波動(dòng)內(nèi)壓作用下油氣管道凹陷再圓分析*

李成兵 蔡中陶 張 昕 熊小欽

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.中國(guó)石油西部鉆探工程技術(shù)研究院)

0 引言

隨著油氣集輸工程的不斷發(fā)展，油氣管道服役過(guò)程中的安全問(wèn)題備受關(guān)注。管道建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)受到外界因素的影響，從而導(dǎo)致管道發(fā)生損壞和失效問(wèn)題[1]。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，機(jī)械損傷是管道發(fā)生損壞和失效的主要原因之一[2]。由于機(jī)械作用而形成的凹痕缺陷(簡(jiǎn)稱凹陷) 是最典型的一種管道機(jī)械損傷[3]。油氣管道凹陷通常是在外界結(jié)構(gòu)物的機(jī)械作用下發(fā)生永久塑性變形，形成深度為d的凹陷。油氣管道凹陷產(chǎn)生后，會(huì)在凹陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中和管體結(jié)構(gòu)損傷，最終對(duì)管道運(yùn)行安全和使用壽命產(chǎn)生重要影響。當(dāng)結(jié)構(gòu)物被移除后，管道凹陷因約束解除會(huì)發(fā)生彈性回彈，凹陷深度由d減小為d0。在工程實(shí)際中，當(dāng)油氣管道正式運(yùn)行后，在管道工作內(nèi)壓作用下，管道凹陷深度會(huì)進(jìn)一步減小，通常稱為再圓。

關(guān)于油氣管道凹陷的回彈和再圓問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多研究。張健等[4]建立了含缺陷的天然氣管道仿真模型。A.L.BASTARD[5]考慮了凹陷尺寸、管道尺寸、內(nèi)壓以及管材性能對(duì)回彈系數(shù)的影響，提出了回彈系數(shù)公式，但其適用性不強(qiáng)。J.H.BAEK 等[6]基于有限元分析，研究了壓頭尺寸、內(nèi)壓和凹陷深度對(duì)凹陷管道再圓行為的影響。M.J.ROSENFELD[7]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)理論方法對(duì)外載和壓力波動(dòng)下的凹陷深度變化做了研究和描述，提出凹陷的深度變化歷程，認(rèn)為凹陷在內(nèi)壓循環(huán)作用下，其深度并非圍繞恒定值波動(dòng)，指出凹陷的回彈與回圓影響管道的疲勞壽命的結(jié)論。帥義等[8]建立了內(nèi)壓作用下油氣管道凹陷再圓過(guò)程非線性有限元模型，探討了徑厚比、管材、凹陷尺寸、初始內(nèi)壓及回圓壓力等參數(shù)對(duì)再圓系數(shù)的影響，同時(shí)采用非線性回歸方法擬合了凹陷再圓系數(shù)工程計(jì)算公式，并證明了在極限再圓壓力工況下凹陷再圓過(guò)程中管道未發(fā)生二次塑性損傷。ZHANG P.等[9]研究了油氣管道凹陷在使用階段和維護(hù)期間的再圓系數(shù)，證明內(nèi)壓幅值對(duì)管道再圓系數(shù)影響明顯?？梢钥闯觯壳皣?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)內(nèi)壓作用下油氣管道凹陷回彈和再圓的研究，大部分基于恒定內(nèi)壓條件，但在油氣管道正常運(yùn)行的實(shí)際工況中，管道工作內(nèi)壓不可避免地存在波動(dòng)。當(dāng)油氣管道工作內(nèi)壓呈非恒定波動(dòng)時(shí)，必然會(huì)對(duì)管道凹陷的再圓產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而影響凹陷深度。

