外加钢套对含裂纹管道强度的影响

贺彦霖

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

外加钢套对含裂纹管道强度的影响

贺彦霖

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

在石油化工行业，管道输送是一些关键技术得以实施的重要环节。目前随着所用管材韧性的增加，延性断裂成为管道断裂的主要形式，为了防止管道裂纹的扩展,需要对管材上出现的未穿透裂纹进行局部修复，本文采用局部添加钢套的修复方式，并利用有限元分析软件，对添加钢套后的管道强度和安全进行分析，研究钢套的宽度、厚度对修复效果的影响。

管道；延性断裂；裂纹修复

随着温室效应的日渐严重，使得CCUS项目技术作为减少温室气体的重要方法已经成为全球研究的重点[1]，管道输送是该技术得以实现的重要环节。但是在役管道在运输、安装以及使用过程中往往都会造成不同程度的损伤，并成为安全隐患。且目前随着所用管材韧性的增加，延性断裂成为管道断裂的主要形式[2]，延性断裂一旦发生，可能会扩展十几米，其危害极大。因此预防管道的延性断裂成为许多专家学者关注的焦点。

本文以一段带有未穿透裂纹的管道作为研究对象，研究钢套结构及安装位置对裂纹扩展的影响。

1 几何模型建立及网格划分

如图1所示为添加裂纹后的管道模型，管道尺寸规格为508×12mm，管材为X80，屈服应力为551MPa[3]，管道中添加长半轴为50 mm，短半周为7mm的椭圆裂纹[4]。由于裂纹的短半径小于管材壁厚，所以裂纹为未穿透裂纹。

图1 几何模型

图2 隐藏钢套后网格模型

为了直观的观察到裂纹，图2为隐藏钢套后管道的网格划分模型。由于裂纹形状的不规则性，为了提高网格的划分质量，本文采用四面体网格划分，且在靠近裂纹的周围进行了网格加密，划分后的网格总数为178690。

2 裂纹扩展及强度分析判据

由于材料中存在的裂纹缺陷会使其周围产生高度的应力集中，而传统的设计无法用应力分量来度量裂纹的危险程度。因而，断裂力学使用可以表征裂纹尖端附近应力场的断裂参量来建立断裂判据，本文主要采用K判据[5]，该判据将材料的断裂韧性、应力水平、裂纹尺寸联系在一起，对于结构的设计、选材和检验提供了依据。

有限中求解应力强度因子的方程如式1所示：

(1)

式中：u为尖端区域的位移场，r为到尖端处的距离，μ为泊松比。若KI

(2)

3 施加载荷及结果分析

管道内壁施加12MPa的内压，通过计算，管道一端添加固定约束，另一端施加127MPa的轴向拉力，钢套两个端面限制轴向位移，在模型计算中激活大变形[6]。下面的各个分析中，边界条件一致。

通过计算，得到未加钢套修复前含未穿透裂纹管道的应力分布与应变分布分别如图3、图4表示。

图3 应力分布图

图4 应变分布图

从图3可以看出，最大等效应力与最小等效应力都位于裂纹处，其中最大等效应力高达10029MPa，远远高于管材X80的屈服应力，从强度方面来考虑，显然管道不安全。在不含裂纹的管壁上，管道应力分布均匀，约为340MPa，小于管材的屈服应力。靠近模型约束端的地方，应力较小，约为116MPa。从图4的总变形云图来看，裂纹及裂纹周围部分变性最大，最大变形达到0.727 mm，靠近添加固定约束端不发生变形，不含裂纹的管壁上变形均匀，约为0.36。且通过计算得出为添加钢套前的管道裂纹处的应力强度因子为 ，显然大于式2中所求得的临界应力强度因子，则裂纹或失稳扩展，管道不安全。综合上述分析，如果能控制裂纹的扩展则管道就可以处于安全状态。

3.1 钢套宽度对裂纹扩展及管道强度的影响

钢套的单位强度至少应等于管道的单位强度，所以确定钢套的最小厚度t与管壁相同为9mm。工程上，谨慎的做法是钢套的宽度一般不少于管径的50%[7]。此次模拟以钢套的宽度为变量，钢套宽度得中心线与裂纹长度得中心线重合。钢套宽度以80 mm为初始宽度，以20mm为增量，逐渐对称增加其宽度，以确定钢套宽度对裂纹扩展的影响。

通过有限元软件计算分析发现，发现添加了厚度为9 mm、宽度为80～300 mm的钢套之后，钢套与管道整体的等效应力小于管道屈服强度，应力强度因子KI小于材料的KIC，则管道在安装止裂器后裂纹不会失稳扩展，管道处于安全状态。得到钢套在不同宽度时的断裂强度因子，其折线图如图5所示。

图5 钢套宽度与应力强度因子的关系

从图5中可以看出，添加钢套后，应力强度因子最大为1160，明显比添加钢套之前减小；且钢套的厚度不变，随着钢套宽度的增加，裂纹处的应力强度因子也在逐渐减小。宽度为80 mm的钢套并未完全覆盖裂纹，但其应力强度因子明显小于安装钢套前的管道应力强度因子，所以即使钢套未完全覆盖裂纹，也可以起到防治裂纹扩展的作用。当钢套宽度大于100 mm后，钢套完全覆盖了裂纹。当钢套宽度增加到160 mm时，应力强度因子减小的幅度减小。

