基于有限元分析的管道焊接修復方法研究

武 旭，帥 健 ，狄 彥，許 葵，單 克，3

(1.中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院，北京 102249；2.中國石油化工股份有限公司 科技部，北京 100728； 3.深圳市燃氣集團股份有限公司，廣東 深圳 518049)①

焊接是管道穿孔局部破壞的常用修復方式[1-3]?，F場焊接修復通常采用接管、補板、套管3種修復方法[4-7]。我國對于穿孔管道的焊接修復方法尚無統(tǒng)一的標準規(guī)范，對不同焊接修復結構的承載效果尚無統(tǒng)一結論。因此，研究管道常用焊接修復方法的承載能力具有一定的現實意義。

目前，部分學者在該領域進行了一定研究。卜文平、帥健等通過有限元分析和水壓爆破試驗對接管修復管道承載能力進行了評估[8-12]。Fazzini和Otegui對補板修復的X52鋼級輸氣管道進行了試驗研究，發(fā)現內壓低、缺陷大、補板長、焊接質量差均會引起較高風險[13]。Smith等利用彈性力學理論分析了套管及周邊的應力分布，得出增加套管壁厚可以減小焊縫區(qū)域的應力水平，環(huán)向應力隨焊縫尺寸的減小而增大，而軸向應力不隨焊縫尺寸改變[14]。Gordon等利用有限元方法對套管修復管道的適用性進行評價，分析了管道壁厚、套管長度和厚度對管道運行安全的影響，并給出了建議值[15]。Woo[16]等采用虛擬裂縫閉合技術，研究了含環(huán)向裂紋修復結構在拉伸載荷下的應力響應。

本文采用數值模擬方法，構建打孔管道接管、補板和套管焊接修復的有限元模型，對修復管道在內壓載荷作用下的應力狀態(tài)進行分析。比較修復結構的應力狀態(tài)、屈服壓力、極限壓力，研究修復結構尺寸效應對修復管道承載能力的影響，得到較優(yōu)的修復方法和修復結構的最佳尺寸。

1 有限元分析方法及模型

1.1 材料模型

管道與修復材料均采用X65管材，采用Ramberg-Osgood(R-O)本構模型表示材料的應力與應變的響應。

(1)

式中：E為彈性模量；ε為應變；σ為應力，σs為屈服應力；α為硬化系數；n為硬化指數。

采用傳統(tǒng)單軸試驗對管材的應力和應變關系進行測量，再利用R-O材料模型擬合出管材的應力應變曲線(如圖1)。管材的力學性能如表1。

圖1 管道R-O模型應力應變曲線

1.2 幾何模型與網格劃分

取管道直徑720 mm、壁厚9.2 mm。因管道結構沿軸向與環(huán)向對稱，故建立1/4幾何模型。由于修復結構和管道打孔處均存在一定程度的應力集中，因而采用SOLID90單元對該區(qū)域網格進行精細加密劃分，而管體其余部位網格適當加大，以達到在保證精度的前提下，優(yōu)化模型、加速計算的目的。模型加載上對修復結構分步施加內壓，最大內壓為15 MPa。為了避免模擬過程中產生剛體位移，確保模擬的有效性，在模型的對稱面施加位移約束。

2 應力分布分析

2.1 接管修復結構

為研究接管修復結構應力與內壓的關系，分別沿修復結構的軸向與環(huán)向設置2條關鍵線(如圖2)。當內壓分別為4.0、8.80、11.20、12.96 MPa時，2條關鍵線上各點應力如圖3所示。

圖2 接管模型研究路徑

a 路徑1

b 路徑2

由圖3可知，接管內部的等效應力分布不均，接管之外，隨著與孔口距離的擴大，管體等效應力逐漸呈均勻分布。穿孔邊緣處、接管與管道連接處的應力相對較高，存在應力集中的現象。

8.8 MPa內壓水平下接管修復結構的應力云圖如圖4。接管與管道連接位置應力分布不均，最大等效應力位于該處，管體上其余部位應力分布均勻，接管的應力狀態(tài)明顯小于管體的應力狀態(tài)。隨著內壓增加，連接處最先達到材料的屈服應力，進入局部屈服狀態(tài)，但因為局部發(fā)生屈服時，管體整體應力水平不高，整體未發(fā)生變形。隨著內壓的提升，整個修復結構的應力狀態(tài)加大，達到整體屈服狀態(tài)，此時的修復結構整體變形較大。管體達到拉伸強度所對應的內壓即為極限內力。

圖4 壓力8.8 MPa對應的等效應力云圖

管道的壓力與等效應力關系如圖5，管道的屈服內壓為8.8 MPa，極限內壓為12.96 MPa。

圖5 接管修復結構的屈服內壓

2.2 補板修復結構

為研究補板修復結構應力與內壓的關系，分別沿修復結構的軸向與環(huán)向設置2條關鍵線(如圖6)。內壓載荷選取與接管修復結構相同，得到關鍵線上各點的應力分布如圖7。

