含缺陷X52油气管道裂纹扩展规律的研究方法探讨

闫生栋 杨新宇

摘 要：由于我国现役油气管道服役时间长，且存在腐蚀等缺陷，与滑坡等自然灾害共同作用时常导致管道事故的发生。以X52油气管道为研究对象，利用ABAQUS有限元分析软件，构建管道三点弯曲模型并进行数值模拟分析，计算缺陷周围的应力分布情况，研究缺陷位置分布、尺寸大小等对裂纹扩展的影响。提出了研究含缺陷管道的裂纹扩展一般规律的研究方法，且研究结论对于油气管道的建设与运行管理具有深远的意义。

关键词：X52油气管道;三点弯曲模型;数值模拟分析;裂纹扩展一般规律

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.29.114

0 引言

管道运输具有运输距离长、输量大、可以持续运行等优势，然而，管道运输前期投入大，服役期长，运行过程环境复杂，易受腐蚀、地质滑坡等影响产生裂纹和泄漏等现象，造成巨大的人员伤亡和财产损失。

由于含缺陷管线钢裂纹扩展规律的研究较少，本文提出了含缺陷X52管线钢在受外部载荷时裂纹扩展规律的研究方法，以管道表面缺陷的位置作为变量，利用ABAQUS有限元软件构建三点弯曲试验的数值模型，进行不同工况的数值模拟，得出含缺陷X52油气管道裂纹扩展规律。

1 2X52管线钢力学性能

X52管线钢钢板的屈服強度、抗拉强度、伸长率等力学性能数据见表1。

2 含缺陷X52管道有限元模型的建立

2.1 模型建立

管道模型长度为1000mm具体参数如表2所示。

参考《GB/T232-2010金属材料弯曲实验方法》，采用三点弯曲法对管道进行加载实验。底部支撑柱跨距为800mm，压采用位移控制，对管道施力。压头柱垂直向下运动的位移为100mm，如图1所示。

管道缺陷的布置包括两类：一类为三维的槽型缺陷，槽型缺陷的尺寸如表3所示。

另一类为二维的片状缺陷，尺寸如表4所示。

2.2 管道缺陷的布置

首先在无预制缺陷的情况下，进行三点弯曲实验的ABAQUS有限元数值模拟，管道应力应变云图如2、3、4所示。

根据无预制缺陷下的应力应变云图，可以确定预制缺陷的位置。缺陷布置在管道的内外表面，如图5所示，为拟布置缺陷的位置。

3 数值模拟分析的可行性

为了验证数值模拟方法的可行性，选取图5（a）中4号缺陷，研究缺陷附近的应力分布、进行“XFEM”分析、计算应力强度因子。

含内表面上部中轴处环向缺陷管道的应力云图如6、7所示。

如图6和7所示，管道上部受挤压处呈现明显的应力集中，管道内表面含缺陷处应力集中范围呈现“X”形，缺陷处有向两边张开的趋势。裂纹萌生点出现在管道上部内表面受压处附近，裂纹由裂纹萌生点沿管道轴向两侧扩展，裂纹扩展云图如图8和图9所示。

裂纹为Ⅰ型（张开型）裂纹，裂纹初始萌生时的Mises应力为347.334MPa，对数应变为0.0030931，裂纹未穿透管壁，左右两端裂纹长度分别为417.178mm和401.157mm。如图10所示。

应力强度因子曲线图，环向缺陷两端应力强度因子显著高于环向缺陷的中部，根据断裂力学的基本理论可推测，管道缺陷两端萌生裂纹，失效断裂的可能性要高于管道缺陷中部。

4 结论

通过该缺陷位置的数值模拟分析得到的数据和推论，可以认为利用ABAQUS有限元软件构建三点弯曲试验的数值模型，进行多工况的数值模拟，得到含缺陷X52管线钢在受外部载荷时裂纹扩展规律是可行的。

参考文献

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[2]付勇.海底管线断裂疲劳分析及软件开发[D].杭州：浙江大学，2015.