含點蝕缺陷高鋼級彎管剩余強度有限元分析

摘 要 以點蝕缺陷為研究對象，采用有限元分析法，建立含點蝕缺陷彎管有限元模型，進一步分析了點蝕缺陷的位置和幾何形狀及管材性能等因素對彎管極限內(nèi)壓的影響。研究結(jié)果表明：含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓受缺陷相對位置的影響，當缺陷位于彎管內(nèi)拱處時，彎管的極限內(nèi)壓最??；含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓同樣受缺陷尺寸的影響，極限內(nèi)壓隨點蝕缺陷深度的增加而減小，隨點蝕缺陷半徑的增大而減??；管道尺寸、管道彎曲半徑及管材性能等敏感因素也會對管道極限內(nèi)壓產(chǎn)生影響，所得結(jié)論對于含缺陷彎管的安全評定有著一定的參考價值。

關(guān)鍵詞 油氣管道 點蝕 彎管 極限內(nèi)壓 有限元分析 等效應(yīng)力

中圖分類號 TQ055.8+1" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）05?0716?07

基金項目：中國石油天然氣股份有限公司-常州大學創(chuàng)新聯(lián)合體科技合作項目（批準號：KYZ22020129）資助的課題。

作者簡介：宋沛霖（2001-），本科生，從事安全工程專業(yè)的研究。

通訊作者：張穎（1972-），教授，從事特種設(shè)備健康監(jiān)測與結(jié)構(gòu)完整性評價等的研究，aezy163@163.com。

引用本文：宋沛霖，張穎，趙鵬程，等.含點蝕缺陷高鋼級彎管剩余強度有限元分析［J］.化工機械，2024，51（5）：716-722.

油氣管道在工業(yè)和民用領(lǐng)域中具有重要地位，但由于長期暴露于流體和外部環(huán)境，容易受到腐蝕的影響。腐蝕嚴重時，可能導致管道破裂，引發(fā)嚴重事故［1］。特別是在涉及彎曲部分的管道，由于其承受的載荷相較于直管更為復雜，腐蝕問題更加突出，因此其承載能力對管道的安全性具有顯著影響。點蝕缺陷因為其存在周期長，發(fā)展形態(tài)復雜，會引起局部應(yīng)力集中，降低管道的承載能力和形變能力，從而產(chǎn)生較大的安全隱患。因此，對含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓的研究一直是管道輸送技術(shù)領(lǐng)域研究的重點和熱點［2，3］。

國內(nèi)外許多學者已在該領(lǐng)域展開了一定的研究。KIM J M等在單一內(nèi)壓作用下，對含局部減薄彎頭進行了一系列爆破試驗，分析了不同減薄位置、缺陷幾何形狀等對彎頭失效壓力的影響［4］。AN J H等研究平面彎曲時90°彎頭的有限元分析，提出對于90°彎頭，平面內(nèi)彎矩在產(chǎn)生軸向薄膜應(yīng)力分量的同時還會引起軸向和環(huán)向彎曲應(yīng)力分量，并且這些應(yīng)力分量的大小在很大程度上取決于平均半徑與厚度之比，缺陷的軸向和環(huán)向位置等因素［5］。LEE G H等使用ANSYS有限元分析軟件，通過與實驗爆破壓力的比對，得出管道爆破壓力也與缺陷位置有關(guān)［6］。陳鋼等通過數(shù)值分析法研究了內(nèi)壓和彎矩作用下局部減薄彎頭極限內(nèi)壓的變化規(guī)律［7］。張藜和柳曾典研究了管道系統(tǒng)中由于腐蝕所形成的局部減薄區(qū)域，并提出了一種評估彎管局部減薄缺陷的方法［8］。楊秀娟等分析了單一內(nèi)壓作用下含局部減薄缺陷彎管的極限內(nèi)壓變化情況，通過分析得出缺陷的尺寸、缺陷所處位置及彎曲半徑等對極限內(nèi)壓的影響規(guī)律［9］。綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中于局部減薄缺陷對彎管極限內(nèi)壓影響的規(guī)律，忽略了點蝕缺陷和管道材料對彎管極限內(nèi)壓的影響，且較少分析點蝕缺陷對高鋼級彎管極限承載能力的影響。

針對上述問題，筆者以含點蝕缺陷的高鋼級彎管作為研究對象，采用非線性有限元分析法，利用ANSYS有限元軟件建立了含點蝕缺陷彎管的有限元模型，研究了缺陷位置、管道彎曲半徑、缺陷尺寸、管道尺寸及管材性能等不同參數(shù)對彎管極限內(nèi)壓的影響。

