含缺陷油氣管道應(yīng)力分布的數(shù)值模擬研究

王戰(zhàn)輝 張智芳 高勇 鄭兵兵 葉軍

摘? ? ? 要：含缺陷油氣管道會(huì)減薄管道壁厚，從而影響管道的力學(xué)性能，當(dāng)缺陷逐漸增大到一定程度時(shí)，會(huì)使管道發(fā)生泄漏事故，甚至導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，借助ANSYS有限元分析軟件，對(duì)方形缺陷、圓形缺陷、組合缺陷油氣管道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，首先考察三種缺陷的應(yīng)力分布特點(diǎn)，其次，引入正交實(shí)驗(yàn)，通過改變?nèi)N缺陷的載荷和幾何尺寸如長(zhǎng)度、半徑等，考察這幾種因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律，所得結(jié)論為含缺陷油氣管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

關(guān)? 鍵? 詞：缺陷;油氣管道;ANSYS;應(yīng)力分布

中圖分類號(hào)：TQ 050.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2019）10-2388-04

Abstract： Defects of oil and gas pipelines will reduce the thickness of pipelines， thus affecting mechanical properties of pipelines. When defects gradually increase to a certain extent， leakage accidents will occur in pipelines， even fire and explosion， resulting in significant economic losses. Therefore， with the help of ANSYS finite element analysis software， numerical simulation of oil and gas pipelines with rectangular， circular and combined defects was carried out. Firstly， stress distribution characteristics of three defects were investigated. Secondly， orthogonal experiments were introduced to investigate the influence of these factors on the maximum equivalent stress by changing loads and geometric sizes of the three defects， such as length and radius. The obtained conclusions can provide a basis for the optimal design of defective oil and gas pipelines.

Key words：? Defects; Oil and gas pipeline; ANSYS; Stress distribution

管道作為運(yùn)輸工具，在人們的日常生活以及現(xiàn)代工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，其內(nèi)部運(yùn)輸介質(zhì)通常有氣體、液體和固體[1]。管道在我國(guó)的應(yīng)用已經(jīng)有一個(gè)多世紀(jì)的歷史了，在石油和天然氣運(yùn)輸方面應(yīng)用最為廣泛，管道運(yùn)輸在油氣輸送方面既安全又經(jīng)濟(jì)，能充分保證其綜合效益。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)油氣資源的需求量劇增，作為油氣資源最重要的運(yùn)輸渠道，管道在我國(guó)各個(gè)省市地區(qū)進(jìn)行了大量鋪設(shè)，總里程數(shù)已經(jīng)超過了六萬(wàn)多公里[2]。

但是我國(guó)油氣資源處于地區(qū)發(fā)展不均衡階段，油氣資源主要分布在西北地區(qū)，而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)處于東南沿海，因此需要鋪設(shè)很長(zhǎng)的油氣管道，而且，油氣管道一般鋪設(shè)在地下，隨著服役時(shí)間的增加和里程數(shù)的增長(zhǎng)，管道容易受到土壤腐蝕，出現(xiàn)一系列的腐蝕缺陷，微小的缺陷不容易被發(fā)現(xiàn)，但是會(huì)減薄管道壁厚從而影響管道的力學(xué)性能，當(dāng)缺陷逐漸增大到一定程度時(shí)，會(huì)使管道發(fā)生泄漏事故，甚至導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[3]。尤其是在一些不重視保護(hù)生態(tài)環(huán)境的城鎮(zhèn)地區(qū)，隨著重工業(yè)的快速發(fā)展，不達(dá)標(biāo)的工業(yè)廢水任意排放，不僅污染生態(tài)環(huán)境，而且會(huì)使土壤的pH值增加，油氣管道受土壤腐蝕的速率大大增加，很容易造成管道泄露穿孔。除了土壤腐蝕外，管道在焊接過程中產(chǎn)生的裂紋會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而擴(kuò)展，裂紋的擴(kuò)展會(huì)對(duì)管道的力學(xué)性能產(chǎn)生損害，使其承壓能力和運(yùn)輸能力下降，當(dāng)裂紋發(fā)展到一定程度時(shí)，如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，就可能引發(fā)油氣管道的開孔泄露，而且有些油氣管道從人們居住的城市穿過，如果發(fā)生開孔泄露事故，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)對(duì)人們的生命造成威脅，破壞人們的生態(tài)環(huán)境[4]。