目前國(guó)際管道規(guī)范將凹陷深度作為含凹陷管道的安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，例如美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)的ASME B31.8 (2018)、加拿大管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)CSAZ 662—1996 和中國(guó)國(guó)家能源局發(fā)布的《鋼制油氣管道凹陷評(píng)價(jià)方法》 等，都以管道凹陷深度達(dá)到管道直徑的6% 作為管道安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10－12]。可以看出，在管道工作內(nèi)壓作用下發(fā)生的管道凹陷再圓的大小，直接影響現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量到的凹陷深度，而實(shí)際測(cè)量到的凹陷深度值則影響含油氣管道凹陷的安全性評(píng)價(jià)[13－15]。因此，分析波動(dòng)內(nèi)壓作用下油氣管道凹陷的再圓過(guò)程，對(duì)于保證含油氣管道凹陷安全性評(píng)價(jià)結(jié)果至關(guān)重要。本文利用ABAQUS 有限元軟件，分析了管道壁厚、壓頭幾何形狀和管道初始凹陷深度等對(duì)管道凹陷彈性回彈以及在不同波動(dòng)內(nèi)壓載荷作用下管道凹陷再圓的影響，并借助MATLAB 非線性擬合功能得到了無(wú)內(nèi)壓作用時(shí)，管道凹陷回彈系數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式和在波動(dòng)內(nèi)壓作用下管道凹陷再圓系數(shù)的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式。所得結(jié)果可為油氣管道凹陷的安全評(píng)估提供參考。

1 有限元模型建立

1.1 材料屬性

有限元模型采用X80 鋼級(jí)油氣管道。其材料參數(shù)為[16]:密度7 800 kg/m3，彈性模量225 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度628 Pa，抗拉強(qiáng)度740 MPa。為保證有限元結(jié)果的準(zhǔn)確性，材料屬性設(shè)置采用真實(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線[15]。X80 管材真實(shí)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖1 所示。

圖1 X80 管材應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve of API X80 steel pipe

1.2 管道波動(dòng)內(nèi)壓載荷

利用周期型幅值曲線來(lái)模擬管道壓力波動(dòng)情況，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為[17]:

式中:N′為傅里葉級(jí)數(shù)的項(xiàng)數(shù)，ω為圓頻率，t為時(shí)間，t0為起始時(shí)間，A0為初始幅值，Ai為余弦項(xiàng)系數(shù)，Bi為正弦項(xiàng)系數(shù)(i＝1，2，3，……，N′)。

在模擬中可以通過(guò)改變壓力比r和最大壓力pmax實(shí)現(xiàn)對(duì)波動(dòng)載荷的控制。管道波動(dòng)內(nèi)壓時(shí)程曲線如圖2 所示。

圖2 管道波動(dòng)內(nèi)壓時(shí)程曲線Fig.2 Time travel curve of fluctuating

1.3 有限元模型

利用ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元模型的建立及仿真。有限元模型由壓頭和管道兩部分組成。壓頭選擇剛性橢球體壓頭，它可以通過(guò)改變其長(zhǎng)軸長(zhǎng)度b或者短軸長(zhǎng)度a來(lái)模擬任意大小的凹痕[18]。根據(jù)模型的對(duì)稱性，建立管道直徑為508 mm 的模型，橢球體壓頭長(zhǎng)軸與管道軸向方向空間垂直。圖3 為管道凹陷形成有限元模型。為了獲得經(jīng)濟(jì)和精確的分析結(jié)果，管道的長(zhǎng)度L取管道直徑的3 倍，以避免邊界條件對(duì)有限元結(jié)果的影響；對(duì)管道凹陷處進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，其他區(qū)域采用較粗的網(wǎng)格[19]。

應(yīng)用ABAQUS 非線性軟件對(duì)X80 油氣管道的凹陷形成、彈性回彈和再圓過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，有限元模型如圖3 所示。具體分析步驟如下。

圖3 管道凹陷形成有限元模型Fig.3 Finite element model of formation of the pipeline dent

第一步:接觸。利用橢球體壓頭沿豎直方向向下運(yùn)動(dòng)，使得壓頭與管道的外表面剛好處于接觸的臨界位置，以模擬外界結(jié)構(gòu)物和管道外表面的相互作用；

第二步:加載。給橢球體壓頭施加一個(gè)沿豎直方向向下的位移載荷，模擬結(jié)構(gòu)物作用于油氣管道，在其表面形成一個(gè)深度為d的凹陷；

第三步:卸載。將橢球體壓頭移除，用以模擬外界結(jié)構(gòu)物去除后，管道凹陷因約束去除產(chǎn)生彈性回彈，管道凹陷深度將減?。?/p>

第四步:施加內(nèi)壓。在管道內(nèi)表面施加一個(gè)事先設(shè)計(jì)好的波動(dòng)壓力載荷(見圖2)，模擬油氣管道正常運(yùn)行時(shí)波動(dòng)內(nèi)壓作用下管道凹陷發(fā)生再圓的過(guò)程。