3.2 钢套厚度对裂纹扩展及管道强度的影响

从上述钢套厚度不变，研究钢套宽度对裂纹扩展的影响研究发现，在钢套宽度为160 mm之后，继续增加宽度，应力强度因子的下降趋势不大，即对裂纹扩展的影响变弱。所以，取钢套的宽度为160 mm，初始厚度为10 mm，以2 mm为增量，研究钢套宽度不变时，厚度对裂纹扩展的影响。

通过有限元软件计算分析发现，发现添加了宽度为160 mm、厚度为10～30 mm的钢套之后，钢套与管道整体的等效应力小于管道屈服强度，应力强度因子KI小于材料的KIC，则管道在安装止裂器后裂纹不会失稳扩展，管道处于安全状态。得到钢套在不同宽度时的断裂强度因子，其折线图如图6所示。

图6 钢套厚度与应力强度因子的关系

从图6中可以看出，添加钢套后，应力强度因子最大为750，明显比添加钢套之前减小；且钢套的厚度不变，随着钢套厚度的增加，裂纹处的应力强度因子也在逐渐减小，说明增加钢套的厚度可以防治裂纹的扩展，且从图中可以看出，当钢套的厚度增加到18mm后应力强度因子减小的幅度减小。尽管增加钢套厚度对裂纹扩展的改善效果明显优于增加宽度，但是随着钢套厚度的增加，钢套周围的应力分布也在缓慢增大，而过厚的钢套厚度容易造成局部应力集中的现象。

3.3 钢套位置对裂纹扩展及管道强度的影响

根据前面钢套的宽度和厚度对裂纹扩展的影响研究，发现对于本文中计算涉及到的裂纹，选用宽度为160 mm，厚度为18 mm的钢套，可以较好的防止裂纹的扩展。在该章节，以宽度为160 mm，厚度为80 mm的钢套为研究对象，分析钢套位置对裂纹扩展的影响。如图7为裂纹与钢套的位置关系，X为椭圆裂纹长轴中心线与钢套宽度中心线之间的距离，当两中心线重合时，X=0。

图8 钢套位置X与应力强度因子的关系

图中的椭圆裂纹的长半轴为50 mm，钢套宽度的一半为80 mm，即当X为130 mm时，钢套与裂纹完全分离。由图8可以看出，随着裂纹中心线与钢套宽度的中心线之间的距离增大，应力强度因子先是平稳增长，当X>130 mm后，应力强度因子迅速增大，当X>210 mm之后，应力强度因子增大的幅度减小，且其值逐渐接近未添加钢套之前的裂纹尖端处的应力强度因子。

4 结论

(1)钢套宽度为80 mm时未完全覆盖长度为100 mm的裂纹，而应力强度因子明显小于安装钢套前的管道应力强度因子，所以安装的钢套未完全覆盖裂纹也可以起到防治裂纹扩展的作用；

(2)在钢套完全覆盖裂纹之前，增加钢套的宽度，应力强度因子明显降低，即防止裂纹扩展的效果明显，在钢套完全覆盖之后，应力强度因子下降趋势较缓；

(3)增加钢套的厚度可以防止裂纹的扩展，且通过增加厚度控制裂纹扩展的效果明显优于增加钢套的控制效果。但是过厚的钢套厚度，容易造成管道局部的应力集中；

(4)当钢套宽度得中心线不与裂纹长度的中心线重合时，随着两中心线偏离的距离X增大，钢套对裂纹扩展的防止能力降低。在钢套与裂纹完全相离前，随着X的增大，钢套对裂纹扩展的防止能力逐渐降低；当钢套与裂纹完全相离后，钢套对裂纹的防止能力迅速降低；当相离的距离增加到一定程度后钢套对裂纹不再有防治扩展的作用。

[1] 宁雯宇，陈 磊，韩喜龙，等.CO2管道输送技术现状研究[J]．当代化工，2014(7)：1280-1282．

[2] 张希悉，汪 凤，范玉然.高钢级天然气长输管道止裂控制技术现状[J].油气储运，2014(8)：819-824.

[3] 陈福来. 输气管道延性断裂的止裂结构及韧性确定方法[J]. 压力容器，2006(7)：39-43.

[4] 张洪才，刘宪伟，孙长青.ANSYS Workbench14.5数值模拟工程实例解析[M].北京:机械工业出版社,2013.

[5] 董韶华.管道完整性技术与管理[M].北京:中国石化出版社，2007.

[6] (美)莫西特普尔.含杂质二氧化碳管道输送[M].赵 帅，张 建，李清方，译.北京:中国石化出版社，2014.

(本文文献格式：贺彦霖.外加钢套对含裂纹管道强度的影响[J].山东化工,2017,46(5):112-114.)

Intensity Analysis of the Pipe with Unpenetrated Crack After a Steel Jacket Added

HeYanlin

(Mechanical Engineering Institute,Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065,China)

In the petrochemical industry,pipeline is an important link for some key technologies to implement. The increase of the currently used as the pipe material toughness,ductility fracture become the main form of pipeline fracture,in order to prevent pipeline crack extension,the unpenetrated crack should be repaired locally. In this paper,we repaired the crack by adding steel jacket,and by using the finite element analysis software to analysis security and intensity of the pipe after adding steel jacket,and the effects on the width and thickness of steel jacket.

pipeline;ductility fracture;crack repairing

2017-02-07

贺彦霖(1991—)，女，陕西榆林人，硕士研究生，主要研究方向为化工过程机械。

TQ015.9

A

1008-021X(2017)05-0112-03