含矩形腐蚀缺陷管道剩余强度的有限元分析

2020-09-09王战辉马向荣党睿

当代化工 2020年8期

王战辉马向荣党睿

摘要：为了提高油气管道剩余强度的准确性，以常用的X70管线钢为研究对象，借助ANSYS工具，首先考察缺陷尺寸如缺陷长度和缺陷宽度对等效应力的影响，其次考察了内压对等效应力和等效应变的影响，并基于应力和应变进行剩余强度的拟合。结果表明：随着缺陷长度、缺陷深度和内压的增加，最大等效应力呈增加的趋势，内压和等效应力基本呈正比例关系;随着缺陷宽度的增加，最大等效应力呈减小的趋势;通过线性拟合得到了基于应力和应变的剩余强度求解算法，其中，基于应力的剩余强度求解算法下降速度高于基于应变的剩余强度求解算法。所得结论对管线钢剩余强度的计算有一定的借鉴意义。

关键词：剩余强度;腐蚀缺陷;等效应力;拟合

中图分类号：TQ 050.9 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）08-1715-04

Abstract： In order to improve the accuracy of residual strength analysis of oil and gas pipelines， taking common X70 pipeline steel with the rectangular defect as the investigation object， the influence of defect size， such as defect length and defect width， on the equivalent stress and equivalent strain was firstly investigated by using ANSYS finite element software. Then， the effect of internal pressure on the equivalent stress and equivalent strain was investigated， and residual strength was fitted based on the stress and strain. The results showed that， with the increase of defect length， defect depth and internal pressure， the maximum equivalent stress increased， and the equivalent stress was basically proportional to the internal pressure; with the increase of defect width， the maximum equivalent stress decreased; through linear fitting， the residual strength algorithm based on the stress and strain was obtained Among them， the descent speed of residual strength algorithm based on the stress was faster than that based on the strain. The conclusion can provide some reference in the calculation of residual strength of pipeline steel.

Key words： Residual strength; Corrosion defect; Equivalent stress; Fitting.

隨着经济的发展和社会的进步，化工产业在任何一个国家都占很大的比重，小到日用品，大到交通运输工具，都离不开化工行业的发展，化工行业和人的日常生活联系越来越紧密[1]。石油天然气作为化工行业的重要能源，在中国分布及其不均匀，西北地区石油天然气储存量丰富，但是经济欠发达，东南沿海城市经济发达，但是缺乏能源，因此，需要将石油天然气进行长距离输送[2]。传统的油气输送工具是管道运输，管道一般深埋地下，因此容易受到土壤腐蚀，而且管道内部介质对管道也会进行腐蚀。事故是石油天然气行业永恒的痛点，油气资源管道传输路线长，不可避免的与空气、土壤、水等腐蚀环境接触，发生腐蚀事故，引起大量资源损失[3]。多种形式的腐蚀会产生各种形状的腐蚀缺陷，最后会使管道有效壁厚减薄，壁厚是管道承压能力的重要指标，油气管道内部一般含有压力，因此，壁厚减薄会使管道承压能力下降，容易发生强度破坏，影响其使用寿命，更严重者，可能会使管道发生泄漏，一旦发生，轻则设施财产受损，重则造成人员伤亡及环境污染[4]。

目前，由腐蚀引起的管道破坏事故呈逐年增加的趋势，剩余强度表示管道的承压能力，腐蚀缺陷会对管道剩余强度产生很大的影响，进而影响管道使用寿命和服役条件[5-7]。因此，许多高校和国外科研机构都对腐蚀缺陷进行了一系列的研究工作，关于剩余强度提出了很多的标准，但是这些标准都有一定的使用条件，进而使其计算结果准确性不能达到保证，有一定的局限性[8]。为了提高油气管道剩余强度的准确性，以常用的X70管线钢为研究对象，借助ANSYS工具，首先考察缺陷尺寸如缺陷长度和缺陷宽度对等效应力的影响，其次考察了内压对等效应力和等效应变的影响，并基于应力和应变进行剩余强度的拟合，所得结论对于油气管道剩余强度的求解有一定的参考价值。

1 有限元分析过程

1.1 物性条件及结构参数

以X70管线钢为研究目标，其屈服强度σs为485 MPa，抗拉强度σb为570 MPa，弹性模量E为206 GPa，泊松比μ为0.3。结构参数为管道长度L为1 500 mm，外径D为300 mm，内径为270 mm，壁厚t为15 mm。所研究腐蚀缺陷形式为矩形腐蚀缺陷，缺陷长度为100 mm，缺陷宽度为50 mm。内压为8MPa。考虑所建模型的几何对称性和载荷对称性，选取管道几何形状的一半进行建模，所建模型如图1所示。

1.2 载荷及位移约束

缺陷管道在实际运行当中，除了承受内压作用外，还要承受外压载荷、风载荷、地震载荷等作用，但是，其他载荷与内压载荷进行比较，其影响效果可以忽略不记，因此，只考虑内压的影响。借助模型管道的几何对称性，约束其对称面Y轴方向和Z轴方向的位移，对管道内表面施加内压载荷p[9]。

