基于ANSYS的含局部减薄缺陷管道有限元分析

郑宇 ZHENG Yu

（榆林高新能研院工程技术有限公司，榆林 719000）

0 引言

管道在化工生产、医药生产、石油及天然气的开采运输等行业领域内，对油、气、水等流体物料的输送有着独一无二不可被替代的地位。管道在各行业领域使用过程中，往往会因为受外部力量冲击，输送具有腐蚀性介质，或暴露在腐蚀性环境下运行，均会不同程度上造成管道局部减薄，局部减薄是压力管道缺陷中常见的一种体积型缺陷，会导致压力管道的剩余强度、承载能力和安全可靠性急剧下降，还会使疲劳裂纹、管体变形、管内输送物料泄漏甚至管道爆破等情况的概率增大，使用寿命降低直至损坏失效[1]，甚至会导致不可预测的灾难性后果。人类社会日益迅猛发展的同时，无不注重对输送管道的防护以及未知危险的诊断和预测，以防造成输送管道的损坏从而引发事故，进而导致巨大的经济损失，甚至威胁到生命安全。笔者利用ANSYS有限元分析软件，采用控制变量法，通过改变圆形局部减薄缺陷的直径和深度考察它对管道剩余强度和等效应力的影响。

1 含局部减薄缺陷管道三维模型的建立

以某公司输油管道为研究对象，管道二维模型结构尺寸（如图1所示）参数为：管道的外径D1=508mm（半径R1=254mm），内径D2=488mm（半径R2=244mm），壁厚t=10mm，圆形局部减薄缺陷区直径为80mm，深度为3mm；因为管道模型是轴对称模型，作用于管道上的载荷也具有对称性，所以沿轴向截取含局部减薄缺陷管道的一半建模，利用SolidWorks软件建立含局部减薄缺陷管道三维模型。

2 含局部减薄缺陷管道有限元分析

2.1 含局部减薄缺陷管道有限元模型

根据管道二维模型结构尺寸，应用SolidWorks三维建模软件，绘制出含局部减薄缺陷管道三维立体模型，利用ANSYS有限元分析软件，将已建的三维立体模型导入到网格划分模块，为了防止网格密度过大而导致计算速度慢运算时间长，网格密度过小导致核心应力集中区域分析数据不准确，所以合理设置网格大小可以使运行计算快速有效，本文设置Esize=0.003m，自由划分网格，建立缺陷管道有限元模型如图2所示。管道材料选用碳素钢（20#钢），抗拉强度σb=517MPa，弹性模量E=190GPa，屈服强度σs=345MPa，泊松比μ=0.3；工作内压力为3MPa。

2.2 边界条件与载荷加载

压力管道受外压、内压及重力等载荷的影响，但外压和重力相对内压而言，影响非常小，可以忽略不计[2]。又由于缺陷管道结构是轴对称的，载荷也是轴对称的，因此可以将模型简化为轴对称模型[1]。对该管道模型进行有限元分析需明确边界条件并施加载荷，应在管道对称面施加对称约束，管道轴向端面施加位移约束且施加轴向平衡面载荷，管道内部与流体的接触面均施加静压力，其大小等于管道设计压力。

2.3 ANSYS屈服准则

一般习惯称ANSYS软件后处理中“Von Mises Stress”为Mises等效应力。Mises等效应力遵循材料力学第四强度理论，Miess屈服条件可表示为：

本文所研究的局部减薄缺陷管道所用材料为20#钢，遵循第四强度理论，结果与实际情况相符，所以在提取有限元软件ANSYS的应力均为Von Mises屈服准则下的等效应力[3]。

2.4 失效判定准则

外腐蚀缺陷压力管道失效准则是判定外腐蚀缺陷压力管道是否失效的理论根据，失效模式是决定外腐蚀缺陷压力管道的失效机理，通常埋地压力管道的主要失效模式是局部塑形失效，当外腐蚀管道缺陷区的等效应力σ大于管材的屈服强度σs时，判定外腐蚀管道失效[4]。外腐蚀管道在三维主应力空间中，其外腐蚀管道等效应力σ表示为：

上式中，σ1为x轴方向上的应力；σ2为y轴方向上的应力；σ3为z轴方向上的应力。

3 应用API 579准则验证有限元模型

对上述2所建含局部减薄缺陷管道有限元模型进行有限元应力分析，采用控制变量法，在缺陷参数保持不变的情况下，对含局部减薄缺陷管道内部分别施加不同大小的内压力，通过ANSYS软件分别进行应力分析，从而得出该含局部减薄缺陷管道的应力在不同内压力作用下的变化规律。

对该含局部减薄缺陷管道内部分别施加内压力，大小分别为5.3MPa、5.4MPa、5.5MPa、5.6MPa、5.7MPa、5.8MPa、5.9MPa、6.0MPa、6.1MPa，通过有限元应力分析模块运行计算，得出对应内压力下含局部减薄缺陷管道的最大等效应力，进而得出该含局部减薄缺陷管道的等效应力变化规律，如图3所示。

