長江大學石油工程學院

基于有限元法單點腐蝕缺陷分析

王立航孫萍萍長江大學石油工程學院

油氣輸送管道在長期的運行過程中，受許多復雜因素的影響容易導致管壁發(fā)生腐蝕，有腐蝕缺陷的管道其強度會發(fā)生較大的變化。因此，需要對管道進行剩余強度評價，以確定是否需要維修或更換管道。取2m長的管道建立有限元幾何模型，在ANSYSWorkbench15.0軟件中采用靜力學分析模塊，對管道缺陷模型進行離散化處理。根據(jù)第四強度失效準則確定管道的剩余強度，并與前人的計算結果進行對比，得到在ASMEB31G—2009評價標準下，管道的剩余強度為14.3512MPa；在分項安全系數(shù)法評價標準下，管道的剩余強度為15.9424MPa；通過有限元分析得出管道的最大內(nèi)壓力為15.94MPa。有限元分析方法與分項安全系數(shù)法得到的結果非常接近。對于實際運行的管道進行剩余強度分析還需要采用實驗方法以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)來判定。

油氣管道；腐蝕缺陷；有限元分析；剩余強度

油氣輸送管道在長期的運行過程中，受許多復雜因素的影響容易導致管壁發(fā)生腐蝕，有腐蝕缺陷的管道其強度會發(fā)生較大的變化[1]。為了避免油氣管道發(fā)生事故，必須確定管道是否能在規(guī)定的壓力下繼續(xù)輸送產(chǎn)品。因此，需要對管道進行剩余強度評價，以確定是否需要維修或更換管道。

目前，ASMEB31G[2]、DNV—F101[3]、API579[4]等標準以及有限元法被廣泛地運用于油氣管道的評價中。本文采用有限元法，利用ANSYSWorkbench軟件對含有單點腐蝕缺陷的管道進行分析，根據(jù)第四強度失效準則確定管道的剩余強度，并與前人的計算結果進行對比，得出了合理的結論。

1　有限元分析

（1）建立有限元模型。針對文獻[5]中的管道進行有限元分析。對材料為API5LX65號鋼的腐蝕管道進行分析，管道尺寸為?812.8mm×191.1mm，缺陷的尺寸為200mm×10mm×4.775mm。根據(jù)API的SpecificationForLinePipe標準，X65管道的屈服強度為450MPa，抗拉強度為695MPa。為了消除邊界效應，根據(jù)圣維南原理，主要關心腐蝕點周圍的應力分布情況[6]。取2m長的管道建立有限元幾何模型，如圖1所示，并假定腐蝕點在管道中央。

（2）網(wǎng)格劃分。在ANSYSWorkbench15.0軟件中采用靜力學分析模塊，對管道缺陷模型進行離散化處理。在Mash模塊中，選擇Fine（精細）模型對管道進行智能離散化處理。最終整個模型劃分網(wǎng)格單元為28471個，節(jié)點57214個，如圖2所示。網(wǎng)格單元密集而且規(guī)整，缺陷部分的網(wǎng)格更加精細，可以進行下一步的分析。

圖1　管道模型

圖2　離散化模型

（3）載荷分析。油氣輸送管道在運行中受到的載荷是比較復雜的，由于穿越形式的不同載荷類型會有很大的差別。對于埋地管道而言，會在管道上敷設土壤，而土壤的彈性系數(shù)比較難確定，加上管道受到內(nèi)壓后膨脹量可以忽略不計，因此忽略了土壤對該模型的作用。在本文的有限元分析中，對管道兩端面施加對稱約束，垂直方向上的位移為0，僅對內(nèi)壁施加壓力。

（4）失效準則。根據(jù)第四強度準則，即腐蝕缺陷區(qū)的等效應力超過屈服極限強度認為失效[7]，采用基于這種彈性失效的準則。VonMises表達式

式中σs為屈服應力（MPa）；σ1為x軸方向主應力（MPa）；σ2為 y軸方向主應力（MPa）； σ3為z軸方向主應力（MPa）。

2　仿真計算與對比分析

2.1計算結果

利用ANSYSWorkbench軟件對所建模型求解，內(nèi)壓從0開始施加，每次增加1MPa，依次求出管道的等效應力云圖。用失效準則與管道的屈服強度進行對比，得出管道失效的壓力范圍。當內(nèi)壓在15MPa時，最大的等效應力為429.65MPa，如圖3 （a）所示；當內(nèi)壓在16MPa時，最大的等效應力為451.3MPa，如圖3（b）所示。因此可以判斷管道的失效壓力在15～16MPa。

圖3　等效應力云圖

接著采用步進為0.1MPa的壓力進行計算，然后再用0.01MPa的步進進行計算，最后得出管道所能承受的最大內(nèi)壓力為15.94MPa。

2.2對比分析

在文獻[5]中，通過理論計算得出在ASME B31G—2009評價標準下，管道的剩余強度為14.3512MPa；在分項安全系數(shù)法評價標準下，管道的剩余強度為15.9424MPa；本文通過有限元分析得出管道的最大內(nèi)壓力為15.94MPa。對于相同的腐蝕缺陷，采用不同的分析方法，得出的結論有很大的差別。從數(shù)據(jù)上看，有限元分析方法與分項安全系數(shù)法得到的結果非常接近，而ASME B31G—2009得到的結果更加保守，但是若利用該標準得到的許用操作壓力將更加安全。

3　結論

利用ANSYSWorkbench軟件對已知的缺陷管道進行了有限元分析，得到了該管道的剩余強度，通過與前人的理論計算結果對比確定了仿真計算結果的有效性。但是對于實際運行管道進行剩余強度分析還需要采用實驗方法以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)來判定。

[1]洪來鳳，孫鐵，趙志海．基于ANSYS的雙點腐蝕缺陷管道剩余強度評價[J]．油氣儲運，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]楊理踐，劉鳳艷，高松?。诟g缺陷管道的剩余強度評價標準應用[J]．沈陽工業(yè)大學學報，2014，36（3）：297-302.

[6]董事爾，何東升，張鵬，等．雙點腐蝕管道的彈塑性有限元分析[J]．機械，2005，32（9）：20-22，56.

[7]張旭昀，韓軍，徐子怡，等．基于ANSYS有限元法的外腐蝕管道剩余強度和剩余壽命的研究[J]．化工機械，2013，40（5）：639-641，657.

18007144848、84863602@qq.com

（欄目主持樊韶華）

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胡慶明 攝影報道

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.037

王立航：2010年畢業(yè)于長江大學油氣儲運專業(yè)，現(xiàn)為長江大學石油工程學院研究生，學習方向為油氣儲運管道安全性和可靠性研究。

2015-06-02