針對(duì)油氣管道腐蝕缺陷所產(chǎn)生的一系列問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，但主要針對(duì)單一的腐蝕缺陷如方形缺陷、圓形缺陷、橢圓形缺陷等，但是對(duì)于組合缺陷還研究得比較少，而且常見的影響缺陷管道應(yīng)力分布的因素有載荷因素、幾何因素如缺陷深度、缺陷長(zhǎng)度、缺陷寬度、缺陷半徑等，但是哪個(gè)因素占主導(dǎo)地位研究得還比較少[5-7]。因此，筆者借助ANSYS有限元分析軟件，對(duì)方形缺陷、圓形缺陷、組合缺陷油氣管道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，首先考察三種缺陷的應(yīng)力云圖分布特點(diǎn)，其次，引入正交實(shí)驗(yàn)，通過改變?nèi)N缺陷的載荷和幾何尺寸如長(zhǎng)度、半徑等，考察這幾種因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律，所得結(jié)論為含缺陷油氣管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1? 有限元分析過程

1.1? 幾何尺寸及物性參數(shù)

以某采油廠實(shí)際數(shù)據(jù)為例，管道選取材料為20鋼，設(shè)計(jì)壓力p為1.8 MPa，設(shè)計(jì)溫度為20 ℃。物性參數(shù)為：鋼材彈性模量E為1.9×105 MPa，管道材料泊松比μ為0.3，鋼材屈服強(qiáng)度σs為340 MPa，鋼材的抗拉強(qiáng)度σb為600 MPa。幾何尺寸為：管道內(nèi)徑Di為165 mm，厚度t為8 mm，筒體長(zhǎng)度L為1 500 mm。共研究三種管道缺陷：方形缺陷、圓形缺陷及組合缺陷，方形缺陷長(zhǎng)度為100 mm，缺陷深度為2.0 mm，圓形缺陷半徑為30 mm，缺陷深度為2.0 mm，組合缺陷為方形缺陷和圓形缺陷的組合。借助所建模型的幾何對(duì)稱性和載荷對(duì)稱性，選取缺陷管道的一半進(jìn)行研究，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模，直接生成三維實(shí)體模型，所建模型如圖1所示[8]。

1.2? 邊界條件及載荷

含腐蝕缺陷管道除了承受內(nèi)壓p之外，還會(huì)承受諸如外壓、地震載荷、雪載荷、風(fēng)載荷等載荷的作用，但是在眾多載荷之中，內(nèi)壓p占據(jù)主導(dǎo)地位，其他載荷的影響可以忽略不計(jì)，因此，在對(duì)缺陷管道應(yīng)力分析時(shí)，只考慮內(nèi)壓載荷p的作用[9]。

鑒于含缺陷管道幾何形狀和載荷的軸對(duì)稱性，將其簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問題。在管道對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，約束其軸向位移和端面位移，在其內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷p。

2? 有限元法評(píng)價(jià)結(jié)果

利用ANSYS 軟件后處理中的應(yīng)力云圖，來分析缺陷尺寸和載荷對(duì)其應(yīng)力分布的影響。首先考察三種缺陷的應(yīng)力云圖分布特點(diǎn)，其次，引入正交實(shí)驗(yàn)，通過改變?nèi)N缺陷的載荷和幾何尺寸如長(zhǎng)度、半徑等，考察這幾種因素對(duì)最大應(yīng)力的影響規(guī)律。

