直管经超声测厚发现腐蚀减薄严重。以此管道为样本，用有限元软件模拟了含双体积型腐蚀缺陷管道的应力状态，研究了平底方形、椭圆底方形两种体积型腐蚀缺陷及组合缺陷之间的距离对管道最大等效应力的影响规律。结果表明:当双平底缺陷、双椭圆底缺陷和组合缺陷之间的距离分别大于等于500，160和300 mm时，两缺陷互不干涉，可分开评定其对管道剩余强度的影响。

双腐蚀缺陷组合缺陷等效应力有限元

腐蚀是导致管道失效的主要原因之一，为了预测在役管道腐蚀情况，确定腐蚀缺陷对管道结构完整性的危害程度，有必要评估管道的剩余强度，确保管道在服役期限内的安全运行[1]。但实际上，炼油管道运行环境十分复杂，发生腐蚀的部位及形状不尽相同，这些不确定因素给腐蚀管道剩余强度评估带来了一定困难[2]。有研究表明，炼油管道腐蚀往往造成多个缺陷，且缺陷之间距离较近时会互相产生作用，影响管道整体剩余强度[3]。缺陷的位置排列分为环向、轴向和交叠三种[4]。为更真实地研究腐蚀缺陷管道的剩余强度、确保管道安全运行，需要研究多个缺陷共存时对剩余强度的影响规律。借助ANSYS软件对含缺陷管道进行有限元分析，研究缺陷位置对剩余强度的影响规律，对于准确评估管道腐蚀情况、预测其剩余寿命和确保管道安全运行具有十分重要的意义。

1 有限元法的应用

采用有限元法，结合某常减压蒸馏装置减压炉3路出口第2个弯头后直管的实际工况，对含双体积型腐蚀缺陷管道进行了有限元分析，研究了平底方形、椭圆底方形两种体积型腐蚀缺陷及组合缺陷之间的距离对管道最大等效应力的影响规律。缺陷之间的位置以轴向排列最为常见，主要研究轴向排列的腐蚀缺陷对管道强度的影响规律。

2 有限元分析

2.1模型建立

管道公称直径为DN250,壁厚为9 mm，外径为273 mm。为消除边界效应，根据圣维南原理，取长度为1 000 mm含腐蚀缺陷的管段进行分析，取一半长度的腐蚀管段进行建模。管道材料为20号钢，弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为245 MPa，管道操作压力为2 MPa。缺陷尺寸为长20 mm，宽10 mm，深2 mm。

双平底方形缺陷模型见图1，缺陷细节见图2。双椭圆底方形缺陷模型细节见图3，组合腐蚀缺陷模型细节见图4。

图1 双平底方形缺陷模型

图2 双平底方形缺陷细节

图3 双椭圆底方形缺陷细节

图4 组合缺陷细节

2.2单元类型及网格划分

选取三维8节点固体结构单元，该单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力，能够满足缺陷处应力集中及大的应变变形要求。网格划分采取自由划分方式，划分结果见图5至图8。缺陷处网格较密，使计算结果更精确。

图5 双平底方形缺陷网格划分

图6 双平底方形缺陷网格划分细节

图7 双椭圆底方形缺陷网格划分细节

图8 组合缺陷网格划分细节

2.3设定边界条件及载荷

如图1所示，管道横向剖面1为固定端，施加全约束；轴向剖面2和3施加位移约束(x方向位移为零);只考虑内压载荷的作用，取内压(P)为管道最大运行压力2 MPa，且为横向剖面4施加界面载荷(P1)，其值P1计算如下[5]：

(1)

式中：Sin为内径所围成的圆面积,mm2；Smi为内径与外径所围成的圆环面积,mm2。计算得P1等于13.6 MPa。

2.4失效准则

根据第四强度准则(形状改变比能是引起材料流动破坏的主要原因)，即腐蚀缺陷区的等效应力超过屈服强度即认为失效。采用基于这种弹性失效的准则，Von Mises应力的表达式为：

σs=

(2)

式中：σs为屈服应力，MPa；σ1，σ2和σ3分别为x,y和z轴方向上的主应力，MPa。

2.5有限元方法的可靠性

王勇[6]等将室内管道承压试验结果与有限元模拟应力分析结果对比，发现具有较好的吻合度，其最大误差为8.6%，在工程误差可接受范围内，验证了ANSYS软件模拟的准确性与可靠性。

