管道小尺寸缺陷损伤的仿真模拟研究

管道小尺寸缺陷损伤的仿真模拟研究
孟庆武;于心泷;叶卫东;万家瑰
【摘要】为了分析评价小尺寸缺陷形态对大口径管道承压能力的影响,利用ANSYS有限元法对承受一定内压力的带有小尺寸缺陷的管道应力水平进行了模拟分析,计算分析结果表明:随着缺陷长度的增加、缺陷宽度的减小或者缺陷深度的增加,管体的最大应力值增加,缺陷深度的影响程度远大于缺陷长度和宽度,而且缺陷长度顺着管道轴向方向分布时的管体应力值最大.
【期刊名称】《化工设备与管道》
【年(卷),期】2011(000)004
【总页数】3页(P43-45)
【关键词】管道;小尺寸缺陷;承压能力;ANSYS;有限元
【作者】孟庆武;于心泷;叶卫东;万家瑰
【作者单位】东北石油大学,黑龙江大庆163318;东北石油大学,黑龙江大庆163318;东北石油大学,黑龙江大庆163318;东北石油大学,黑龙江大庆163318
【正文语种】中文
【中图分类】TQ055.8+1;TH140
随着输油和输气管道投产运行年限的增加，大口径管道的管体腐蚀程度不断加剧［1-3］。

对于大面积腐蚀缺陷和整体均匀腐蚀来说，相关的管道检测和评估标准以及一些工程应用积累的经验公式可以比较准确地计算出管道的承压能力［4-7］。

而对于小面积的腐蚀缺陷和施工损伤缺陷，缺陷的尺寸变化以及形态取向对于管道
承压能力的影响有待于进一步研究［8-10］。

本文以377 mm大口径管道为例，建立模拟小尺寸缺陷形态的有限元模型，计算分析小尺寸缺陷对管道承压能力的影响，为大口径管道的运行和修复提供工程参考，并为管道的完整性评价提供指导。

以常用大口径管道为研究样本。

管道材质为API 5L X52，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3。

管道外径377 mm，管道壁厚6.4 mm，管道设计压力6.4 MPa。

大口径管道本体建模为一个圆筒体，管道承受内部输送介质的压力作用，在管道模型内壁施加内压力。

由于输油管道的长度远远大于其直径，考虑带缺陷管段没有轴向位移，在管段模型的两端施加全约束。

考虑到管道外壁的小尺寸缺陷多数为腐蚀坑，腐蚀坑的形态特点为中间区域较深而到边缘逐渐变浅的椭球坑，因此，在管道模型外壁上建立出椭球长轴与管线轴线方向成一定角度的椭球坑模型，如图1所示。

椭球坑的长轴、短轴以及切入壁厚深度分别对应实际腐蚀坑的长度、宽度和深度。

2.1 不同缺陷长度的管道承压能力
建立缺陷深度2 mm、宽度25 mm、不同缺陷长度的管道模型，计算承受管线设计压力6.4 MPa作用时管体所产生的应力值，分析应力值随缺陷长度的变化规律。

分别计算缺陷长度为28 mm、56 mm、84 mm、112 mm的管体应力状态，管
体应力分布如图2所示，不同缺陷长度下的管体最大应力值如表1所示。

可以看出，随着缺陷长度的增加，管体最大应力值增加，而且，随着缺陷长度的增加，管体最大应力值增大的幅度逐渐变小。

2.2 不同缺陷宽度的管道承压能力
建立缺陷深度4 mm、缺陷长度30 mm、不同缺陷宽度的管道模型，计算承受管线设计压力6.4 MPa作用时管线所产生的应力值，分析应力值随缺陷宽度的变化
规律。

分别计算缺陷宽度为15 mm、20 mm、30 mm、40 mm的管体应力状态，管体应力分布如图3所示，不同缺陷宽度下的管体最大应力值如表2所示。

可以
看出，随着缺陷宽度的增加，管体最大应力值逐渐减小，而且，随着缺陷宽度的增加，最大应力值减小的幅度逐渐变小。

2.3 不同缺陷深度的管道承压能力
建立缺陷宽度30 mm、缺陷长度20 mm、不同缺陷深度的管道模型，计算承受
管线设计压力6.4 MPa作用时管线所产生的应力值，分析应力值随缺陷深度的变
化规律。

分别计算缺陷深度为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm的管体应力状态，
管体应力分布如图4所示，不同缺陷深度下的管体最大应力值如表3所示。

可以
看出，随着缺陷深度的增加，管体最大应力值增大，而且增加的幅度越来越大。

与缺陷长度和宽度相比，缺陷深度对管体最大应力的影响程度远大于缺陷长度和宽度。

建立缺陷深度2 mm、宽度25 mm、缺陷长度50 mm椭球坑长轴与管线轴线成
不同夹角的缺陷模型，计算承受管线设计压力6.4 MPa作用时不同取向缺陷处管
体所产生的应力值，分析应力值随不同取向缺陷的变化规律。

分别计算缺陷方向与管体轴线夹角为0°、15°、30°、45°、60°、70°、80°、90°
的管体应力状态，管体应力分布如图5所示，管体最大应力值如表4所示。

可以
看出，在不同的取向上，相同大小的缺陷坑的管体应力值不同。

当椭球坑长轴沿着管道轴向方向分布时的管体应力值最大，达到403 MPa;当椭球坑长轴与管道轴向方向垂直时的管体应力值最小，仅为299 MPa。

(1)带有小尺寸缺陷的管体承压能力，随着缺陷轴向长度的增加或者随着缺陷环向
宽度的减小，管体的最大应力值增大，但增大的幅度较小。

(2)随着小尺寸缺陷深度的增加，管体的最大应力值增大，而且缺陷深度对管体最
大应力的影响程度远大于缺陷长度和宽度。

(3)相同大小的缺陷由于方位取向的不同，导致管体的应力值不同，缺陷长度顺着
管道轴向方向分布时的管体应力值最大。

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