含体积型缺陷管线表面应力应变状态的有限元模型分析及试验验证

合集下载

BI@ZIF-8

表面技术第53卷第8期轴向应变作用下含腐蚀缺陷X80管道氢渗透的有限元分析刘韦辰1,2，韦博鑫1,2*，尹航1,2，许进1,2，于长坤1，孙成1,2（1.中国科学院金属研究所辽宁沈阳土壤大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，沈阳 110016；2.中国科学技术大学材料科学与工程学院，沈阳 110016）摘要：目的研究在役天然气管道掺氢输送条件下氢原子在管道腐蚀缺陷处的扩散和分布情况及应变对腐蚀缺陷处氢扩散行为的影响。

方法利用COMSOL软件，将固体力学模型和扩散模型相结合，建立了基于有限元的氢原子扩散渗透模型，研究了在纵向拉伸应变作用下X80钢制管道不同尺寸腐蚀缺陷处氢原子的分布情况。

结果在没有拉伸应变的情况下，氢原子一旦进入管道内，在浓度梯度的驱动下，沿径向梯度扩散到管道内。

当在管道上施加应变时，氢原子的扩散受到静水应力的驱动。

氢原子在腐蚀缺陷处的最大浓度超过了进入管道的氢原子初始浓度。

结论氢原子在腐蚀缺陷处聚集。

此外，施加的拉伸应变也影响氢原子聚集的位置，随着缺陷长度的减小和深度的增大，在内壁腐蚀缺陷处，更多的氢原子会集中在缺陷中心和尖端。

关键词：X80管道；氢扩散；腐蚀缺陷；应变；有限元模拟；点蚀中图分类号：TE832 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)08-0084-09DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.08.008Finite Element Analysis of Hydrogen Permeation in X80Pipeline with Corrosion Defects under Axial StrainLIU Weichen1,2, WEI Boxin1,2*, YIN Hang1,2, XU Jin1,2, YU Changkun1, SUN Cheng1,2(1. Liaoning Shenyang Soil and Atmosphere Corrosion of Material National Observation and Research Station,Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2. School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Shenyang 110016, China)ABSTRACT: One potential issue in using existing natural gas pipelines to transport hydrogen in the form of hydrogen blending natural gas is hydrogen damage of high-strength pipeline steel. The hydrogen damage of pipelines is closely related to the diffusion and trapping of hydrogen atoms in pipeline steel. The diffusion and distribution of hydrogen atoms at corrosion defects in in-service natural gas pipelines under the condition of hydrogen blending transportation, and the effect of strain on hydrogen diffusion behavior at corrosion defects are unclear. In this paper, a hydrogen atoms diffusion model was established based on the finite element method by COMSOL software to combine the solid mechanics model and the diffusion model. The distribution of收稿日期：2023-05-31；修订日期：2023-09-26Received：2023-05-31；Revised：2023-09-26基金项目：国家自然科学基金（51871228）；中国科学院金属研究所创新基金（2023-PY12）Fund：National Natural Science Foundation of China (51871228); Innovation Fund of Institute of Metals Research, Chinese Academy of Sciences (2023-PY12)引文格式：刘韦辰, 韦博鑫, 尹航, 等. 轴向应变作用下含腐蚀缺陷X80管道氢渗透的有限元分析[J]. 表面技术, 2024, 53(8): 84-92.LIU Weichen, WEI Boxin, YIN Hang, et al. Finite Element Analysis of Hydrogen Permeation in X80 Pipeline with Corrosion Defects under Axial Strain[J]. Surface Technology, 2024, 53(8): 84-92.*通信作者（Corresponding author）第53卷第8期刘韦辰，等：轴向应变作用下含腐蚀缺陷X80管道氢渗透的有限元分析·85·hydrogen atoms at different sizes of corrosion defects in X80 pipelines under longitudinal tensile strain was studied. The mechanical curve of X80 steel was obtained through experiments before modeling. This article adopted the Ramberg-Osgood (R-O) relationship for X80 steel in order to obtain better computational efficiency and accuracy, and to better describe the nonlinear mechanical properties of the material. For further analyzing the effect of strain on the hydrogen atom diffusion at the corrosion defect, a geometric model containing corrosion defects on the inner wall of the pipeline was established, in which the thickness of the pipeline wall was 12.7 mm and the length of the pipeline section was 3 000 mm. For boundary conditions, assuming that no hydrogen atoms initially entered the steel, the initial diffusion surface was the interface between hydrogen and the inner surface of the pipeline (i.e. the inner wall of the pipeline), and the initial diffusion hydrogen atom concentration was10 mol/m3. The loads were 0%, 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.5%, 0.8%, and 1% longitudinal tensile strains to simulate the effect ofground motion. The local strain at the corrosion defect was variable. Afterwards, the grid was divided and solved using the direct solver MUMPS. Analyzing the results could lead to the following conclusions: under the free state, once hydrogen atoms entered the steel, they would diffuse radially driven by concentration gradients. When the pipeline suffered from the strain, the diffusion of hydrogen atoms was driven by hydrostatic stress. The maximum concentration of hydrogen atoms at the corrosion defect exceeded the initial concentration of hydrogen atoms, indicating that the hydrogen atoms accumulated at the corrosion defect. For the corrosion defects on the inner wall of the pipeline, the application of tensile strain would greatly change the distribution of hydrogen atoms in the pipeline. The maximum concentration of hydrogen atoms always occurred near the center of the corrosion defect and near the outer wall of the pipeline, while the concentration of hydrogen atoms was lower in other areas of the pipeline. As the length of the inner wall corrosion defect decreased and the depth increased, more hydrogen atoms concentrated at the center and tip of the corrosion defect. When the depth of the defect was constant, the accumulation of hydrogen atoms at the corrosion defects on the inner wall of the pipeline became more and more obvious as the length of the defect decreased. In other words, narrow corrosion defects tended to aggregate more hydrogen atoms. Similarly, when the defect length was constant, the concentration of hydrogen atoms increased as the corrosion defect deepened.KEY WORDS: X80 pipelines; hydrogen atom diffusion; corrosion defect; strain; finite element modeling; pitting氢能作为一种洁净能源，在世界各国能源转型中的应用价值日益突显，同时，也是我国实现“碳达峰、碳中和”目标的重要能源载体[1-2]。

