油气管道剩余强度有限元分析

王宏安

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营257017）



油气管道剩余强度有限元分析

王宏安

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营257017）

摘要：为了分析管道缺陷对管道剩余强度的影响程度，利用ANSYS软件建立了油气管道有限元模型，模拟了管道缺陷，分析了管道缺陷与管道剩余强度的关系，为管道检测与评价提供了参考。

关键词：油气管道；有限元法；剩余强度

油气管道作为油田重要的基础设施，在油、气、水等流体输送方面有着不可取代的优势，随着油气资源的开发，油气管道得到飞快发展，世界主要油气输送管道已超过260万公里。油气管道多数位于地下或海底，受内部介质、外部环境和意外等诸多因素影响会产生各类缺陷，油气管道产生缺陷后若不及时检测评价，可能发生破裂、泄漏甚至爆炸等事故，造成巨大的经济损失和环境污染。由于管道产生缺陷后，受各项条件限制不可能所有的管道进行更换或维修，因此需进行缺陷管道剩余强度分析，对管道做出评价。

目前世界各国从经济性和安全性角度考虑，提出了很多剩余管道强度的评价方法，很多都已写入规范，如ASME B31G、API 579、DNV RP-F101、SY/T 6477等，这些评价方法在油气管道行业中得到广泛的应用［1-3］，但是这种方法具有一定保守性，随着科技发展，借助有限元分析技术，能实现油气管道剩余强度更为精确的分析，因此本文利用ANSYS软件对管道缺陷参数与管道剩余强度关系进行分析。

1　有限元模型

管道实际腐蚀和结构十分复杂，对管道模型进行简化，不考虑管道介质温度和环境温度对管道的影响。管道在运行过程中承受的各种载荷，根据管道实际状况，载荷也有所差异。管道内压是管道所受到的主要载荷，对管道应力影响最大，计算中根据计算工况施加于管道内壁上。管道自重包含管道内介质、管道钢材、防护层的重量，相对于管道内压，载荷数值可以忽略不计，对于悬空管道来说其产生的应力和应变必须考虑，本文研究对象为埋地管道，因此管道自重不予考虑中。管道一般位于土壤中，土壤对管道压力分布在管道周围，由于管道埋深较浅，压力较小，本文中也不予考虑。

管道材质选用X52钢管，屈服强度360 MPa，管道外径457 mm，管道壁厚14 mm，管道缺陷位于管道外壁上，选用Solid45单元模拟管道，采用扫略方法划分网格，缺陷附近区域的网格进行细化，网格划分如图1所示，计算不同缺陷尺寸下管道等效应力，等效应力云图如图2所示。通过等效应力分析确定管道剩余强度，等效应力越大，管道剩余强度越小，管道就越可能出现失效。

图1　缺陷管道有限元模型

图2　缺陷管道应力云图

2　计算结果与分析

2.1缺陷深度对管道剩余强度的影响

定义缺陷长度方向为管道轴向方向，缺陷宽度方向为管道圆周方向，缺陷深度为管道截面径向方向。管道壁厚t为14 mm，管道内压4 MPa、6 MPa、8 MPa，建立管道缺陷，缺陷长2t，缺陷宽2t，缺陷深度从10%t到90%t.提取不同缺陷深度下的管道的最大等效应力，如图3所示，横坐标为管道深度与管道壁厚的比值，纵坐标为最大等效应力。

图3　不同缺陷深度管道的最大等效应力曲线

由图3可以看出，当缺陷长度和宽度不变时，缺陷管道最大等效应力整体趋势随着缺陷深度增加而增加，而且增加的速度逐渐增加，增加越来越剧烈；当缺陷深度相同时，缺陷管道最大等效应力随着内部压力增加而增大，基本呈线性关系。从剩余强度角度来说，管道的剩余强度随着缺陷深度的增加而减小，且减小的幅度越来越大，说明缺陷深度对管道强度的影响越来越大，同时管道剩余强度随着管道内压的增加而减小。