从图3可以看出，当缺陷管道的内压力为5.7MPa时的等效应力为343.4MPa，接近缺陷管道钢材的屈服强度345MPa，所以允许该含局部减薄缺陷管道所能承受的最大工作压力为5.7MPa；根据API 579准则计算出该含局部减薄缺陷管道最大允许工作压力4.4MPa，小于缺陷管道所能承受的最大工作压力5.7MPa，说明使用API 579准则判定缺陷管道剩余强度太保守，根据有限元分析得出该种含局部减薄缺陷管道的剩余强度为5.7MPa。从图3还可看出含局部减薄缺陷管道在不同内压力作用下等效应力的变化规律，当圆形局部减薄缺陷的直径与深度一定时，随着缺陷管道承受的内压力逐渐增大，缺陷管道所对应的等效应力逐渐增大。

4 含不同缺陷参数管道的剩余强度分析

本文讨论的含圆形局部减薄缺陷管道的剩余强度，关键的尺寸要素为圆形缺陷的直径和深度，采用控制变量法，分别改变缺陷直径、缺陷深度的大小，应用ANSYS软件对各个工况下含局部减薄缺陷管道进行有限元分析，考察缺陷直径与缺陷深度分别对管道剩余强度的影响。

4.1 缺陷深度

含局部减薄缺陷管道的缺陷直径为60mm，分别取缺陷深度为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm，通过ANSYS有限元分析，考察缺陷深度对缺陷管道剩余强度的影响。分析得出含局部减薄缺陷管道在不同缺陷深度下剩余强度的变化曲线如图4所示。从图4可以得出，在缺陷直径一定的情况下，当缺陷深度小于2mm时，随着缺陷深度的增加，缺陷管道的剩余强度逐渐减小且趋势平缓；当缺陷深度大于2mm时，随着缺陷深度的增加，缺陷管道的剩余强度继续减小且趋势逐渐迅猛。可见随着缺陷深度的增加，缺陷管道的剩余强度整体表现出下降趋势，下降的速度快慢受缺陷深度范围限制。

4.2 缺陷直径

含局部减薄缺陷管道的缺陷深度为3mm，分别取缺陷直 径 为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm，通过ANSYS有限元分析，考察缺陷直径对缺陷管道剩余强度的影响。分析得出含局部减薄缺陷管道在不同缺陷直径下剩余强度的变化曲线如图5所示。从图5可以得出，在缺陷深度一定的情况下，当缺陷直径小于60mm时，随着缺陷直径的增加，缺陷管道的剩余强度逐渐减小且趋势平缓；当缺陷直径大于60mm时，随着缺陷直径的增加，缺陷管道的剩余强度继续减小且趋势逐渐迅猛。可见随着缺陷直径的增加，缺陷管道的剩余强度整体表现出下降趋势，下降的速度快慢受缺陷直径范围限制。

5 含不同缺陷参数管道的等效应力分析

5.1 缺陷深度

含局部减薄缺陷管道承受内压力大小为5MPa，缺陷直径为70mm，分别取缺陷深度为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm，通过ANSYS有限元分析，考察缺陷深度对缺陷管道等效应力的影响。分析得出含局部减薄缺陷管道在不同缺陷深度下等效应力的变化曲线如图6所示。从图6可以得出，在内压力、缺陷直径一定的情况下，随着缺陷深度的增加，缺陷管道的等效应力逐渐增大且趋势逐渐迅猛。

5.2 缺陷直径

含局部减薄缺陷管道承受内压力大小为4.5MPa，缺陷深度为2.5mm，分别取缺陷直径为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm，通过ANSYS有限元分析，考察缺陷直径对缺陷管道等效应力的影响。分析得出含局部减薄缺陷管道在不同缺陷直径下等效应力的变化曲线如图7所示。从图7可以得出，在内压力、缺陷深度一定的情况下，当缺陷直径小于60mm时，随着缺陷直径的增加，缺陷管道的等效应力逐渐增大且趋势平缓；当缺陷直径大于60mm时，随着缺陷直径的增加，缺陷管道的等效应力继续增大且趋势逐渐迅猛。可见随着缺陷直径的增加，缺陷管道的等效应力整体表现出上升趋势，上升的速度快慢受缺陷直径范围限制。

6 结论

①采用有限元分析方法评价腐蚀管道的剩余强度，与应用API 579准则来评价相比较，有限元分析法更准确。

②在圆形局部减薄缺陷的直径、深度确定的情况下，随着缺陷管道施加的内压力逐渐增大，缺陷管道所对应的等效应力逐渐增大。

③在圆形局部减薄缺陷的直径确定的情况下，随着缺陷深度的增加，缺陷管道的剩余强度逐渐减小，减小的速度受缺陷深度范围限制。

④在圆形局部减薄缺陷的深度确定的情况下，随着缺陷直径的增加，缺陷管道的剩余强度逐渐减小，减小的速度受缺陷直径范围限制。

⑤当管道所受内压力一定，圆形缺陷的直径确定的情况下，随着缺陷深度的增加，缺陷管道的等效应力逐渐增大，且趋势逐渐迅猛。

⑥当管道所受内压力一定，圆形缺陷的深度确定的情况下，随着缺陷直径的增加，缺陷管道的等效应力逐渐增大，增大的速度受缺陷直径范围限制。