圖4 展現(xiàn)了管道凹陷數(shù)值計(jì)算過(guò)程。

圖4 管道凹陷數(shù)值計(jì)算過(guò)程Fig.4 Numerical simulation process of the pipeline dent

1.4 有限元驗(yàn)證

M.ZEINODDIN 等[20]借助半徑為10 mm 的球形壓頭，對(duì)直徑為44 mm、壁厚為2 mm 的X80 鋼級(jí)管道進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，研究了X80 鋼級(jí)管道凹陷的單軸應(yīng)變漸變行為。本文借助該試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元模型及數(shù)值計(jì)算方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。由于文獻(xiàn)[20]未考慮管道內(nèi)壓的作用，本文數(shù)值計(jì)算中也不施加管道內(nèi)壓。本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1 所示。由表1 可以看出，當(dāng)施加初始凹陷深度分別為4、7 和10 mm 的位移載荷時(shí)，卸載后發(fā)生彈性回彈后的剩余凹陷深度和壓頭最大壓力載荷值，本文數(shù)值計(jì)算值和試驗(yàn)值十分接近，相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，說(shuō)明本文所采用和建立的關(guān)于油氣管道凹陷的有限元模型和數(shù)值計(jì)算方法有效。

表1 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Table 1 Results of test and numerical simulation

2 油氣管道凹陷再圓的有限元分析

本文利用ABAQUS 有限元軟件對(duì)油氣管道進(jìn)行凹陷的彈性回彈和再圓過(guò)程模擬，主要分析管道壁厚δ、橢球體壓頭幾何形狀參數(shù)(a/b，b＝200 mm)、初始凹陷深度d和管道波動(dòng)內(nèi)壓峰值壓力等對(duì)管道凹陷的彈性回彈和再圓的影響。數(shù)值計(jì)算參數(shù)如下:δ＝7.1、7.9、8.7、9.5、11.1 及13.3 mm，壓頭幾何形狀參數(shù)a/b＝0.2、0.3、0.5 及0.7，d＝ 10.16、15.24、20.32、25.40、30.48、35.56、46.69 及50.80 mm，內(nèi)壓峰值壓力pmax＝2、3、4、5、6 及8 MPa。

2.1 油氣管道凹陷的彈性回彈

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，本文計(jì)算了1 000 多組各種工況下的油氣管道凹陷彈性回彈與再圓。圖5 為管道凹陷彈性回彈過(guò)程圖。圖5 中管道壁厚δ為7.9 mm，壓頭幾何形狀參數(shù)為0.3，初始管道凹陷深度為46.69 mm。

圖5 管道凹陷彈性回彈過(guò)程Fig.5 Elastic spring-back process of the pipeline dent

由圖5 可以看出，壓頭(結(jié)構(gòu)物) 被移除后，管道凹陷因約束解除而發(fā)生彈性回彈，凹陷深度發(fā)生變化，從初始的46.69 mm 逐漸回彈至29.15 mm，并最終回彈至25.38 mm。此時(shí)定義含凹陷管道的彈性回彈系數(shù)為[9]:

式中:Cs為管道凹陷回彈系數(shù)。

根據(jù)式(2) 所定義的管道凹陷彈性回彈系數(shù)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得管道壁厚、壓頭幾何形狀參數(shù)和凹陷深度對(duì)回彈系數(shù)的影響，結(jié)果如圖6 和圖7 所示。由圖6 和圖7 可以看出，當(dāng)凹陷深度和壓頭形狀參數(shù)確定時(shí)，管道凹陷回彈系數(shù)隨著管道壁厚增加而增大，說(shuō)明管道壁厚越厚，回彈量越小，凹陷越難回彈；當(dāng)凹陷深度和管道壁厚確定時(shí)，隨著橢球體壓頭由扁長(zhǎng)形向球體形轉(zhuǎn)變(橢球體短半軸增大，使得壓縮后的凹陷在管道軸向方向變寬)，管道凹陷回彈系數(shù)隨之增大，凹陷回彈量越小，越難回彈；當(dāng)管道壁厚和壓頭幾何形狀確定時(shí)，管道回彈系數(shù)隨凹陷深度增加而增大，說(shuō)明凹陷深度越深，凹陷回彈量越小，越難回彈；隨著凹陷深度的增加，回彈系數(shù)的增加趨于平緩(曲線斜率逐漸減小)。這是因?yàn)殡S著凹陷深度的增加，凹陷區(qū)域的彈性區(qū)域所占比例越來(lái)越小，而塑形變形區(qū)域隨著凹陷深度的增加越來(lái)越大。

