長(zhǎng)期服役含孔盜油管段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的模擬分析

王福眾 李強(qiáng)

1中國(guó)石化集團(tuán)管道儲(chǔ)運(yùn)公司魯寧輸油處 2中國(guó)石油勘探開發(fā)公司

長(zhǎng)期服役含孔盜油管段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的模擬分析

王福眾1李強(qiáng)2

1中國(guó)石化集團(tuán)管道儲(chǔ)運(yùn)公司魯寧輸油處 2中國(guó)石油勘探開發(fā)公司

針對(duì)輸油管道盜油孔引起管道局部應(yīng)力集中及焊接修復(fù)時(shí)產(chǎn)生殘余應(yīng)力的狀況，基于ANSYS有限元分析平臺(tái)對(duì)魯寧管道某盜油管段盜油孔修復(fù)過(guò)程、管道運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。具體包括單獨(dú)考慮內(nèi)壓作用下管道應(yīng)力分布狀態(tài)模擬，管道制造、盜油孔修復(fù)時(shí)焊接所造成的殘余應(yīng)力分析以及綜合考慮焊接殘余應(yīng)力與內(nèi)壓的共同作用，模擬盜油孔管道應(yīng)力應(yīng)變分布。結(jié)果表明，有限元數(shù)值方法具有較高可靠性，盜油孔及其修補(bǔ)焊帽的存在造成了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)最高為2.05。

輸油管道；打孔盜油；焊接；殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬

魯寧輸油管道途經(jīng)山東、安徽和江蘇3省，首站為山東臨邑，末站江蘇儀征，全長(zhǎng)655.37 km，管道直徑720 mm，壁厚8(9)mm，設(shè)計(jì)運(yùn)行最高工作壓力4.2 MPa，管道材質(zhì)為16 Mn螺旋焊縫鋼管。然而，自20世紀(jì)90年代以來(lái)這條管線卻時(shí)常受到人為破壞。針對(duì)輸油管道盜油孔引起管道局部應(yīng)力集中及焊接修復(fù)時(shí)產(chǎn)生殘余應(yīng)力的狀況，基于ANSYS有限元分析平臺(tái)對(duì)盜油孔修復(fù)過(guò)程、管道運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬。具體包括單獨(dú)考慮內(nèi)壓作用下管道應(yīng)力分布狀態(tài)，管道制造、盜油孔修復(fù)時(shí)焊接所造成的殘余應(yīng)力分析以及綜合考慮焊接殘余應(yīng)力與內(nèi)壓的共同作用，模擬盜油孔管道應(yīng)力應(yīng)變分布，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析由于焊接以及應(yīng)力集中對(duì)管道強(qiáng)度造成的影響情況。

1 內(nèi)壓作用下輸油管道應(yīng)力分析

分析用的輸油管道內(nèi)直徑d=704 mm，外直徑D=720 mm，壁厚t=8 mm，管體頂部分布有9個(gè)盜油孔及修復(fù)焊帽，大焊帽內(nèi)直徑160 mm，小焊帽內(nèi)直徑107 mm。管體螺旋焊縫從左起第4、5盜油孔之間穿過(guò)。該管體在工程上屬于薄壁圓筒，當(dāng)沒(méi)有盜油孔時(shí)，忽略其所承受的外壓，僅受內(nèi)壓p作用時(shí)，管體環(huán)向應(yīng)力可以求得解析解若取p=4 MPa，計(jì)算可得：σθ=180 MPa.

對(duì)存在盜油孔的輸油管道應(yīng)力分布進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元solid45建立有限元計(jì)算模型。計(jì)算中忽略重力和焊接殘余應(yīng)力的影響，僅考慮模型承受內(nèi)壓的作用（p=4 MPa）。

從局部應(yīng)力分布上可以明顯觀察到盜油孔附近存在高應(yīng)力區(qū)，這是由于盜油孔造成結(jié)構(gòu)改變引起應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化所致。提取管體上受盜油孔及邊界約束影響較小的44751號(hào)節(jié)點(diǎn)，其環(huán)向應(yīng)力σθ= 173 MPa?？梢钥闯?，有限元分析結(jié)果和經(jīng)典力學(xué)理論解比較接近，誤差為3.8%。說(shuō)明利用ANSYS進(jìn)行管道應(yīng)力的有限元分析，采用實(shí)體單元建模能獲得較好的計(jì)算結(jié)果。

在內(nèi)壓4 MPa時(shí)選取1、3、5、7號(hào)盜油孔處的最大環(huán)向應(yīng)力與無(wú)盜油孔存在的普通管體處環(huán)向應(yīng)力（180 MPa）進(jìn)行比較，求得應(yīng)力集中系數(shù)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，3號(hào)孔處應(yīng)力集中最嚴(yán)重，最大應(yīng)力集中系數(shù)為2.05。

表1 盜油孔導(dǎo)致的應(yīng)力集中情況

研究發(fā)現(xiàn)，盜油孔局部應(yīng)力增大不是由于橫截面面積減小而引起的，即使橫截面面積只減小千分之幾，由于盜油孔造成的局部應(yīng)力集中也會(huì)使最大應(yīng)力增大若干倍，并且增大程度幾乎與孔大小無(wú)關(guān)。從環(huán)向應(yīng)力和Mises應(yīng)力隨距盜油孔的距離的變化情況可以看出：應(yīng)力隨著與盜油孔距離的增大而迅速減小；盜油孔焊帽的存在對(duì)管體應(yīng)力分布影響較大，其根部的環(huán)向應(yīng)力與Mises應(yīng)力較小，但焊帽的影響范圍很小，焊帽以外管體的應(yīng)力迅速趨于無(wú)孔時(shí)的管體應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)從模擬結(jié)果可以看出：盜油孔之間受兩個(gè)盜油孔共同作用的位置，其應(yīng)力分布與遠(yuǎn)離盜油孔的普通管體處基本一致，其影響基本可以忽略不計(jì)。