2.1? 應(yīng)力云圖

方形缺陷、圓形缺陷、組合缺陷油氣管道的等效應(yīng)力云圖如圖2所示，可以看出，油氣管道整體等效應(yīng)力分布均勻，不均勻部位發(fā)生在缺陷附近區(qū)域。這是由于缺陷的存在，使管道呈現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域即連續(xù)區(qū)域和不連續(xù)區(qū)域，缺陷附近區(qū)域?yàn)椴贿B續(xù)區(qū)域，遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域?yàn)檫B續(xù)區(qū)域：在不連續(xù)區(qū)域內(nèi)，除了承受由內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力外，由于幾何形狀發(fā)生突變，還會(huì)產(chǎn)生由邊緣力和邊緣力矩引起的不連續(xù)應(yīng)力，而不連續(xù)應(yīng)力的分布特點(diǎn)為局部性和自限性，所以，在缺陷附近區(qū)域應(yīng)力最大，而超過這個(gè)區(qū)域基本不受等效應(yīng)力的影響;遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域，只受內(nèi)壓p的作用，產(chǎn)生的應(yīng)力為薄膜應(yīng)力，沿壁厚呈均勻分布，而且應(yīng)力比缺陷附近區(qū)域要小得多[10]。

2.2? 正交實(shí)驗(yàn)

影響缺陷管道應(yīng)力分布的因素有載荷因素、幾何因素如缺陷深度、缺陷長(zhǎng)度、缺陷寬度、缺陷半徑等，以缺陷長(zhǎng)度、缺陷深度、缺陷半徑和內(nèi)壓為研究因素，考慮引進(jìn)正交實(shí)驗(yàn)，來考察這幾種因素對(duì)含缺陷管道最大等效應(yīng)力的影響。

以缺陷深度、缺陷長(zhǎng)度、壓力為考察因素，方形缺陷三因素三水平正交表格如表1所示， 其正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。可以看出，方形缺陷長(zhǎng)度因素的極差為8.916，方形缺陷深度因素的極差為7.051，方形缺陷壓力因素的極差為22.096，極差越大，對(duì)其影響程度越大，所以壓力因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最大，缺陷長(zhǎng)度因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度次之，缺陷深度因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最小。

以缺陷深度、缺陷半徑、壓力為考察因素，圓形缺陷三因素三水平正交表格如表3所示， 其正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，圓形缺陷半徑因素的極差為15.055，圓形缺陷深度因素的極差為0.892，圓形缺陷壓力因素的極差為28.170，極差越大，對(duì)其影響程度越大，所以壓力因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最大，缺陷半徑因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度次之，缺陷深度因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最小。

將方形缺陷和圓形缺陷同時(shí)出現(xiàn)在管道上即組成組合缺陷，影響組合缺陷最大等效應(yīng)力的因素有方形缺陷長(zhǎng)度、圓形缺陷半徑、缺陷深度和壓力。

以方形缺陷長(zhǎng)度、圓形缺陷半徑、缺陷深度和壓力為考察因素，組合缺陷四因素三水平正交表格如表5所示，其正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

可以看出，組合缺陷長(zhǎng)度因素的極差為9.896，組合缺陷半徑因素的極差為14.667，組合缺陷深度因素的極差為1.381，組合缺陷壓力因素的極差為30.910，極差越大，對(duì)其影響程度越大，所以壓力因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最大，缺陷半徑和缺陷長(zhǎng)度因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度次之，缺陷深度因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最小。

通過對(duì)這三種缺陷進(jìn)行正交分析，可以看出，壓力因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最高，缺陷深度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最小，所得結(jié)論為含缺陷油氣管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3? 結(jié) 論

（1）由于缺陷的存在，使管道呈現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域即連續(xù)區(qū)域和不連續(xù)區(qū)域，在連續(xù)區(qū)域，油氣管道整體等效應(yīng)力分布均勻，在不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)力出現(xiàn)突變。

（2）以缺陷長(zhǎng)度、缺陷深度、缺陷半徑和內(nèi)壓為研究因素，通過正交實(shí)驗(yàn)對(duì)方形缺陷、圓形缺陷及組合缺陷油氣管道進(jìn)行分析，壓力對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最大，缺陷深度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最小。

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