圖6 管道壁厚和凹陷深度對(duì)回彈系數(shù)的影響Fig.6 Effect of pipe wall thickness and dent depth on spring-back coefficient

圖7 壓頭幾何形狀和凹陷深度對(duì)回彈系數(shù)的影響Fig.7 Effect of indenter shape and dent depth on spring-back coefficient

2.2 波動(dòng)內(nèi)壓作用下油氣管道凹陷再圓

2.2.1 管道凹陷再圓過(guò)程

如前所述，將壓頭移除后，油氣管道凹陷發(fā)生彈性回彈。當(dāng)在彈性回彈的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步施加內(nèi)壓后，管道凹陷處會(huì)發(fā)生再圓，而內(nèi)壓大小直接影響凹陷處的再圓程度，從而影響管道凹陷的名義深度。此時(shí)，可以定義含凹陷管道的再圓系數(shù)為[9]:

式中:CR為含凹陷管道的再圓系數(shù)，d1為在工作內(nèi)壓作用下發(fā)生再圓后的凹陷名義深度。

在管道凹陷彈性回彈的基礎(chǔ)上，對(duì)管道加載如圖8 所示的波動(dòng)內(nèi)壓載荷(pmax＝4.0 MPa、pmin＝0.4 MPa 和peven＝2.2 MPa)，管道凹陷發(fā)生再圓后的名義凹陷深度如圖9 所示。

圖9 中的最小凹陷深度、平均凹陷深度和最大凹陷深度是當(dāng)波動(dòng)內(nèi)壓處于最大值、平均值和最小值時(shí)提取的。由圖9 可以看出:在管道波動(dòng)內(nèi)壓作用下，管道凹陷發(fā)生再圓，管道凹陷深度在18.84～23.04 mm 間往復(fù)變化；管道凹陷深度從彈性回彈后的25.38 mm 明顯減小。根據(jù)式(3)，得到該工況下的管道凹陷再圓系數(shù)變化曲線，如圖8中的點(diǎn)畫線所示。由圖8 可以看出:管道凹陷再圓系數(shù)也呈脈動(dòng)式變化，最大再圓系數(shù)為1.349 64，最小再圓系數(shù)為1.098 75；管道凹陷再圓系數(shù)相比管道內(nèi)壓載荷有一定滯后，這是因?yàn)楣艿腊枷菰趦?nèi)壓作用下發(fā)生塑性變形是一個(gè)循序過(guò)程，不是瞬態(tài)完成的。

圖8 波動(dòng)內(nèi)壓及其作用下的管道凹陷再圓系數(shù)Fig.8 Fluctuating internal pressure and pipeline dent re-rounding coefficient

圖9 波動(dòng)內(nèi)壓作用下管道凹陷再圓后的凹陷深度Fig.9 Depth of pipeline dent re-rounded under fluctuating internal pressure

在管道凹陷最深處，在特定管道內(nèi)壓作用下，沿環(huán)向(橫向) 和軸向方向截面上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到如圖10 所示的環(huán)向截面上和軸向截面上初始凹陷深度、彈性回彈后的凹陷深度和再圓后的名義凹陷深度曲線。由圖10 可以看出，在波動(dòng)內(nèi)壓作用下，管道凹陷在彈性回彈的基礎(chǔ)上發(fā)生再圓，管道凹陷深度將進(jìn)一步減小，這與如圖4 所示的數(shù)值計(jì)算物理過(guò)程一致。

圖10 彈性回彈和再圓后管道凹陷深度曲線Fig.10 Pipeline dent depth after elastic spring-back and re-rounding