2.2缺陷长度对管道剩余强度的影响

建立管道缺陷，管道壁厚t为14 mm，管道内压4 MPa、6 MPa、8 MPa，缺陷深度50%t，缺陷宽度1t，缺陷长度从1t到8t.提取不同缺陷长度下的管道的最大等效应力，如图4所示，横坐标为管道长度与管道壁厚的比值，纵坐标为最大等效应力。

图4　不同缺陷长度管道的最大等效应力曲线

由图4可以看出，当缺陷深度和宽度不变时，管道最大等效应力随着缺陷长度增加而增大，并且随着缺陷长度的增加最大等效应力增加速度减低；缺陷长度相同时，管道最大等效应力随着管道内压增大而增大。对于剩余强度，管道的剩余强度随着缺陷长度增加而减小，并且随着缺陷长度的增加，剩余强度减小的速率也在减小，说明缺陷长度对管道剩余强度影响程度越来越小。

2.3缺陷宽度对管道剩余强度的影响

建立管道缺陷，管道壁厚t为14 mm，管道内压4 MPa、6 MPa、8 MPa，缺陷深度50%t，缺陷长度1t，缺陷宽度从1t到8t.提取不同缺陷宽度下的管道的最大等效应力，如图5所示，横坐标为管道宽度与管道壁厚的比值，纵坐标为最大等效应力。

图5　不同缺陷宽度管道的最大等效应力曲线

由图5可以看出，当缺陷深度和长度不变时，管道最大等效应力随着缺陷宽度增加而减小，并且减小的幅度越来越小，趋于平缓，当缺陷宽度大于3t时，最大等效应力变化基本可以忽略；缺陷宽度相同时，管道最大等效应力随着管道内压增大而增大。换算成剩余强度，管道剩余强度随着缺陷宽度的增加而增加，当缺陷宽度大于3t后，剩余强度变化不明显，说明缺陷宽度在一定范围内对于管道剩余强度有影响，当缺陷宽度大于一定值后对剩余强度的影响微弱。

3　结束语

通过对不同缺陷尺寸下管道等效应力分析，发现当缺陷深度增大时，管道剩余强度变小，随着缺陷深度增加剩余强度变化更加剧烈，缺陷深度对管道剩余强度的影响越大。缺陷长度和缺陷宽度对管道剩余强度有着或增加或减小的影响，相对于缺陷深度，影响的程度随着尺寸的增加越来越小。因此，缺陷深度是影响管道剩余强度的主要因素，在管道检测与评价过程中，缺陷深度应该是关注的重点。

参考文献：

［1］蔡文军，陈国明，潘东民，等.腐蚀管线剩余强度评估的研究进展［J］.石油机械，1999，27（11）:51-53，4.

［2］崔钺.含内腐蚀缺陷高强钢输气管道剩余强度的评估方法研究［D］.北京：北京交通大学，2015.

［3］高建华.油气管道腐蚀后剩余强度的评价研究［D］.大庆：东北石油大学，2013.

Finite Element Analysis on Residual Strength of Oil and Gas Pipeline

WANG Hong-an
（Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Engineering Company Sinopec Group，Dongying Shandong 257017，China）

Abstract：In order to analysis the influence degree of pipeline defect，a finite element model of oil and gas pipeline is built by ANSYS program.Pipeline defect has been simulated，and the relationship between defect and residual strength was analyzed，and provide reference for pipeline evaluation and detection.

Key words：pipeline；finite element method；residual strength

文献标识码：中国分类号：TE998.2A

文章编号：1672-545X（2016）03-0042-02

收稿日期：2015-12-28

基金项目：国家“863”项目“海底管道缺陷内检测技术与装备工程化研究”资助（2011AA090301）

作者简介：王宏安（1981-），男，陕西省凤翔县人，硕士，工程师，研究方向：海洋工程装备与技术研究。