基于有限元的内压载荷管道应力研究

2020-08-11张光源盛小明苏州大学机电工程学院江苏苏州215006

工程建设与设计 2020年14期

张光源，盛小明（苏州大学机电工程学院，江苏苏州215006）

1 油气管道应力分析

为了减小计算时间和规模，选取一段腐蚀管道建立模型[1]。一般大部分都采用粗放网格。被腐蚀处的应力和变形一般较大，为保证计算精度和准确度，腐蚀处的网格划分应更精确。网格质量和模型计算时间会对模型的求解精度产生一定的影响。网格划分密集，计算时间越长；网格划分稀疏，模拟结果误差越大。要科学地对模型进行网格划分，提前确定网格大小，以便在计算时间和结果精度上取得平衡。

1.1 管道腐蚀模型的建立

选取L415型管道来建立ANSYS模型，管道腐蚀缺陷的形状为圆柱面的缺陷。表1是L415型管道模型参数。

取厚度8mm，管道直径406mm，长度为1 000mm，腐蚀区域（150mm×30mm×2mm）的管道进行模拟。可以看到，在ANSYS中腐蚀缺陷的地方网格应密集，其他地方网格可以比较稀疏。

表1腐蚀管道参数

1.2 管道边缘分析

油气管道一般受到内压载荷、弯矩等应力的作用，本文为便于计算，只分析管道的内压[2]。由于管道长度比较长，远远超过管道直径，应力分析对直径影响不大，可以设置管道轴向位移为零。

1.3 模型加载和结果分析

管道内部压力取值为7MPa，将各类参数和管道受到的工况情况输入进行建模，输入参数后形成管道模拟形态。

腐蚀管道最大Von Mises（米塞斯）应力出现在腐蚀中心处和连接的地方，腐蚀处的应力比没有腐蚀处大很多，没有腐蚀处应力比较小。

2 最终计算参数分析

为深入研究腐蚀的长度、宽度和深度3方面对油气管道最大等效应力的影响，取不同的腐蚀长度、宽度、深度进行研究计算，选取腐蚀长度分别为100～250mm（间隔50mm）4种腐蚀长度，腐蚀宽度分别为20°、30°、40°（假定腐蚀为沿管道内表面或外表面呈弧形分布，为便于建模及有限元分析，以管道切面为圆心，以扇形切面的角度来表示腐蚀宽度大小），而腐蚀深度分别为2mm、4mm和6mm。

2.1 外腐蚀管道的参数分析

取油气管道直径406mm，壁厚8mm，长度为1 000mm，采用深度不变，取腐蚀宽度为20°～40°（间隔10°），分析外腐蚀管道在内压载荷7MPa下的应力情况，如表2所示。

表2管道外腐蚀长、宽、深最大等效应力分析表

从图1和图2可知，管道外腐蚀处最大等效应力与腐蚀长度的变化越来越接近，最终趋于一个固定值，即当长度足够长时，最大等效应力已经没有太大变化，变为稳定。从图1可以看出，当不同宽度的情况下，应力相差不大，即宽度对于腐蚀应力的影响不大。最大等效应力同腐蚀长度变化稍缓，增加幅度小；腐蚀深度深，最大等效应力随长度增大，曲线变化快。腐蚀宽度影响作用比较小，但两者关系变化与长度一样。

图1外腐蚀管道在不同腐蚀宽度情况下的应力

图2外腐蚀管道在不同腐蚀深度情况下的应力

2.2 内腐蚀管道的参数分析

取油气管道直径406mm，壁厚8mm，长为1 000mm，在管道受到外腐蚀的情况下进行管道应力分析，研究内压载荷情况下管道在内部压力7MPa下的应力情况，如表3所示。

从图3和图4中可知，内部腐蚀管道和外部腐蚀管道的最大等效应力同整个管道的尺寸变化不大。整个腐蚀管道的腐蚀处长度和深度更加重要，腐蚀宽度对管道应力的影响较小。腐蚀处最大等效应力慢慢变大，达到一定范围时，应力的变化趋于稳定，可以视为固定值。腐蚀处的深度对的应力影响很大。深度较小，最大等效应力随腐蚀长度的幅度变化较慢，增大幅度较小；当腐蚀深度较深时，最大等效应力随长度的变化增大，会出现突变的情况。内腐蚀和外腐蚀影响基本一样，相同情况下管道的外部腐蚀要特别注意，管道维护施工时要注意加强保护。

表3管道内部腐蚀长、宽、深最大等效应力分析表

图3内腐蚀管道在不同腐蚀宽度作用下的应力

图4内腐蚀管道在不同腐蚀深度情况下的应力

3 实验验证

3.1 管道检测内容

本次检测内容主要包括管道外防腐层质量状况检测、管道阴极保护有效性评价、杂散电流干扰方面，并在此基础上选择局部管段进行直接开挖检测、调查防腐层状况和管体的腐蚀情况，测试土壤腐蚀性，根据实际情况分析。

3.2 管道检测情况

选取API X60成品油管道其中2个检测位置点，管道检测基本参数如表4所示，发现壁厚基本为7～8mm，且腐蚀基本发生在成品油管道外部，即管道壁厚的腐蚀小于1mm。根据GB 50253—2014《输油管道工程设计规范》应力校核准则进行校核，在设计压力7 MPa作用下各节点应力能通过标准规定的应力校核准则，在最大操作压力下运行时，符合规范要求。