1.3 失效判斷准则

利用基于弹性失效设计准则来判断管道是否发生强度失效。即当含缺陷管道最大等效应力达到或超过屈服强度时，认为管道失效，当内压增大到最大等效应力等于屈服强度时，此时的内压载荷就称为剩余强度[10]。

2 有限元分析结果

首先考察缺陷尺寸如缺陷长度和缺陷宽度对等效应力的影响，其次考察了内压对等效应力和等效应变的影响，并基于应力和应变进行剩余强度的拟合。

2.1 缺陷长度对等效应力的影响

保持矩形缺陷宽度50 mm不变，缺陷深度分别为1/6t、1/4t、1/3t、5/12t、1/2t，缺陷长度分别取50、60、70、80、90、100 mm，考察不同缺陷深度下，缺陷长度对等效应力的影响如图2所示。可以得到，在缺陷深度相同的情况下，最大等效应力与缺陷长度的变化趋势一致;在同一缺陷长度下，最大等效应力随缺陷深度的增加而增大。缺陷长度从50到100 mm时，等效应力变化最大的是缺陷深度为1/2t时，变化量为34.12 MPa，而缺陷长度为100 mm时，深度从1/6t到1/2t等效应力变化量为54.27 MPa，由等效应力变化量得到如下结论：缺陷深度对等效应力的影响程度比缺陷长度要大。

2.2 缺陷宽度对等效应力的影响

保持矩形缺陷长度100 mm不变，缺陷深度分别为1/6t、1/4t、1/3t、5/12t、1/2t，缺陷宽度分别取50、60、70、80、90、100，考察不同缺陷深度下，缺陷宽度对等效应力的影响如图3所示。

可以得到，在缺陷深度相同的情况下，最大等效应力与缺陷宽度的变化趋势相反;在同一缺陷宽度下，最大等效应力随缺陷深度的增加而增大。缺陷宽度从50到100 mm时，等效应力变化最大的是缺陷深度为1/2t时，变化量为28.01 MPa，而缺陷宽度为100 mm时，深度从1/6t到1/2t等效应力变化了38.51 MPa，远远大于缺陷宽度所引起的等效应力变化量，可以得出，与缺陷宽度相比，缺陷深度对等效应力的影响程度更大。

2.3 内压对等效应力和等效应变的影响

保持矩形缺陷长度100 mm，缺陷宽度50 mm不变，缺陷深度分别为1/6t、1/4t、1/3t、5/12t、1/2t，内压分别取1、2、4、8、16 MPa，考察内压对等效应力和等效应变的影响如图4和图5所示。

可以得到，在同一缺陷深度下，等效应力和等效应变均随内压的增加而增大，基本呈正比例关系。这与理论情况下基本上是相符的，在缺陷尺寸保持不变的情况下，最大等效应力的大小只与内压有关系，随着内压的增大而增大，此时的最大等效应力数值上要大于薄膜应力。在内压p的增加过程中，最大等效应力随之增加，如果最大等效应力超过了屈服极限，此时的内压就称为剩余强度，对于管线钢来说，剩余强度是一个非常重要的参数，它表示钢材的承压能力，如果内压超过剩余强度，此时最大等效应力超过屈服强度，钢材就发生强度失效，因此，通常情况下，钢材剩余强度越高越好。最大等效应力和最大等效应变均与内压呈线性关系，因此，可借助origin软件对该曲线进行拟合求出剩余强度。

3 基于应变和应力求解剩余强度

3.1 基于应力的剩余强度求解

5种不同深度腐蚀缺陷最大等效应力和内部压力成线性关系，因此，考虑采用线性拟合的方法得出最大等效应力和内压的关系，拟合结果如图6和表1所示。

通过对上述5点进行拟合可以得到基于等效应力的剩余强度计算公式： p=40.149-38.307d/t，相关性R2=0.971 11。可以看出，剩余强度与d/t呈线性关系。

3.2 基于应变的剩余强度求解

五种不同深度腐蚀缺陷最大等效应变和内部压力成线性关系，拟合结果如图7和表2所示。

通过对上述5点进行拟合可以得到基于等效应力的剩余强度计算公式： p=49.134 6-46.134 6d/t，相关性R2=0.949 7。可以看出，剩余强度与d/t呈线性关系。综合比较上述两种求解方法，基于应力的求解方法下降速度高于基于应变的求解方法。

4 结论

1）最大等效应力与缺陷长度、缺陷深度的变化趋势一致;最大等效应力与缺陷宽度的变化趋势相反;缺陷深度对等效应力的影响程度比缺陷长度和缺陷宽度要大。

2）等效应力和等效应变均随内压的增加而增大，基本呈正比例关系。

3）通过线性拟合得到了基于应力的剩余强度求解方法和基于应变的剩余强度求解方法，基于应力的求解方法下降速度高于基于应变的求解方法。

参考文献：