基于有限元研究某站場天然氣壓力管道應(yīng)力分析及缺陷評估

＊王沖 王彥軍 周順 劉明 趙娜 費凡*

（1.國家管網(wǎng)北京管道有限公司 北京 100101 2.北京瑞祥宏遠(yuǎn)科技有限公司 北京 102200）

1.引言

天然氣站場壓力管道應(yīng)力集中點和缺陷部位往往是管道安全風(fēng)險點[1]。站場管道應(yīng)力分布會受到管線走向、吊支架布置及位移、管體及附件自重、現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境等多種因素的影響。因此利用有限元技術(shù)構(gòu)建分析模型，快速對整個站場進(jìn)行應(yīng)力分析，了解管線應(yīng)力集中風(fēng)險點，對于指導(dǎo)管道安全檢測及管理具有重要的研究意義[2]。

隨著使用年限的增加，個別部位會出現(xiàn)不同程度的缺陷，缺陷處的強度會有不同程度的降低，同時會伴隨著爆管、泄露等管道事故的發(fā)生，而且管道事故引發(fā)的后果更嚴(yán)重。評價工作中正確選擇適用規(guī)范并正確使用不是一件容易的事情。不同種類的缺陷需要使用不同的方法來進(jìn)行分析，規(guī)范內(nèi)容多、分析流程復(fù)雜，具有大量的交叉判斷，人工完成需要進(jìn)行多次判斷，難以保證不出錯，而軟件則能比較好地解決這個問題。因此將缺陷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計算過程與有限元快速建模和分析技術(shù)相結(jié)合，利用計算機的優(yōu)勢快速對缺陷評價分析是未來發(fā)展的趨勢[3]。

本研究利用有限元技術(shù)結(jié)合缺陷評估標(biāo)準(zhǔn)對壓力管道整體應(yīng)力進(jìn)行分析并對其缺陷進(jìn)行了快速的分析，為快速開展壓力管道應(yīng)力集中分布和缺陷安全評估提供應(yīng)用參考。

2.軟件系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于管線應(yīng)力計算的相關(guān)設(shè)計規(guī)程、管道缺陷分析的相關(guān)國標(biāo)GB/T 20801-2020《壓力管道規(guī)范工業(yè)管 道》[4]、GB/T 19624-2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》[5]和有限元分析平臺開發(fā)，將規(guī)范計算過程與有限元快速建模和分析技術(shù)相結(jié)合。充分利用現(xiàn)代計算機與有限元技術(shù)，快速建立管線模型進(jìn)行應(yīng)力分析，找到應(yīng)力集中部位，即重點檢測、監(jiān)測部位，并在安全適用的原則下，對缺陷進(jìn)行快速評定，以實現(xiàn)高效的在役含缺陷壓力管道應(yīng)力分析及缺陷安全評定系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用純客戶端架構(gòu)，整個系統(tǒng)包含：模型繪制、模型分析、結(jié)果輸出（云圖/報告）以及材料庫四個主要模塊。

模型繪制模塊主要負(fù)責(zé)通過使用者填寫的管道及管道部件的基本參數(shù)生成管線模型以及對應(yīng)的部件模型。模型分析模塊包括應(yīng)力分析和缺陷評定功能，應(yīng)力分析功能負(fù)責(zé)將管線模型轉(zhuǎn)換為INP模型文件及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；缺陷評定功能負(fù)責(zé)獲取缺陷所在部位應(yīng)力數(shù)據(jù)，并自動按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行評定。結(jié)果輸出模塊包括云圖顯示和報告生成功能，云圖顯示部分負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分析結(jié)果以云圖的形式顯示，報告生成主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分析結(jié)果填入Word文檔并存儲。

模型繪制模塊及模型分析模塊都有相同的附屬模塊，即為材料庫模塊。材料庫模塊主要負(fù)責(zé)保存標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中各種不同材料的計算參數(shù)以及使用者自定義的計算參數(shù)。

本系統(tǒng)分析流程包含三部分：前處理、模型分析、后處理。分析流程，見圖1。

圖1 系統(tǒng)分析流程圖

3.某站場應(yīng)力分析及缺陷評估快速評估

(1)站場參數(shù)