3 结果分析

3.1双平底方形缺陷间距影响

双平底方形缺陷模型缺陷尺寸为轴向长20 mm，环向宽10 mm，径向深2 mm。双平底方形缺陷间距对最大等效应力的影响见图9。管道最大等效应力随缺陷间距变化而变化，在缺陷间距小于200 mm时，最大等效应力随间距增大而增大；缺陷间距在200～500 mm时，最大等效应力随缺陷间距增大而减小；当缺陷间距大于等于 500 mm时，双缺陷管道最大等效应力不再随间距而改变，基本与单缺陷管道最大等效应力保持一致。说明当缺陷间距小于500 mm时，两缺陷相互干涉，在评估管道剩余强度时应考虑缺陷的相互影响；而缺陷间距大于等于500 mm时，缺陷无相互干涉。

图9 缺陷间距对等效应力的影响

3.2双椭圆底方形缺陷间距影响

双椭圆底方形缺陷模型缺陷尺寸为轴向长20 mm，环向宽10 mm，径向深2 mm，底部为椭圆形。双椭圆底方形缺陷间距对最大等效应力的影响见图10。当缺陷间距小于160 mm时，管道最大等效应力随间距改变而改变，这说明缺陷之间存在干涉作用，当间距大于160 mm时，无干涉作用。

图10 缺陷间距对等效应力的影响

3.3组合缺陷间距影响

组合缺陷间距对最大等效应力的影响见图11，当缺陷间距大于300 mm时，两缺陷之间互不干涉。

图11 组合腐蚀缺陷间距对等效应力的影响

4 结束语

结合某常减压蒸馏装置管道腐蚀减薄严重的实际情况，使用有限元软件对含双体积型缺陷腐蚀管道进行应力分析，得出当双平底缺陷之间的距离大于等于500 mm时，两缺陷相互独立，可分开评定管道的剩余强度,即临界距离为500 mm；而双椭圆底缺陷之间的临界距离为160 mm；两种缺陷组合时，之间的临界距离为300 mm。关于腐蚀管道剩余强度以及剩余寿命还有许多问题亟待解决，该文只是对腐蚀管道剩余强度评估做了一些基础性研究。研究对于评估此条管道腐蚀情况以及剩余强度具有较大的价值。

[1] 周敏得,蔡守翔,何仁洋,等.管道完整性管理技术在城镇燃气管线中的应用[J].管道技术与设备,2007(6):18-20.

[2] 崔进起,于晓勇,郭泽荣.基于ANSYS有限元法的长输油气腐蚀管道剩余强度与剩余寿命研究[J].实验技术与管理,2010,27(10):56-59.

[3] 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].机械设计与研究,2006,32(9):20-23.

[4] 魏化中,周小兵,舒安庆,等.含组合腐蚀缺陷压力管道剩余强度分析[J].制造技术与工艺,2007,42(2):42-43.

[5] 高姗.典型焦化装置基于风险的腐蚀评估及寿命预测技术研究[D].北京：北京化工大学,2016.

[6] 王勇,李洋,孙世斌,等.腐蚀缺陷管道剩余强度ANSYS有限元模拟可行性研究[J].兵器材料科学与工程,2014,37(3):12-16.

(编辑 寇岱清)

FiniteElementStressAnalysisofCorrodedPipelinewithDoubleVolume-TypeDefects

ZhaoJiyu1,WangXiaonan2,LiLu2
(1.CNPCDaqingRefiningCompany,Daqing163416,China; 2.BeijingUniversityofChemicalTechnology,CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,Beijing100029,China)

Through ultrasonic C-scanning surface thickness measurement, thinning problem was found to be serious due to the corrosion in the straight pipeline next to the second elbow of No.3 export in vacuum furnace. Stress status of the pipeline with double volume-type defects was simulated using finite element software, and effects of defects with flat square or elliptical bottom square, as well as the distance between them, was investigated on the maximum equivalent stress of pipeline. The results showed that when the distances between two defects with flat square, two defects with elliptical bottom square, and defects with flat square and elliptical bottom square were higher than 500 mm, 160 mm and 300 mm, respectively, influence of the defects on the residual strength of pipeline can be evaluated separately.

double corroded defects, combined defects, equivalent stress, finite element

2017-03-23；修改稿收到日期：2017-06-28。

赵纪禹 (1970—)，工程师，现在该公司炼油一厂从事设备管理、设备腐蚀与防护工作。E-mail:lilu_0618@foxmail.com