圖6 補板模型研究路徑

由圖7可知，補板內沿軸向與環(huán)向的等效應力散布不均，應力最大點位于穿孔邊緣；沿管道軸向補板內外管道的應力相差不大，沿管道環(huán)向補板內外管道的應力相差較大。2條關鍵線上各點的等效應力隨著與孔口距離的擴大，逐漸呈均勻分布。

b 路徑2

當內壓為11.2 MPa時，管體等效應力如圖8所示。距補板0.65 m、補板與修復管道接觸的45°至90°區(qū)域應力較高，選取該范圍內的點作為確定補板修復管道極限載荷的研究對象。補板修復結構內壓與等效應力關系如圖9所示，補板修復結構的屈服內壓為10.04 MPa。

圖8 壓力11.2 MPa對應的等效應力云圖

圖9 補板修復結構的屈服內壓

2.3 套管修復結構

套管修復結構分為管道上存在穿孔和缺陷2種情況。套管壁厚與管道壁厚相同，套管的長度比穿孔或缺陷的長度大100 mm。套管修復結構有限元模型如圖10。當修復結構達到極限狀態(tài)時，管體等效應力云圖如圖11所示，與修復穿孔管道相比，套管修復缺陷管道時，套管所受等效應力明顯較小。當修復結構管體的等效應力達到材料的屈服應力(380 MPa)時，所對應的管體內壓作為修復結構的屈服壓力。

a 管道穿孔

b 管道缺陷

a 管道穿孔

b 管道缺陷

a 穿孔模型

b 缺陷模型

套管修復結構第1個達到屈服應力點的等效應力隨內壓變化關系如圖12所示。在此條件下，穿孔修復模型和缺陷修復模型的屈服壓力分別為11.0、11.32 MPa。因此，在同等條件下，套管修復結構修復缺陷的效果要比修復穿孔的好。

3 修復結構尺寸影響分析

3.1 接管修復結構

為研究幾何效應對結構修復效果的影響，保持管體和穿孔的幾何尺寸不變，模擬接管壁厚為9.2 mm，修復結構的外徑取160、210、260、310 mm；取接管外徑為250 mm，壁厚7.2、9.2、11.2、13.2 mm，分別進行模擬。

接管修復模型改變參數后所計算得出的屈服和極限壓力如表2。對比分析數據可知，在一定范圍內改變接管直徑不會影響修復結構的極限壓力；在接管壁厚確定的條件下，修復結構的屈服壓力隨接管直徑的減小而逐漸增大。因此，對于接管修復結構，一定范圍內接管直徑越小，結構的承載能力越強。當接管的直徑保持一定，修復結構的屈服壓力隨著接管厚度的增加而增大，即承載能力越強，而極限壓力受接管厚度影響較小。所以在確定接管壁厚時，應讓其與原始管道相同。

表2 變參數接管模型的極限載荷與屈服應力

3.2 補板修復結構

為研究補板尺寸對修復結構承載能力的影響，保持管道尺寸和穿孔尺寸一定，分別模擬補板的厚度為9.2 mm時，補板邊長為50、80、100、130 mm；以及補板邊長為100 mm時，補板壁厚壁厚分別取7.2、9.2、11.2、13.2 mm。模擬得到內壓載荷為11.2 MPa時，補板修復結構的等效應力。

表3為4種補板邊長與4種補板壁厚下模型的屈服與極限壓力。當補板的厚度恒定時，補板修復結構的承壓能力隨補板邊長的增大而逐漸減小；當補板邊長恒定時，補板的厚度越大，補板修復結構的的承壓能力越好；兩者相比，補板邊長對承載能力的影響高于補板壁厚對承載能力的影響；補板邊長和壁厚對修復結構的極限壓力沒有太大影響。因此，選擇補板的幾何特征時，補板長度應選取較小的尺寸，補板厚度應與原始管道相同。

表3 變參數補板修復方法的屈服壓力與極限壓力

3.3 套管修復結構

套管的幾何尺寸對修復效果有重要影響，套管太大在實際工程應用中不易安裝，套管太小則無法達到預期效果。對于套管修復穿孔和缺陷2種情況，分別模擬套管厚度固定為9.2 mm，套管長度為80、130、200和300 mm；以及套管邊長等于200 mm，套管壁厚為7.2、9.2、11.2、13.2 mm 4種情況。

表4為套管修復穿孔和修復缺陷時，改變套管長度和厚度所得到的屈服承壓能力。在同等厚度條件下，套管的長度對修復結構的屈服壓力影響不大；采用套管修復穿孔時，在同等長度條件下，修復結構的屈服壓力隨套管的壁厚增加而提升；采用套管修復缺陷時，在同等長度條件下，修復結構的屈服壓力不隨套管壁厚而改變。

表4 變參數套管模型的屈服應力

4 結論

1) 3種常用焊接修復構件均具有高應力區(qū)，對構件的屈服應力有一定的影響，而對構件的極限承壓影響較小，所以應采用屈服應力評估焊接構件的承載效果。

2) 3種焊接修復方法中，采用套管修復方法后的構件承載效果最好；采用補板修復構件的承載效果次之；采用接管修復構件的承載效果最差。一定條件下，套管的幾何尺寸對構件承載效果影響較??；補板的幾何尺寸越小，構件的承載效果越好，補板的厚度不應小于原結構的厚度；接管的直徑越小、厚度越大，構件的承載效果越好。