凹陷缺陷对输气管道强度的影响

李 根，李相蓉

（中石油西南油气田公司输气管理处，成都610041）

凹陷缺陷对输气管道强度的影响

李 根，李相蓉

（中石油西南油气田公司输气管理处，成都610041）

为了研究凹陷缺陷对输气管道强度的影响，以X70级φ610 mm×7.1 mm输气管道为例，通过有限元软件ANSYS针对凹陷缺陷对内压管道的受力状况进行了分析。分析结果表明，凹陷深度对内压管道承载能力影响最大。同时对不同距离的双重凹陷缺陷对内压天然气管道的峰值应力的影响规律进行了研究。研究结果表明，距离大于300mm的两个凹陷之间无相互作用。

有限元分析；凹陷；双凹陷；天然气管道

1 在役天然气管道状况

根据美国运输部门的报告，管道机械损伤是管道事故最主要的原因之一[1]。凹陷是机械损伤中最典型的形式。管道在运输、安装、服役过程中，容易造成凹陷缺陷，从而引起较大的弯曲应力，使管道的承载能力降低。除此之外，凹陷缺陷还有可能产生其他的缺陷，例如焊接缺陷、金属损失等，从而引起更大的应力集中。

中石油西南油气田公司输气管理处北内环支线于2008年5月建成投产，管道规格为φ610mm×7.1 mm，管道材质为X70管线钢，性能参数见表1。管线长度26.33 km，设计压力4.0 MPa，运行压力2.67 MPa，设计输气量600万m3/天，运行输气量为232万m3/天。该管线于2011年11月进行了漏磁检测，共发现多处凹陷特征，典型凹陷的三维尺寸见表2。对其中尺寸较大的凹陷缺陷进行开挖验证（如图1所示），输气管道上凹陷的深度约35 mm，长度约300 mm。

表1 X70管线钢性能参数

表2 X70级φ610 mm×7.1 mm管道凹陷的基础数据

图1 开挖验证管道的凹陷及尺寸

2 内压管道凹陷模型及边界条件

目前国内外尚未发布内压管道凹陷标准[2]，因此在对凹陷缺陷的判定中多采用经验公式，本研究采用弹塑性有限元法研究了凹陷缺陷对内压燃气管道强度的影响规律，从而更好地指导实际生产。

图2为相距一定距离的双凹陷管道有限元模型，管道的长度为1 m。为研究凹陷的三维尺寸对管道承载能力的影响，分别建立长度为100～500 mm、深度2～10 mm的凹陷模型[3-4]。本研究将椭球形的凹陷缺陷简化成圆形，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服强度 420 MPa。为保证计算精度，采用壳单元，通过实常数来体现管道的壁厚[5-9]，全局网格尺寸为0.01 m，网格数量约3万个。管道的两端施加对称边界条件如图3所示，同时在管道的内表面施加4 MPa的极限内压。双凹陷内压管道的边界条件与单凹陷类似。

图2 双凹陷管道有限元模型

图3 力学边界条件

3 应力分析结果

3.1 单凹陷的应力与凹陷三维尺寸的关系

单凹陷缺陷管道应力分析结果如图4所示。表3为单个凹陷应力与三维尺寸之间的关系。由表3可知，X70管道在4 MPa的极限内压下，尺寸为100 mm×100 mm×2 mm的凹陷引起的管道上的最大应力为281 MPa，小于材料的屈服强度，判定为安全；尺寸为500mm×100 mm×10 mm的凹陷缺陷引起的峰值应力为576MPa，大于材料的屈服强度420 MPa，应进行返修处理。

将表3中的不同尺寸的凹陷缺陷引起的应力值与材料的屈服强度比较可知，长度超过300 mm以及深度超过5 mm的凹陷都应进行返修处理。

图4 不同尺寸单凹陷缺陷管道应力云图

表3 单凹陷应力与缺陷三维尺寸之间的关系

由表3可知，凹陷长度为100 mm情况下，凹陷深度从2 mm增加到10 mm，等效应力增加了194 MPa；在凹陷深度为5 mm的情况下，凹陷长度从100 mm增加到500 mm，等效应力增加200 MPa。由此可知，凹陷深度对内压管道的承载能力的影响比凹陷长度的影响要大得多。在实际的安全评定工作中，应特别注意凹陷深度对压力管道承载能力的影响。

