缺陷油气管道应力分布数值模拟范文

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摘要：含缺陷油气管道会减薄管道壁厚，从而影响管道的力学性能，当缺陷逐渐增大到一定程度时，会使管道发生泄漏事故，甚至导致火灾、爆炸等，造成重大经济损失。因此，借助ANSYS有限元分析软件，对方形缺陷、圆形缺陷、组合缺陷油气管道进行了数值模拟研究，首先考察三种缺陷的应力分布特点，其次，引入正交实验，通过改变三种缺陷的载荷和几何尺寸如长度、半径等，考察这几种因素对最大等效应力的影响规律，所得结论为含缺陷油气管道的优化设计提供一定的依据。

关键词：缺陷；油气管道；ANSYS；应力分布

管道作为运输工具，在人们的日常生活以及现代工业农业生产中起着举足轻重的作用，其内部运输介质通常有气体、液体和固体[1]。管道在我国的应用已经有一个多世纪的历史了，在石油和天然气运输方面应用最为广泛，管道运输在油气输送方面既安全又经济，能充分保证其综合效益。随着社会经济的快速发展，社会对油气资源的需求量剧增，作为油气资源最重要的运输渠道，管道在我国各个省市地区进行了大量铺设，总里程数已经超过了六万多公里[2]。但是我国油气资源处于地区发展不均衡阶段，油气资源主要分布在西北地区，而经济发达地区处于东南沿海，因此需要铺设很长的油气管道，而且，油气管道一般铺设在地下，随着服役时间的增加和里程数的增长，管道容易受到土壤腐蚀，出现一系列的腐蚀缺陷，微小的缺陷不容易被发现，但是会减薄管道壁厚从而影响管道的力学性能，当缺陷逐渐增大到一定程度时，会使管道发生泄漏事故，甚至导致火灾、爆炸等，造成重大经济损失[3]。尤其是在一些不重视保护生态环境的城镇地区，随着重工业的快速发展，不达标的工业废水任意排放，不仅污染生态环境，而且会使土壤的pH值增加，油气管道受土壤腐蚀的速率大大增加，很容易造成管道泄露穿孔。除了土壤腐蚀外，管道在焊接过程中产生的裂纹会随着时间的延长而扩展，裂纹的扩展会对管道的力学性能产生损害，使其承压能力和运输能力下降，当裂纹发展到一定程度时，如果不能被及时发现和维护，就可能引发油气管道的开孔泄露，而且有些油气管道从人们居住的城市穿过，如果发生开孔泄露事故，不仅会造成巨大的经济损失，而且还会对人们的生命造成威胁，破坏人们的生态环境[4]。针对油气管道腐蚀缺陷所产生的一系列问题，国内外学者对其进行了大量研究，但主要针对单一的腐蚀缺陷如方形缺陷、圆形缺陷、椭圆形缺陷等，但是对于组合缺陷还研究得比较少，而且常见的影响缺陷管道应力分布的因素有载荷因素、几何因素如缺陷深度、缺陷长度、缺陷宽度、缺陷半径等，但是哪个因素占主导地位研究得还比较少[5-7]。因此，笔者借助ANSYS有限元分析软件，对方形缺陷、圆形缺陷、组合缺陷油气管道进行了数值模拟研究，首先考察三种缺陷的应力云图分布特点，其次，引入正交实验，通过改变三种缺陷的载荷和几何尺寸如长度、半径等，考察这几种因素对最大等效应力的影响规律，所得结论为含缺陷油气管道的优化设计提供一定的依据。

1有限元分析过程

1.1几何尺寸及物性参数

以某采油厂实际数据为例，管道选取材料为20钢，设计压力p为1.8MPa，设计温度为20℃。物性参数为：钢材弹性模量E为1.9×105MPa，管道材料泊松比μ为0.3，钢材屈服强度σs为340MPa，钢材的抗拉强度σb为600MPa。几何尺寸为：管道内径Di为165mm，厚度t为8mm，筒体长度L为1500mm。共研究三种管道缺陷：方形缺陷、圆形缺陷及组合缺陷，方形缺陷长度为100mm，缺陷深度为2.0mm，圆形缺陷半径为30mm，缺陷深度为2.0mm，组合缺陷为方形缺陷和圆形缺陷的组合。借助所建模型的几何对称性和载荷对称性，选取缺陷管道的一半进行研究，利用ANSYS有限元分析软件进行建模，直接生成三维实体模型，所建模型如图1所示[8]。

1.2边界条件及载荷

含腐蚀缺陷管道除了承受内压p之外，还会承受诸如外压、地震载荷、雪载荷、风载荷等载荷的作用，但是在众多载荷之中，内压p占据主导地位，其他载荷的影响可以忽略不计，因此，在对缺陷管道应力分析时，只考虑内压载荷p的作用[9]。鉴于含缺陷管道几何形状和载荷的轴对称性，将其简化为轴对称问题。在管道对称面上施加对称约束，约束其轴向位移和端面位移，在其内表面施加内压载荷p。

2有限元法评价结果

利用ANSYS软件后处理中的应力云图，来分析缺陷尺寸和载荷对其应力分布的影响。首先考察三种缺陷的应力云图分布特点，其次，引入正交实验，通过改变三种缺陷的载荷和几何尺寸如长度、半径等，考察这几种因素对最大应力的影响规律。

