基于有限元的双点含角度腐蚀缺陷油气管道剩余强度评价

康也，郝敏，马思达，张佳亮

（沈阳化工大学 机械与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142）

经济发展离不开能源崛起，煤、石油、天然气被广泛应用于各行各业，运输管道同样快速发展[1]。由于大部分运输管道埋于地下，防腐措施、检验对工业生产安全意义重大[2]。被腐蚀后的油气管道，管壁变薄易破裂。腐蚀的油气管道其韧性和强度会发生巨大变化，故对腐蚀管道进行失效压力检测非常重要[3-4]，根据剩余强度判断管道是否需要维修或更换。其管道的工作状态可以通过其剩余强度体现，剩余强度其含义就是判定腐蚀缺陷管道还能承受的多大工作载荷，决定管道后续是升压或降压运行，有利于确定腐蚀管道的维修和更换，确保管道安全运输，使油气管道经济效益达到最大[5]。

利用有限元分析方法对双点腐蚀缺陷管道进行剩余强度评价，简化缺陷为双点矩形等壁厚减薄缺陷，分析了双点腐蚀缺陷角度、深度、长宽等参数对管道失效压力的影响。

1 有限元模型

1.1 管道参数

本文以规则的方形腐蚀缺陷为研究对象，用Solidworks[6]软件建立管道模型，三维实体模型如图1所示。

图1 管道模型

如果管道长度选择过短，管道两端的固定约束会影响模拟结果精度，管道长度应为管道外径长度的3～5 倍，本文管道选择4 倍外径长度为3 600 mm。腐蚀缺陷以管道中轴线为对称轴在管道的中心部位，以矩形缺陷为例[7]。油气管道的基本参数如表所示1。

表1 油气管道的基本参数

1.2 定义材料物理属性

将Solidworks 建立的管道模型导入ANSYS 软件后，第一步检查模型的建立情况，这一步也会直接影响到后处理结果。本文选取的材料API 5L X80 属于管线钢[8]，在ANSYS 软件材料库找到非线性管线钢并赋予管道模型属性，然后对油气管道弹性模量、密度、泊松比、抗拉强度、应力应变关系等基本参数进行设定。油气管道在工作压力下会发生弹塑性变形，材料的真实应力-应变关系属于非线性参数[9-10]，API 5L X80 应力应变关系曲线如图2所示。

图2 应力应变曲线

1.3 网格划分

本文的重点研究对象是腐蚀缺陷区域及缺陷周围的应力应变对整个管道的影响，为了节约时间，避免无效功，在对腐蚀缺陷油气管道进行划分网格时，对油气管道没有腐蚀缺陷的地方进行粗略的划分，对腐蚀缺陷区域及缺陷周围进行细化，管道两端全约束[11-12]。

1.4 失效准则

失效准则主要有[13-14]：弹性极限准则、塑性失效准则[15]、数值失稳准则。根据文献资料[16-17]显示，采用塑性失效准则分析管道是否安全最为合适。

2 管道剩余强度评价

2.1 角度对管道剩余强度的影响

腐蚀缺陷以矩形为例，与管道轴向夹角为变量，探究缺陷夹角和管道失效压力的联系。缺陷深度d=7 mm，长度L=400 mm，宽度B=200 mm，设定内压p=10 MPa，轴向倾角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，引入角度系数K=θ/15。等效应力云图如图3所示。

图3 不同角度下缺陷应力云图

由图3可知，双点含角度腐蚀缺陷管道剩余强度，不同于腐蚀缺陷环、轴向距离的影响，介于两者之间且呈对称分布。缺陷区域整体应力水平随着角度的增加在不断的下降。缺陷长边两侧出现低应力区，但是随着角度的增加，低应力的区域不断减少，并且在不断的向下外侧拐角和上内侧拐角移动，但是低应力区域内的应力值在不断的增加。下内侧和上外侧拐角应力集中最为明显，形成了两个小范围的应力高值区。应力随角度变化的规律曲线如图4所示。图4（a）研究结果表明，管材等效应力随角度变化产生波动，没有明显的增大与减小趋势。随着内压的增加，管道首先发生弹性变形，随后进入塑性变形和屈服阶段，一旦压力继续升高，缺陷上的应力显著增加，管道破裂。由图4（b）可知，如果管道腐蚀缺陷存在夹角，对管道的剩余强度也存在影响，失效压力小幅度增长后大幅度迅速增长，并且增长幅度呈递增趋势。

图4 应力随角度的变化

2.2 深度对剩余强度的影响

以腐蚀缺陷深度为变量，宽度B=400 mm，长度L=100 mm，宽度B=100 mm，内压p=10 MPa，倾角为45°，深度分别为1、3、5、7，9、11 mm，不同深度下缺陷的应力云图如图5所示。

图5 不同深度下缺陷应力云图

图6（a）为双点腐蚀缺陷不同缺陷深度下的最大等效应力，最大值一般出现在上外拐角和下内拐角，随着缺陷深度的增加，最大等效应力逐渐增大，但是增长幅度有所下降。图6（b）为不同缺陷深度下的失效应力。随着缺陷深度的增加，失效压力骤降，且下降程度递增。由此可知，腐蚀缺陷的深度关系到管道的工作寿命，管道腐蚀越深管道失效的可能性就越大。

图6 应力随深度的变化

2.3 长度对管道剩余强度的影响

以腐蚀缺陷长度为变量，设定内压p=10 MPa，倾角为45°，宽度B=100 mm，深度d=7.2 mm，长度分别取100、200、300、400、500、600 mm，绘制等效应力云图如图7所示。

图7 不同长度下缺陷应力云图

图8（a）为等效应力随缺陷长度的变化，可知随着缺陷长度的增加，等效应力也随之增加，但是增长幅度较小。图8（b）为失效应力随缺陷长度的变化，随着缺陷长度的增加，管道失效应力有所下降但不明显。由此可知，双方形腐蚀缺陷长度参数对管道剩余强度也是有着一定的影响。

图8 应力随长度的变化

3 结 论

缺陷倾角对失效压力的影响较显著。缺陷区域最大等效应力随角度变化无明显增减，管道失效压力递增式增加。

对管道失效压力影响最大的是腐蚀深度。随着深度的增加，失效压力与腐蚀深度近似线性递减。

随着腐蚀缺陷长度的增加，失效压力降低幅度呈递减趋势减小。各因素对管道失效压力影响程度由大到小顺序为：深度、角度、长度、宽度。