3.2 双凹陷的应力与凹陷尺寸、距离的关系

双凹陷缺陷管道应力分析结果如图5所示。表4为双凹陷缺陷处应力与凹陷三维尺寸、距离的关系。

图5 不同尺寸双凹陷缺陷管道应力云图（距离100 mm）

表4 双凹陷应力与缺陷三维尺寸、距离的关系

对比表4与表3可知，尺寸为100mm×10mm距离为100 mm的双凹陷，较同尺寸的单凹陷等效应力增加50 MPa。这是因为双凹陷引起的弯曲应力区域发生了重叠，导致管道的受力状况更加恶化。

当双凹陷之间的距离大于300 mm时，双凹陷缺陷引起的应力集中与单凹陷基本无异，由此可得出，当双凹陷之间的距离大于300 mm时，可对双凹陷进行单独的安全评定；当双凹陷之间的距离小于300 mm时，应将双凹陷复合成单凹陷来处理。

4 结论

本研究对X70输气压力管道的三维凹陷缺陷进行了受力分析，得出管道的凹陷深度对管道的强度影响最大，凹陷长度以及宽度对内压管道的强度影响相对较小。对于中石油西南油气田公司输气管理处北内环支线X70管道，单缺陷深度小于5 mm且长度小于100 mm可免于安全评定。同时发现距离大于300 mm的两个凹陷之间无应力重叠区域，可单独进行安全评定。距离小于300 mm的两个凹陷应合并为一个凹陷进行安全评定。本模型也可在调整参数后用于其他含凹陷缺陷管线的安全评定。

［1］MAXEY W A.Defect Behavior analysis Mode of out-sideforce damage to pipeline[J].Oil Gas Journal,1987（20）:33-35.

［2］李国成，刘仁桓.压力容器安全评定技术基础[M].北京：中国石化出版社，2007.

［3］伍颖，张鹏.管道中沟槽型凹痕缺陷破裂强度评估方法［J］.压力容器， 2009（4）： 45-47.

［4］伍颖，张鹏，刘武.凹痕管道疲劳寿命影响因素及其有限元分析［J］.石油天然气学报， 2008（3）:411-413.

［5］伍颖,张鹏,刘武,等.影响含有凹痕管道运行寿命的因素研究[J].管道技术与设备,2006,4（4）:31-33.

［6］博弈创作室.ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

［7］张立新，徐长航，陈江荣,等.ANSYS7.0基础教程[M].北京:机械工业出版社,2004.

［8］张乐乐，谭南林，焦风川.ANSYS辅助分析应用基础教程[M].北京:清华大学出版社,2006.

［9］易日.使用ANSYS6.0进行静力学分析[M].北京:北京大学出版社,2002.

Effects of Sunken Defects on the Strength of Gas Pipeline

LI Gen,LI Xiangrong
（Gas Transmission Management Division of PetroChina Southwest Oil&Gas filed Company,Chengdu 610041,China）

In this paper,in order to research the effect of sunken defects on the strength of gas pipeline,taking X70 grade φ610 mm×7.1 mm gas pipeline as example,the finite element software ANSYS was used to analyze the force condition on intrinsic pressure pipeline caused from sunken defects.The result showed that the effect of sunken depth on intrinsic pressure pipeline carrying capacity is maximum.In addition the influence rule of double sunken defects with different distances on intrinsic pressure gas pipeline peak stress was investigated.The result showed that no interaction exists between two sunken defects when the distance is greater than 300 mm.

finite element analysis;sunken;double sunken;gas pipeline

TE973

B

1001－3938（2015）10-0053-04

李 根(1986—)，男，硕士，主要从事油气管道安装工作。

2015-04-25

罗 刚