某天然氣站場管道相關(guān)參數(shù)，如表1，材質(zhì)機械性能參數(shù)，如表2。

表1 站場管道相關(guān)參數(shù)

表2 材料機械性能參數(shù)

(2)應(yīng)力分析

根據(jù)管道基本信息、單線圖及現(xiàn)場檢驗情況，通過參數(shù)化建模繪制整體的管道有限元模型和并自動生成3D實體模型，如圖2所示，軟件系統(tǒng)可一鍵式自動進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，可以得到管線系統(tǒng)的應(yīng)力，并能對模型進(jìn)行可視化處理，如圖3所示。

圖2 （a）站場管道有限元模型；（b）管道3D模型

圖3 管道應(yīng)力分析云圖

顏色越趨近于紅色，表示此處應(yīng)力越大，經(jīng)查看云圖可知，西沙屯管道有限元分析應(yīng)力值為72.5～80.97MPa，最大應(yīng)力值為80.97MPa，小于許用應(yīng)力138MPa。應(yīng)力集中位置基本都位于架空管道彎頭或三通處。彎頭和三通相對管道系統(tǒng)來講，處于結(jié)構(gòu)不連續(xù)的地方，因此應(yīng)力相對其他地方來說較大。管道支架或者有約束的地方，由于限制了管道在受力情況下通過位移來釋放應(yīng)力，所以也會有較大的應(yīng)力。

(3)缺陷分析

管道在工作條件下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞的形式有斷裂和塑性破壞。斷裂是由于管道結(jié)構(gòu)存在面型（裂紋類）缺陷，在載荷作用下產(chǎn)生的主要失效形式，它的評定是采用斷裂力學(xué)的理論加以解決。而塑性破壞是由于管道結(jié)構(gòu)所承受的載荷超過結(jié)構(gòu)本身的塑性極限載荷而產(chǎn)生的破壞，在一定條件下含面型缺陷和體積型缺陷（如局部減?。┑墓艿澜Y(jié)構(gòu)都可能產(chǎn)生這類破壞。

本次安全評定結(jié)合管道應(yīng)力分析系統(tǒng)對管道缺陷進(jìn)行分析。對于平面缺陷根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《在用含缺陷壓力容器安全評定》（GB/T 19624－2019）中附錄G規(guī)定，采用U因子評定法進(jìn)行評定，對于體積缺陷根據(jù)GB/T 19624－2019中附錄H或附錄I的規(guī)定，采用塑性極限荷載法進(jìn)行評定。

①在模型上添加直管段平面（未焊透）缺陷參數(shù)，見 表3，管道模型，如圖4所示。

表3 缺陷類型及尺寸

圖4 管道添加缺陷后有限元模型

②經(jīng)有限元分析計算，管道軸力及彎矩分布云圖，如圖5所示。

圖5 （a）管道軸力云圖；（b）管道彎矩云圖

③表3列出了所分析管線基于應(yīng)力分析系統(tǒng)受力分析得到的缺陷處截面拉力與彎矩值，然后采用缺陷所在位置的內(nèi)壓和彎矩作為輸入項，通過應(yīng)力分析系統(tǒng)然后即可自動進(jìn)行安全評價。

該管道缺陷評定參數(shù)計算數(shù)值及安全評定結(jié)果，如表4。

表4 安全評定結(jié)果

4.結(jié)論

（1）從有限元分析結(jié)果看，管道系統(tǒng)最小應(yīng)力值為72.5MPa，最大應(yīng)力值為80.97MPa，無明顯應(yīng)力集中情況；管道系統(tǒng)材料L245MB的許用應(yīng)力最低為138MPa，有限元分析結(jié)果最大值為80.97MPa，應(yīng)力分析校核通過，滿足工程應(yīng)用。

（2）應(yīng)力云圖中，顏色越趨近于紅色，表示此處應(yīng)力相對越大，更容易發(fā)生破壞，在維護(hù)、保養(yǎng)等日常工作中應(yīng)重點關(guān)注。應(yīng)力較大部位基本處于彎頭和三通處，按檢規(guī)要求，一般是抽檢，可為檢驗重點和探傷位置提供參考依據(jù)。

（3）軟件自動完成缺陷評估，方便快捷，管道系統(tǒng)中的缺陷通過了安全評定。