長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院

基于有限元法單點(diǎn)腐蝕缺陷分析

王立航孫萍萍長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院

油氣輸送管道在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中，受許多復(fù)雜因素的影響容易導(dǎo)致管壁發(fā)生腐蝕，有腐蝕缺陷的管道其強(qiáng)度會(huì)發(fā)生較大的變化。因此，需要對(duì)管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，以確定是否需要維修或更換管道。取2m長(zhǎng)的管道建立有限元幾何模型，在ANSYSWorkbench15.0軟件中采用靜力學(xué)分析模塊，對(duì)管道缺陷模型進(jìn)行離散化處理。根據(jù)第四強(qiáng)度失效準(zhǔn)則確定管道的剩余強(qiáng)度，并與前人的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到在ASMEB31G—2009評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，管道的剩余強(qiáng)度為14.3512MPa；在分項(xiàng)安全系數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，管道的剩余強(qiáng)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(xiàng)安全系數(shù)法得到的結(jié)果非常接近。對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度分析還需要采用實(shí)驗(yàn)方法以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來判定。

油氣管道；腐蝕缺陷；有限元分析；剩余強(qiáng)度

油氣輸送管道在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中，受許多復(fù)雜因素的影響容易導(dǎo)致管壁發(fā)生腐蝕，有腐蝕缺陷的管道其強(qiáng)度會(huì)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(duì)管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，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(biāo)準(zhǔn)以及有限元法被廣泛地運(yùn)用于油氣管道的評(píng)價(jià)中。本文采用有限元法，利用ANSYSWorkbench軟件對(duì)含有單點(diǎn)腐蝕缺陷的管道進(jìn)行分析，根據(jù)第四強(qiáng)度失效準(zhǔn)則確定管道的剩余強(qiáng)度，并與前人的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出了合理的結(jié)論。

1　有限元分析

（1）建立有限元模型。針對(duì)文獻(xiàn)[5]中的管道進(jìn)行有限元分析。對(duì)材料為API5LX65號(hào)鋼的腐蝕管道進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，X65管道的屈服強(qiáng)度為450MPa，抗拉強(qiáng)度為695MPa。為了消除邊界效應(yīng)，根據(jù)圣維南原理，主要關(guān)心腐蝕點(diǎn)周圍的應(yīng)力分布情況[6]。取2m長(zhǎng)的管道建立有限元幾何模型，如圖1所示，并假定腐蝕點(diǎn)在管道中央。

（2）網(wǎng)格劃分。在ANSYSWorkbench15.0軟件中采用靜力學(xué)分析模塊，對(duì)管道缺陷模型進(jìn)行離散化處理。在Mash模塊中，選擇Fine（精細(xì)）模型對(duì)管道進(jìn)行智能離散化處理。最終整個(gè)模型劃分網(wǎng)格單元為28471個(gè)，節(jié)點(diǎn)57214個(gè)，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(xì)，可以進(jìn)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(yùn)行中受到的載荷是比較復(fù)雜的，由于穿越形式的不同載荷類型會(huì)有很大的差別。對(duì)于埋地管道而言，會(huì)在管道上敷設(shè)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(jì)，因此忽略了土壤對(duì)該模型的作用。在本文的有限元分析中，對(duì)管道兩端面施加對(duì)稱約束，垂直方向上的位移為0，僅對(duì)內(nèi)壁施加壓力。

（4）失效準(zhǔn)則。根據(jù)第四強(qiáng)度準(zhǔn)則，即腐蝕缺陷區(qū)的等效應(yīng)力超過屈服極限強(qiáng)度認(rèn)為失效[7]，采用基于這種彈性失效的準(zhǔn)則。VonMises表達(dá)式

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

2　仿真計(jì)算與對(duì)比分析

2.1計(jì)算結(jié)果

利用ANSYSWorkbench軟件對(duì)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(yīng)力云圖。用失效準(zhǔn)則與管道的屈服強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，得出管道失效的壓力范圍。當(dāng)內(nèi)壓在15MPa時(shí)，最大的等效應(yīng)力為429.65MPa，如圖3 （a）所示；當(dāng)內(nèi)壓在16MPa時(shí)，最大的等效應(yīng)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(yīng)力云圖

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

2.2對(duì)比分析

在文獻(xiàn)[5]中，通過理論計(jì)算得出在ASME B31G—2009評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，管道的剩余強(qiáng)度為14.3512MPa；在分項(xiàng)安全系數(shù)法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，管道的剩余強(qiáng)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(duì)于相同的腐蝕缺陷，采用不同的分析方法，得出的結(jié)論有很大的差別。從數(shù)據(jù)上看，有限元分析方法與分項(xiàng)安全系數(shù)法得到的結(jié)果非常接近，而ASME B31G—2009得到的結(jié)果更加保守，但是若利用該標(biāo)準(zhǔn)得到的許用操作壓力將更加安全。

3　結(jié)論

利用ANSYSWorkbench軟件對(duì)已知的缺陷管道進(jìn)行了有限元分析，得到了該管道的剩余強(qiáng)度，通過與前人的理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比確定了仿真計(jì)算結(jié)果的有效性。但是對(duì)于實(shí)際運(yùn)行管道進(jìn)行剩余強(qiáng)度分析還需要采用實(shí)驗(yàn)方法以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來判定。

[1]洪來鳳，孫鐵，趙志海．基于ANSYS的雙點(diǎn)腐蝕缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，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(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用[J]．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（3）：297-302.

[6]董事爾，何東升，張鵬，等．雙點(diǎn)腐蝕管道的彈塑性有限元分析[J]．機(jī)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(qiáng)度和剩余壽命的研究[J]．化工機(jī)械，2013，40（5）：639-641，657.

18007144848、84863602@qq.com

（欄目主持樊韶華）

中原石油工程公司鉆井一公司70132鉆井隊(duì)施工的方4井成功使用了鉆具自動(dòng)對(duì)口排放裝置，智能鉆具的成功運(yùn)用有效縮短了鉆機(jī)起下鉆作業(yè)時(shí)間，進(jìn)一步提升了安全性能，有效降低了崗位操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

胡慶明 攝影報(bào)道

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.037

王立航：2010年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)為長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院研究生，學(xué)習(xí)方向?yàn)橛蜌鈨?chǔ)運(yùn)管道安全性和可靠性研究。

2015-06-02