长期服役含孔盗油管段结构强度的模拟分析

王福众 李强

1中国石化集团管道储运公司鲁宁输油处 2中国石油勘探开发公司

长期服役含孔盗油管段结构强度的模拟分析

王福众1李强2

1中国石化集团管道储运公司鲁宁输油处 2中国石油勘探开发公司

针对输油管道盗油孔引起管道局部应力集中及焊接修复时产生残余应力的状况，基于ANSYS有限元分析平台对鲁宁管道某盗油管段盗油孔修复过程、管道运营状态进行数值模拟。具体包括单独考虑内压作用下管道应力分布状态模拟，管道制造、盗油孔修复时焊接所造成的残余应力分析以及综合考虑焊接残余应力与内压的共同作用，模拟盗油孔管道应力应变分布。结果表明，有限元数值方法具有较高可靠性，盗油孔及其修补焊帽的存在造成了局部应力集中现象，应力集中系数最高为2.05。

输油管道；打孔盗油；焊接；残余应力；数值模拟

鲁宁输油管道途经山东、安徽和江苏3省，首站为山东临邑，末站江苏仪征，全长655.37 km，管道直径720 mm，壁厚8(9)mm，设计运行最高工作压力4.2 MPa，管道材质为16 Mn螺旋焊缝钢管。然而，自20世纪90年代以来这条管线却时常受到人为破坏。针对输油管道盗油孔引起管道局部应力集中及焊接修复时产生残余应力的状况，基于ANSYS有限元分析平台对盗油孔修复过程、管道运营状态进行数值模拟。具体包括单独考虑内压作用下管道应力分布状态，管道制造、盗油孔修复时焊接所造成的残余应力分析以及综合考虑焊接残余应力与内压的共同作用，模拟盗油孔管道应力应变分布，并与实验结果进行对比，分析由于焊接以及应力集中对管道强度造成的影响情况。

1 内压作用下输油管道应力分析

分析用的输油管道内直径d=704 mm，外直径D=720 mm，壁厚t=8 mm，管体顶部分布有9个盗油孔及修复焊帽，大焊帽内直径160 mm，小焊帽内直径107 mm。管体螺旋焊缝从左起第4、5盗油孔之间穿过。该管体在工程上属于薄壁圆筒，当没有盗油孔时，忽略其所承受的外压，仅受内压p作用时，管体环向应力可以求得解析解若取p=4 MPa，计算可得：σθ=180 MPa.

对存在盗油孔的输油管道应力分布进行有限元计算时，采用8节点三维实体单元solid45建立有限元计算模型。计算中忽略重力和焊接残余应力的影响，仅考虑模型承受内压的作用（p=4 MPa）。

从局部应力分布上可以明显观察到盗油孔附近存在高应力区，这是由于盗油孔造成结构改变引起应力场发生变化所致。提取管体上受盗油孔及边界约束影响较小的44751号节点，其环向应力σθ= 173 MPa。可以看出，有限元分析结果和经典力学理论解比较接近，误差为3.8%。说明利用ANSYS进行管道应力的有限元分析，采用实体单元建模能获得较好的计算结果。

在内压4 MPa时选取1、3、5、7号盗油孔处的最大环向应力与无盗油孔存在的普通管体处环向应力（180 MPa）进行比较，求得应力集中系数结果如表1所示。结果表明，3号孔处应力集中最严重，最大应力集中系数为2.05。

表1 盗油孔导致的应力集中情况

研究发现，盗油孔局部应力增大不是由于横截面面积减小而引起的，即使横截面面积只减小千分之几，由于盗油孔造成的局部应力集中也会使最大应力增大若干倍，并且增大程度几乎与孔大小无关。从环向应力和Mises应力随距盗油孔的距离的变化情况可以看出：应力随着与盗油孔距离的增大而迅速减小；盗油孔焊帽的存在对管体应力分布影响较大，其根部的环向应力与Mises应力较小，但焊帽的影响范围很小，焊帽以外管体的应力迅速趋于无孔时的管体应力状态。同时从模拟结果可以看出：盗油孔之间受两个盗油孔共同作用的位置，其应力分布与远离盗油孔的普通管体处基本一致，其影响基本可以忽略不计。