1 有限元模型

1.1 有限元模型的構(gòu)建

運用ANSYS有限元模擬軟件，構(gòu)建含點蝕缺陷彎管的仿真模型。模型選用Soild186高階三維20節(jié)點的固體結(jié)構(gòu)單元，該實體單元通過20個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著x、y、z方向平移的自由度［10］。為了避免由于幾何建模而導致的數(shù)據(jù)失真，筆者對于點蝕缺陷采用球坑的方式來模擬，使其在幾何特征上與實際點蝕缺陷更加類似［11］。管道規(guī)格為?1219 mm×22 mm，彎曲半徑為4D，有限元模型圖和缺陷示意圖如圖1所示。

為了更加清楚、準確地描述缺陷的位置，現(xiàn)建立環(huán)形坐標系，如圖2所示，其中θ為時鐘角度；ψ為軸向角度；r為徑向，t為管道壁厚；R為彎曲半徑；D為管道外徑。

材料選用的是X80高強度管線鋼，彈性模型為210 GPa，泊松比為0.3。在單軸拉伸測試中，獲取其屈服強度為555 MPa，抗拉強度為625 MPa。使用Ramberg?Osgood模型［12］修正其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其表達式如下：

=+α·（1）

α=0.005E/σ-1

ε=σ /E

式中 E——彈性模量，MPa；

n——硬化指數(shù)；

α——硬化系數(shù)；

ε——應(yīng)變；

ε——屈服應(yīng)變；

σ——應(yīng)力，MPa；

σ——屈服強度，MPa。

獲取X80鋼級材料真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

只考慮彎管受到內(nèi)壓作用，在管道內(nèi)表面施加分布均勻的載荷，并對彎管一端進行3個平動自由端的固定，另一端施加等效軸向應(yīng)力以平衡內(nèi)壓［13，14］。施加的等效軸向應(yīng)力σ為：

σ=p×（2）

式中 D——彎管的內(nèi)徑，mm；

p——內(nèi)壓載荷，MPa。

考慮到高鋼級管道具有較好的韌性，選用塑性失效準則，選取管道腐蝕區(qū)應(yīng)力最大處，認為管道最大等效應(yīng)力值等于管材的抗拉強度時管道發(fā)生失效，將所施加的內(nèi)壓載荷當作管道的極限壓力。

1.2 模型驗證

為了驗證模型的邊界條件、劃分的網(wǎng)格及施加的載荷等條件是否準確，選用文獻［15］中的含腐蝕缺陷彎管的算例結(jié)果，來驗證模型的可靠性。文獻［15］中管道材料選用X80鋼級彎管，管道規(guī)格?108 mm×8 mm，管道彎曲半徑1.5D，缺陷半徑和深度分別為6、5 mm。本有限元計算結(jié)果為38.72 MPa，與文獻［15］中的結(jié)果（39.51 MPa）相比誤差較小，相對誤差為2.09%。因此，可以驗證本模型的準確性。

2 影響因素分析

2.1 點蝕缺陷的相對位置對極限內(nèi)壓的影響

通過改變?nèi)毕莸南鄬ξ恢?，用以研究點蝕缺陷的相對位置對彎管極限內(nèi)壓的影響。其中時鐘角度的變化范圍為0～180°，管道等效應(yīng)力云圖如圖4所示。彎管極限內(nèi)壓隨缺陷相對位置變化規(guī)律圖如圖5所示。

從圖4可以看出，管道失效時，缺陷區(qū)域總體應(yīng)力水平比較高，局部應(yīng)力增大現(xiàn)象比較明顯。由圖5可知，當缺陷環(huán)向時鐘角度θ=0°時，彎管的極限內(nèi)壓最小；缺陷環(huán)向時鐘角度θ=90°時，彎管的極限內(nèi)壓增加的速度隨環(huán)向角度的增加而變大；缺陷環(huán)向時鐘角度θ=180°時，彎管的極限內(nèi)壓最大。

2.2 管道彎曲半徑對極限內(nèi)壓的影響

保證缺陷尺寸不變，改變管道彎曲半徑，研究管道彎曲半徑對含缺陷彎管極限內(nèi)壓的影響。分別考慮缺陷位于彎管內(nèi)拱、中心線處和外拱處3種情況，彎管等效應(yīng)力云圖如圖6所示。彎管極限內(nèi)壓隨相對彎曲半徑的變化規(guī)律如圖7所示，其中相對彎曲半徑為R/D。