2.1应力云图

方形缺陷、圆形缺陷、组合缺陷油气管道的等效应力云图如图2所示，可以看出，油气管道整体等效应力分布均匀，不均匀部位发生在缺陷附近区域。这是由于缺陷的存在，使管道呈现两个区域即连续区域和不连续区域，缺陷附近区域为不连续区域，远离缺陷区域为连续区域：在不连续区域内，除了承受由内压引起的薄膜应力外，由于几何形状发生突变，还会产生由边缘力和边缘力矩引起的不连续应力，而不连续应力的分布特点为局部性和自限性，所以，在缺陷附近区域应力最大，而超过这个区域基本不受等效应力的影响；远离缺陷区域，只受内压p的作用，产生的应力为薄膜应力，沿壁厚呈均匀分布，而且应力比缺陷附近区域要小得多[10]。

2.2正交实验

影响缺陷管道应力分布的因素有载荷因素、几何因素如缺陷深度、缺陷长度、缺陷宽度、缺陷半径等，以缺陷长度、缺陷深度、缺陷半径和内压为研究因素，考虑引进正交实验，来考察这几种因素对含缺陷管道最大等效应力的影响。以缺陷深度、缺陷长度、压力为考察因素，方形缺陷三因素三水平正交表格如表1所示，其正交实验结果如表2所示。可以看出，方形缺陷长度因素的极差为8.916，方形缺陷深度因素的极差为7.051，方形缺陷压力因素的极差为22.096，极差越大，对其影响程度越大，所以压力因素对最大等效应力的影响程度最大，缺陷长度因素对最大等效应力的影响程度次之，缺陷深度因素对最大等效应力的影响程度最小。以缺陷深度、缺陷半径、压力为考察因素，圆形缺陷三因素三水平正交表格如表3所示，其正交实验结果如表4所示。可以看出，圆形缺陷半径因素的极差为15.055，圆形缺陷深度因素的极差为0.892，圆形缺陷压力因素的极差为28.170，极差越大，对其影响程度越大，所以压力因素对最大等效应力的影响程度最大，缺陷半径因素对最大等效应力的影响程度次之，缺陷深度因素对最大等效应力的影响程度最小。将方形缺陷和圆形缺陷同时出现在管道上即组成组合缺陷，影响组合缺陷最大等效应力的因素有方形缺陷长度、圆形缺陷半径、缺陷深度和压力。以方形缺陷长度、圆形缺陷半径、缺陷深度和压力为考察因素，组合缺陷四因素三水平正交表格如表5所示，其正交实验结果如表6所示。可以看出，组合缺陷长度因素的极差为9.896，组合缺陷半径因素的极差为14.667，组合缺陷深度因素的极差为1.381，组合缺陷压力因素的极差为30.910，极差越大，对其影响程度越大，所以压力因素对最大等效应力的影响程度最大，缺陷半径和缺陷长度因素对最大等效应力的影响程度次之，缺陷深度因素对最大等效应力的影响程度最小。通过对这三种缺陷进行正交分析，可以看出，压力因素对最大等效应力的影响程度最高，缺陷深度对最大等效应力的影响程度最小，所得结论为含缺陷油气管道的优化设计提供了理论依据。

3结论

（1）由于缺陷的存在，使管道呈现两个区域即连续区域和不连续区域，在连续区域，油气管道整体等效应力分布均匀，在不连续区域，应力出现突变。（2）以缺陷长度、缺陷深度、缺陷半径和内压为研究因素，通过正交实验对方形缺陷、圆形缺陷及组合缺陷油气管道进行分析，压力对最大等效应力的影响程度最大，缺陷深度对最大等效应力的影响程度最小。

参考文献：

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［3］崔铭伟，曹学文.腐蚀缺陷对中高强度油气管道失效压力的影响[J].石油学报，2012，37(6)：1086-1092.

［4］艾志久，赵乾坤，钱惠杰，等.含外腐蚀缺陷管道剩余强度及剩余寿命的分析[J].材料保护，2016，49（6）：62-65.

［5］赵莉.含腐蚀缺陷长输管道剩余强度影响参数定量评价[J].当代化工，2016，45(3)：639-641.

［6］李思嘉，王杰.含局部减薄缺陷X80长输管线的安全评定[J].当代化工，2014，43(1)：118-121.

［7］侯培培，李新梅，梁存光．腐蚀缺陷参数对油气管道剩余强度的影响[J]．铸造技术，2017，38（1）：103-106．

［8］王战辉，马向荣，高勇.含缺陷管道剩余强度和剩余寿命的研究[J].河南科学，2018，36(10)：1533-1538．

［9］史俊杰，李俊哲．基于ANSYS的含未焊透缺陷管道剩余寿命分析[J]．工业安全与环保，2017，43（5）：72-75．

［10］王海涛，常胜涛，金慧，等．基于有限元法的城市埋地腐蚀管道剩余强度分析[J]．大连交通大学学报，2017，38（2）：94-98．

作者：王战辉 张智芳 高勇 郑兵兵 叶军 单位：榆林学院