2 焊接残余应力

在实际情况下，焊接残余应力的产生是相当复杂的，一般可分以下三种情况：①焊接热源的移动性；②约束应力；③相变应力。

2.1 焊接温度场数值模拟

首先对螺旋焊缝焊接进行计算，为后续分析做铺垫，计算模型与前面内压分析计算模型一致。焊接时间t=405.3 s时管体的温度云纹图表现出了明显的“拖尾”现象，最高温度位于焊接热源中心，达到1 061℃。当与热源的距离增加时，热源前方温度的下降最为剧烈，而热源后方则最为缓慢，热源两边为中等梯度。

盗油分子焊接盗油支管后不会再去进行去应力退火，盗油孔焊接修复由于受现场施工条件的限制，也难以实行去应力退火处理。有限元计算方法与前述管道制造螺旋焊接模拟类似，但没有退火处理过程。从焊帽焊接冷却结束时管道的温度分布图中可以看出，焊接修复后管道的最高温度Tmax= 26.858℃，最低温度Tmin=25.007℃，基本与室温一致，可以认为已经冷却完全。

2.2 焊接应力场数值模拟

焊接残余应力场采用非线性静力分析，因此对材料处理为与应变率无关的塑性，塑性应变假定为瞬间建立。

图1为管体退火前后的Mises应力分布图，两者的应力分布趋势基本一致，但去应力退火使管体残余应力值大幅降低，残余最大Mises应力从409 MPa降至34.1 MPa，说明去应力退火对焊接残余应力消除作用相当明显，能满足实际需要。

图1 管管体退火前后的Mises应力分布

盗油孔及焊帽焊接由于没有进行去应力退火，焊缝热影响区存在较大的残余应力，盗油支管与焊帽根部的焊缝处为高应力区，焊接影响范围大约15 cm。

3 压力管道有限元计算

根据实验建立有限元模型，管道和盗油孔内壁施加压力，两端根据内压变化情况施加相应的均布拉力，对管体压力进行数值模拟实验。从压力p= 4 MPa时管道环向应力与Mises应力云纹图可以看出，离盗油孔较远的管体节点环向应力与理论解（180 MPa）相近。由于盗油孔及焊帽焊接后没有进行去应力退火，其局部存在较大的焊接残余应力，相比之下，管体螺旋焊缝去应力退火后残余应力很小。压力p=8 MPa时，盗油孔及焊帽根部较大部分区域的应力达到屈服极限，可见盗油孔及焊帽处的焊接残余应力对管道强度影响很大。

有限元计算所得现场实验的管道环向应力与Mises应力在远离两端边界和管体焊缝的节点环向应力值为175 MPa，与理论值（180 MPa）的误差为2.7%。取实验压力p=1.153 7 MPa，对此时的实验结果数据与相应有限元计算结果进行对比，轴向、环向、斜向及盗油孔周边共计45个测试点的结果表明，最大误差24.32%，最小误差0.62%，平均误差11.09%，说明本模拟方法具有较高的可靠性。

4 结论

焊接给输油管道带来较大的残余应力，其结果会导致管道的承压能力下降，容易发生管道爆管等重大事故，焊接残余应力数值模拟是确定焊接残余应力的有效方法之一。在参考已有焊接残余应力数值模拟研究的基础上，对盗油支管及修复焊帽焊接残余应力分布问题及其数值模拟方法进行了研究，得到了以下主要结论：

（1）计算模型的简化问题。焊接过程的数值模拟是多物理场耦合问题，可以简化为温度场和结构应力场的双场单向耦合；采用与温度相关的材料性质可以获得更符合实际的分析结果；焊缝区有限元网格划分必须足够密，以满足高梯度的温度场与应力场精度要求；焊接过程应力对材料热性能影响很小，适合采用顺序耦合的方法来实现热—应力场的耦合。

（2）根据现场实验和室外压力实验资料，运用ANSYS有限元分析软件对实验进行有限元数值模拟，理论分析结果与实验数据基本吻合，可说明有限元数值方法的可靠性，反过来也说明实验测试结果的准确性，测试数据对工程实际具有较好的参考价值。

（3）通过有限元数值模拟与理论结果进行对比分析得出，盗油孔及其修补焊帽的存在造成了局部应力集中，应力集中系数最高为2.05。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.007