2 焊接殘余應(yīng)力

在實(shí)際情況下，焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是相當(dāng)復(fù)雜的，一般可分以下三種情況：①焊接熱源的移動(dòng)性；②約束應(yīng)力；③相變應(yīng)力。

2.1 焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

首先對(duì)螺旋焊縫焊接進(jìn)行計(jì)算，為后續(xù)分析做鋪墊，計(jì)算模型與前面內(nèi)壓分析計(jì)算模型一致。焊接時(shí)間t=405.3 s時(shí)管體的溫度云紋圖表現(xiàn)出了明顯的“拖尾”現(xiàn)象，最高溫度位于焊接熱源中心，達(dá)到1 061℃。當(dāng)與熱源的距離增加時(shí)，熱源前方溫度的下降最為劇烈，而熱源后方則最為緩慢，熱源兩邊為中等梯度。

盜油分子焊接盜油支管后不會(huì)再去進(jìn)行去應(yīng)力退火，盜油孔焊接修復(fù)由于受現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，也難以實(shí)行去應(yīng)力退火處理。有限元計(jì)算方法與前述管道制造螺旋焊接模擬類似，但沒(méi)有退火處理過(guò)程。從焊帽焊接冷卻結(jié)束時(shí)管道的溫度分布圖中可以看出，焊接修復(fù)后管道的最高溫度Tmax= 26.858℃，最低溫度Tmin=25.007℃，基本與室溫一致，可以認(rèn)為已經(jīng)冷卻完全。

2.2 焊接應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)采用非線性靜力分析，因此對(duì)材料處理為與應(yīng)變率無(wú)關(guān)的塑性，塑性應(yīng)變假定為瞬間建立。

圖1為管體退火前后的Mises應(yīng)力分布圖，兩者的應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致，但去應(yīng)力退火使管體殘余應(yīng)力值大幅降低，殘余最大Mises應(yīng)力從409 MPa降至34.1 MPa，說(shuō)明去應(yīng)力退火對(duì)焊接殘余應(yīng)力消除作用相當(dāng)明顯，能滿足實(shí)際需要。

圖1 管管體退火前后的Mises應(yīng)力分布

盜油孔及焊帽焊接由于沒(méi)有進(jìn)行去應(yīng)力退火，焊縫熱影響區(qū)存在較大的殘余應(yīng)力，盜油支管與焊帽根部的焊縫處為高應(yīng)力區(qū)，焊接影響范圍大約15 cm。

3 壓力管道有限元計(jì)算

根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立有限元模型，管道和盜油孔內(nèi)壁施加壓力，兩端根據(jù)內(nèi)壓變化情況施加相應(yīng)的均布拉力，對(duì)管體壓力進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。從壓力p= 4 MPa時(shí)管道環(huán)向應(yīng)力與Mises應(yīng)力云紋圖可以看出，離盜油孔較遠(yuǎn)的管體節(jié)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力與理論解（180 MPa）相近。由于盜油孔及焊帽焊接后沒(méi)有進(jìn)行去應(yīng)力退火，其局部存在較大的焊接殘余應(yīng)力，相比之下，管體螺旋焊縫去應(yīng)力退火后殘余應(yīng)力很小。壓力p=8 MPa時(shí)，盜油孔及焊帽根部較大部分區(qū)域的應(yīng)力達(dá)到屈服極限，可見盜油孔及焊帽處的焊接殘余應(yīng)力對(duì)管道強(qiáng)度影響很大。

有限元計(jì)算所得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的管道環(huán)向應(yīng)力與Mises應(yīng)力在遠(yuǎn)離兩端邊界和管體焊縫的節(jié)點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力值為175 MPa，與理論值（180 MPa）的誤差為2.7%。取實(shí)驗(yàn)壓力p=1.153 7 MPa，對(duì)此時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與相應(yīng)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，軸向、環(huán)向、斜向及盜油孔周邊共計(jì)45個(gè)測(cè)試點(diǎn)的結(jié)果表明，最大誤差24.32%，最小誤差0.62%，平均誤差11.09%，說(shuō)明本模擬方法具有較高的可靠性。

4 結(jié)論

焊接給輸油管道帶來(lái)較大的殘余應(yīng)力，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致管道的承壓能力下降，容易發(fā)生管道爆管等重大事故，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬是確定焊接殘余應(yīng)力的有效方法之一。在參考已有焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，對(duì)盜油支管及修復(fù)焊帽焊接殘余應(yīng)力分布問(wèn)題及其數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究，得到了以下主要結(jié)論：

（1）計(jì)算模型的簡(jiǎn)化問(wèn)題。焊接過(guò)程的數(shù)值模擬是多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題，可以簡(jiǎn)化為溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)的雙場(chǎng)單向耦合；采用與溫度相關(guān)的材料性質(zhì)可以獲得更符合實(shí)際的分析結(jié)果；焊縫區(qū)有限元網(wǎng)格劃分必須足夠密，以滿足高梯度的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)精度要求；焊接過(guò)程應(yīng)力對(duì)材料熱性能影響很小，適合采用順序耦合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)熱—應(yīng)力場(chǎng)的耦合。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和室外壓力實(shí)驗(yàn)資料，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，可說(shuō)明有限元數(shù)值方法的可靠性，反過(guò)來(lái)也說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)工程實(shí)際具有較好的參考價(jià)值。

（3）通過(guò)有限元數(shù)值模擬與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析得出，盜油孔及其修補(bǔ)焊帽的存在造成了局部應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)最高為2.05。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.007