2.3" "點蝕缺陷的尺寸參數(shù)對于極限內(nèi)壓的影響

建立不同幾何尺寸條件下的點蝕缺陷，分析其對管道極限內(nèi)壓的影響規(guī)律。改變點蝕缺陷半徑和深度，缺陷半徑的選取范圍為50～150 mm，缺

陷深度為0.2t、0.3t、0.4t、0.5t、0.6t。在內(nèi)壓的作用下，彎管極限內(nèi)壓隨缺陷深度的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8以及管道等效應(yīng)力變化云圖可知，缺陷處等效應(yīng)力水平較大，應(yīng)力集中的現(xiàn)象明顯。

由圖9可知，點蝕缺陷極限內(nèi)壓隨缺陷深度的變化呈線性相關(guān)，極限內(nèi)壓隨缺陷深度的增加而減小。在相同缺陷深度條件下，缺陷半徑越大，彎管極限內(nèi)壓越小。且缺陷深度越大，彎管極限內(nèi)壓下降幅度越大。

2.4 管道尺寸對極限內(nèi)壓的影響

為研究管道尺寸對含缺陷彎管極限內(nèi)壓的影響，因此選取6種不同規(guī)格的管道（表1）。通過分析可知，在管道徑厚比相同的情況下，含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓變化幅度較小。而不同的徑厚比對含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓影響較大，且徑厚比越大，其含缺陷彎管的承載能力越小。因此，在研究彎管極限內(nèi)壓的影響因素時，可以將徑厚比這一參數(shù)納入考慮范圍。

2.5 管材性能對極限內(nèi)壓的影響

通過改變屈服強度（σ）和冪硬化指數(shù)（n）兩個參量，研究管材性能對彎管極限內(nèi)壓的影響變化規(guī)律，結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯姸圈以礁?，彎管極限內(nèi)壓隨之越高。隨著冪硬化指數(shù)n的提高，彎管極限內(nèi)壓隨之增加，并且冪硬化指數(shù)n越高，彎管極限內(nèi)壓受缺陷尺寸的影響作用越小。因此，選擇屈服強度σ和冪硬化指數(shù)n較高的管材，可以在一定程度上提高彎管的極限承載能力。

3 結(jié)論

3.1 含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓隨點蝕缺陷相對深度的增加而減小，當相對深度較小時，含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓變化趨勢較緩，當相對深度較大時，極限內(nèi)壓變化趨勢較快。同樣的，隨點蝕缺陷半徑的增大，含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓逐漸減小。不同缺陷尺寸與彎管極限內(nèi)壓呈現(xiàn)不同的變化關(guān)系。

3.2 含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓受缺陷相對位置的影響，當點蝕缺陷位于彎管內(nèi)拱處時，彎管的極限內(nèi)壓最小。點蝕缺陷位于彎管外拱處時，彎管的極限內(nèi)壓最大。由此可知，當缺陷位于管道內(nèi)拱處時，彎管的承載能力最弱。

3.3 含點蝕缺陷彎管的極限內(nèi)壓受到管道尺寸、管道彎曲半徑和管材性能等敏感因素的影響，在研究彎管極限內(nèi)壓時，應(yīng)將這些參數(shù)納入考量。在工程實際應(yīng)用中，選擇管道徑厚比相對較小，冪硬化指數(shù)較高的管材，可以在一定程度上提高彎管的極限承載能力。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-11-11，修回日期：2024-09-13）

Finite Element Analysis of the Residual Strength of High

Steel Bending Pipe with Pitting Defects

SONG Pei?lin1， ZHANG Ying1， ZHAO Peng?cheng1， HE Zhan?you2， ZHANG Tao1

（1. School of Safety Science and Engineering， Changzhou University；

2. Oil and Gas Technology Research Institute， Changqing Oilfield Company）

Abstract" "Through taking pitting defects as the object of research， having finite element analysis method employed to establish the finite element model of the pipe with pitting defects was implemented， including further analyzing the influence of both location and geometric shape of the pitting defects and the pipe properties on the ultimate internal pressure of the pipe. The results show that， the relative position of the defects affects ultimate internal pressure of the pipe with pitting defects. When the defects stay at the inner arch of the pipe， the ultimate internal pressure of the pipe becomes smallest； the defect size also influences the ultimate internal pressure of the pipe with pitting defects and the ultimate internal pressure decreases with the increase of the pitting defect’s depth and the increase of the pitting defect radius. In addition， the sensitive factors such as pipe size， pipe bending radius and pipe properties also have an impact on the limit internal pressure of the pipe. The conclusions obtained have certain reference value for the safety assessment of pipes with defects.

Key words" " oil and gas pipeline， pitting， elbow， ultimate internal pressure， finite element analysis， equivalent stress