2.2.2 管道波動(dòng)內(nèi)壓載荷對(duì)管道凹陷再圓系數(shù)的影響

在油氣運(yùn)輸?shù)墓こ虒?shí)際中，管道壓力波動(dòng)的周期通常較長(zhǎng)(一般為幾天到幾十天，甚至更長(zhǎng))，但在數(shù)值計(jì)算中設(shè)置如此長(zhǎng)的循環(huán)周期不現(xiàn)實(shí)。本文計(jì)算了不同頻率波動(dòng)內(nèi)壓下的管道凹陷再圓，提取了管道內(nèi)壓峰值壓力為4 MPa 條件下的管道凹陷再圓系數(shù)，如圖11 所示。由圖11 可以看出，當(dāng)波動(dòng)內(nèi)壓頻率變化時(shí)，在該峰值壓力作用下管道凹陷再圓系數(shù)基本保持不變，即波動(dòng)內(nèi)壓頻率對(duì)再圓的影響可以忽略。因此，在數(shù)值計(jì)算中，可以將工程實(shí)際中低頻長(zhǎng)周期的管道波動(dòng)內(nèi)壓載荷簡(jiǎn)化為可用于數(shù)值計(jì)算的高頻短周期波動(dòng)內(nèi)壓載荷。

圖11 波動(dòng)內(nèi)壓頻率對(duì)管道凹陷再圓系數(shù)的影響Fig.11 Effect of fluctuating internal pressure frequency on re-rounding coefficient

本文對(duì)如圖12a 所示的波動(dòng)內(nèi)壓載荷作用下管道凹陷的再圓進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得管道各波動(dòng)內(nèi)壓峰值壓力作用下的管道凹陷再圓特征，結(jié)果如圖12b 所示。圖12b 中壓頭幾何形狀a/b＝0.3，管道壁厚為7.1 mm。從圖12a 可以看出，管道各波動(dòng)內(nèi)壓載荷的峰值壓力、平均壓力和最小壓力均不相同，它們對(duì)管道凹陷的再圓作用也不相同。圖12b顯示:管道內(nèi)壓峰值壓力對(duì)管道凹陷再圓的影響十分明顯，峰值壓力越大，管道凹陷再圓系數(shù)也越大，即再圓程度越明顯；隨著管道凹陷深度增加，其再圓系數(shù)逐漸減小，并且減小的趨勢(shì)也趨于平緩。這是因?yàn)楣艿腊枷萆疃仍酱?，其?yīng)力集中也越明顯，在管道內(nèi)壓作用下迫使具有高應(yīng)力集中的凹陷區(qū)域發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生再圓時(shí)就越困難。

圖12 管道內(nèi)壓波動(dòng)載荷對(duì)管道凹陷再圓系數(shù)的影響Fig.12 Effect of fluctuating internal pressure load on re-rounding coefficient

2.2.3 壁厚、壓頭幾何形狀參數(shù)和凹陷深度等對(duì)管道凹陷再圓的影響

當(dāng)管道波動(dòng)內(nèi)壓峰值壓力為4 MPa 時(shí)，管道壁厚、壓頭幾何形狀參數(shù)和凹陷深度等參數(shù)對(duì)管道凹陷再圓的影響如圖13 和圖14 所示。由圖13 和圖14 可以看出:在管道波動(dòng)內(nèi)壓峰值壓力作用下，管道凹陷再圓系數(shù)隨管道壁厚增大而減小，即說(shuō)明管道壁厚越厚，管道凹陷再圓越困難；隨著橢球體壓頭由扁長(zhǎng)形向球體形轉(zhuǎn)變，管道凹陷再圓系數(shù)越小，管道凹陷再圓越困難；當(dāng)管道壁厚和壓頭幾何形狀確定時(shí)，管道凹陷再圓系數(shù)隨管道凹陷深度增加而減小，且減小的趨勢(shì)越來(lái)越平緩，即說(shuō)明管道凹陷越深，其在內(nèi)壓作用下再圓越困難。以上結(jié)果表明，在工程實(shí)際中，當(dāng)管道凹陷越深、凹陷軸向區(qū)域越大和管道壁厚越大時(shí)，在遭受管道波動(dòng)內(nèi)壓的作用下，管道凹陷不容易發(fā)生周期性的再圓，從而具有較強(qiáng)的抗疲勞損傷與抗失效能力。

圖13 壁厚和凹陷深度變化情況下的再圓系數(shù)曲線Fig.13 Variation of re-rounding coefficient with pipe wall thickness and dent depth

