基于有限元法的含凹陷油气管道应变分析

陈健++雷铮强等

摘要： 为对含凹陷的油气管道进行更合理的完整性评价，采用有限元法模拟管道在承受外部岩石挤压时的应变分布，讨论凹陷深度、管道壁厚和挤压体大小等参数对应变的影响.结果表明：在相同条件下，最大等效应变随凹陷深度增大而增大；在同样深度条件下，管壁较厚处的凹陷最大等效应变较大；挤压体半径越大，凹陷的轮廓越光滑，应变集中程度越小；管材等级对等效应变的影响很小.该方法和结论可用于改进凹陷评价方法和风险排序.

关键词： 油气管道； 凹陷； 完整性评价； 失效； 风险排序； 应变； 有限元法

中图分类号： TE88文献标志码： B

0引言管道是油气运输的主要手段，是我国能源输送的大动脉.截止到2013年底，我国长输油气管道总长度已达10.6万km，预计到2015年将达15万km.油气管道在我国国民经济建设中起重要作用.但是，长输油气管道压力高、管径大，一旦发生失效，会导致严重的后果.

凹陷是由于管道与其他物体的物理接触导致管道横截面发生变形，是长输油气管道的最常见缺陷之一.凹陷可能发生在管道施工期间，由搬运、回填过程中的碰撞或岩石障碍等原因导致；也可能发生在管道服役期间，由挖掘设备、岩石等外物的压砸等原因导致.凹陷对管道安全运行的影响表现在2个方面：一方面，凹陷会引起管体局部应力、应变集中，尤其当凹陷与裂纹、划伤或焊缝缺陷相关时，容易导致管道发生断裂失效；另一方面，凹陷缩减管道的有效内径，进而影响管内介质的输送，同时阻碍清管器和内检测器等设备在管中的正常运行，给管道的管理带来困难.因此，如何对含凹陷管道进行合理的完整性评价和有针对性的修复成为亟待解决的问题.

2基于有限元的凹陷应变分析

2.1有限元模型

对于实际的含凹陷管道，其应力、应变分布很难测量，而在有限元模拟中可以很方便地获得应力和应变等参数，有助于判断含凹陷管体的最危险位置，更好地研究管体的失效行为.对于管道凹陷的有限元模拟，其难点在于问题的非线性，同时需要考虑接触非线性、几何非线性和材料非线性.

本文以Φ720 mm的X70钢管道为主要研究对象，模拟管道在岩石挤压下的变形，重点分析等效应变的分布和最大值.对于管线钢的非线性应力应变关系，使用RambergOsgood本构模型描述.挤压岩石选用花岗岩的材料参数，由于挤压岩石相对于被挤压管道来说刚度要大得多，因此可以直接使用线性应力应变关系.模拟中使用的主要材料参数见表1.

材料密度/（kg/m3）弹性模量/GPa屈服强度/MPa抗拉强度/MPa

管材（X70）7.8206483570

岩石（花岗岩）2.6780

为更好地模拟被挤压管道的非线性行为，同时合理减少计算时间，使用高阶壳结构单元SHELL 281作为管体的单元类型，挤压岩石使用高阶实体结构单元SOLID 186.挤压岩石与管道之间的接触采用面面接触进行定义.由于被挤压管道刚度较低，将其定义为“目标面”，使用三维目标单元TARGE 170.挤压岩石刚度较大，将其定义为“接触面”，使用三维8节点接触单元CONTA 174.

最终划分的有限元网格见图2.由于被挤压管道仅在局部产生较大变形，所以只截取被挤压侧1/2管道进行建模.挤压岩石假定为球形，同样也只截取1/2建模.

2.2模拟结果和分析

图3给出Φ720 mm×8 mm的X70钢管道被4 mm半径球形岩石挤压出10%管道外径深度凹陷后的等效应变分布图，可以看到等效应变最大值出现在凹陷底部最深处，达到0.339，往外迅速减小，距离凹陷较远处应变很小.

表2给出Φ720 mm×8 mm的X70钢管道被4 mm半径球形岩石分别挤压出5%，10%，15%和20%管道外径深度凹陷后的模拟结果.在同样条件下等效应变最大值随着凹陷深度增大而增大，可见，在同样条件下，凹陷越深对管道完整性的影响越大.

表3给出壁厚分别为8，9和10 mm的Φ720 mm X70钢管道被4 mm半径球形岩石挤压出5%管道外径深度凹陷后的模拟结果，可见，在同样条件下等效应变最大值随着壁厚增大而增大.这是由于管道壁厚越大刚度越大，产生同样深度的凹陷实际应变集中程度越大.因此，在同样深度条件下，应优先修复壁厚较大处的凹陷.

表4给出Φ720 mm×8 mm的X70钢管道分别被4，8和10 mm半径球形岩石挤压出5%管道外径深度凹陷后的模拟结果，可见，在同样条件下等效应变随着挤压岩石的半径增大而减小.这是由于挤压岩石半径越大，凹陷的轮廓越平滑，应变集中程度也越小.因此，在同样深度条件下，应优先修复轴向长度或环向宽度较小的凹陷.

表5给出Φ720 mm×8 mm的X70和X52钢管道分别被4 mm半径球形岩石挤压出5%管道外径深度凹陷后的模拟结果.结果表明：两者的等效应变最大值非常接近，X70钢管道的结果稍大于X52钢管道的.这是由于被挤压管道的变形主要由刚度决定，不同等级管材的弹性模量相近，只是强度有所区别，因此，刚度相近，变形程度也相近.X70钢管道刚度略高，因此产生同样深度的凹陷实际应变集中程度略大.还需要指出：当管材为X52时，求解所需要的时间大幅度增加.这是由于单元刚度越低，非线性程度越大，为满足收敛条件进行迭代计算的次数也越多.因此，在使用有限元进行非线性分析时，经常会在合理的范围内人为提高刚度以减少计算时间.在凹陷等管体变形模拟中也可以视情况考虑使用这种做法.

3结论

针对油气管道凹陷评价问题，采用有限元法模拟管道在承受外部岩石挤压时的应变分布，讨论凹陷深度、管道壁厚和挤压体大小等参数对等效应变最大值的影响.研究结果表明：有限元模拟可以得到工程实际中难以测量的应力和应变等参数，有助于凹陷失效风险的评估.本文的分析方法和结论可用于验证和改进基于应变的凹陷评价方法，也对凹陷风险排序和制定修复计划提供指导.

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（编辑于杰）