圖14 壓頭幾何形狀參數(shù)和凹陷深度變化情況下的再圓系數(shù)曲線Fig.14 Variation of re-rounding coefficient with indenter shape and dent depth

2.3 油氣管道凹陷的彈性回彈與再圓的非線性擬合

以上對(duì)油氣管道凹陷在波動(dòng)內(nèi)壓作用下的彈性回彈和再圓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，但在管道凹陷安全性評(píng)估的工程實(shí)際中，需要對(duì)管道凹陷在波動(dòng)內(nèi)壓作用下的彈性回彈和再圓進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定量計(jì)算，進(jìn)而較為準(zhǔn)確地確定出管道凹陷的初始深度，從而完成管道凹陷的安全性評(píng)估。針對(duì)管道凹陷的彈性回彈和再圓的定量計(jì)算，文獻(xiàn)[14]和[21] 做了相關(guān)研究，給出了定量擬合公式:

式中:D為管道的外徑，E為管材的彈性模量，α、β、ε、η及λ均為無(wú)量綱系(指) 數(shù)。

根據(jù)本文計(jì)算的1 296 個(gè)工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合分析，分別得到波動(dòng)內(nèi)壓作用下管道凹陷的彈性回彈系數(shù)和再圓系數(shù)的定量擬合計(jì)算式，具體如下:

上述公式的取值范圍為:71.6 ≥D/δ≥38.2，0.7 ≥a/b≥0.2，0.1 ≥D/d≥0.02，3.56×10－6≥pmax/E≥8.9×10－8。

式(6) 和式(7) 的相關(guān)系數(shù)R的平方分別為0.026 8 和0.002 7。擬合公式計(jì)算的管道凹陷彈性回彈系數(shù)和在管道波動(dòng)內(nèi)壓峰值壓力作用下的再圓系數(shù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖15 所示。

圖15 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與擬合結(jié)果對(duì)比圖Fig.15 Comparison between numerical simulation results and fitting results

從圖15 可以看出，兩者的誤差較小，說(shuō)明所擬合出的定量計(jì)算公式準(zhǔn)確性較高，可用于定量計(jì)算。

3 結(jié)論

本文主要研究了波動(dòng)載荷作用下凹痕缺陷管道的性能。通過(guò)ABAQUS 有限元分析軟件進(jìn)行了壓頭和管道的三維建模，并且通過(guò)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)對(duì)有限元的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。在數(shù)值模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分析了管道壁厚、壓頭幾何形狀參數(shù)、管道初始凹陷深度等參數(shù)對(duì)管道凹陷彈性回彈和在不同波動(dòng)內(nèi)壓載荷作用下的管道凹陷再圓的影響，得到如下主要結(jié)論:

(1) 通過(guò)文獻(xiàn)[20] 中的試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)于凹陷管道的回彈系數(shù)以及再圓系數(shù)的研究有效。

(2) 移除壓頭后，管道凹陷區(qū)域發(fā)生彈性回彈。管道壁厚越大、凹陷深度越深、凹陷沿軸向區(qū)域增大時(shí)，管道凹陷的回彈系數(shù)隨之增大，管道凹陷發(fā)生彈性回彈愈加困難。

(3) 在管道波動(dòng)內(nèi)壓作用下，管道凹陷的再圓系數(shù)也隨之呈周期性變化；管道波動(dòng)內(nèi)壓峰值壓力越大，管道凹陷再圓越明顯；當(dāng)管道波動(dòng)內(nèi)壓確定時(shí)，管道凹陷越深、凹陷軸向區(qū)域越大和管道壁厚越大時(shí)，在遭受管道波動(dòng)內(nèi)壓作用下，管道凹陷不容易發(fā)生周期性的再圓，從而具有較強(qiáng)的抗疲勞損傷與抗失效能力。

(4) 在工程實(shí)際中，油氣管道輸送壓力發(fā)生波動(dòng)不可避免，在管道凹陷安全評(píng)估中，采用波動(dòng)內(nèi)壓峰值壓力作用下的最大再圓系數(shù)來(lái)計(jì)算管道凹陷的真實(shí)深度可以最大程度地保證安全閾值，提高管道安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。通過(guò)非線性擬合，得到了回彈系數(shù)和再圓系數(shù)定量計(jì)算公式。