压力容器接管区应力集中弹塑性有限元分析

压力容器接管区应力集中弹塑性有限元分析压力容器在石油化工企业生产过程中是一种非常常见的设备，压力容器设备具有储存液体、气体的作用。

压力容器主要包括：储运容器、反应容器、热换器以及分离器。

压力容器接管区的主要目的是为了符合工艺需求，但是也造成接管区出现复杂的应力状态，通过对压力容器接管区应力进行对比和分析，在掌握压力容器的筒体、接管以及连接部位应力状况的基础上，对比压力容器接管区应力集中弹性塑形变化，并提出相关的解决措施，能够有效提高压力容器接管区的强度。

不断对压力容器进行改进，使压力容器的设计，制造，检验以及使用等环节都能得到充分保障，实现了压力容器的迅速发展。

标签：压力容器;应力集中;有限元分析压力容器是一种广泛应用于石油化工企业的常用设备，压力容器由于结构和工艺要求存在差异性，一般情况下需要进行开孔装接管。

但是压力容器在运行过程中具有突变的几何形，在接管区域往往会形成不连续的应力变化，导致接管区出现应力集中的情况，引起压力容器局部发生高应力现象，因此，需要利用有限元分析开孔接管区的应力集中变化，确保压力容器能够安全运行。

一般情况下，压力容器接管器具有复杂的应力状况，导致该现象的原因主要包括：第一，对压力容器进行开孔会对容器壳体造成破坏，缩小容器承载面积，导致压力容器边缘接管区域出现应力集中。

第二，压力容器接管区会出现断层性结构，接管区域和壳体在受到内压影响下会发生变形，在协调变形中会出现边缘应力，因此，需要利用有限元分析法进行压力容器应力集中计算。

1模型的有限元分析1.1几何模型机载荷在进行模拟过程中使用有限元模型主要是根据压力容器的结构特性和荷载特征。

但是在实际应用过程中，压力容器的结构特征和载荷特征为轴对称，因此在实验过程中，可以在对称面施加一定的对称约束力，并且在接管端不施加轴向移位约束，并对压力容器的筒体以及接管区域施加压力载荷，可以忽略重力及外压对计算结果的影响。

1.2网格划分基于仅是对于在内压作用下接管应力的研究，因此针对这些情况，可以实行结构对称性应用，利用有限元模型对接关系进行建模，接管除外伸长度与筒体长度都要比起边缘应力缩减长度要大。

含体积型缺陷管线表面应力应变状态的有限元模型分析及试验验证

Ａｂｓｒｔ：ｒｏｉｎｉｈｅｍａｎｆｃｏｃｆｃｓｔｅｓｆｕｃｉｎｆｒｔｅｏｌａｄｇｓｐｐｌｅ．ｔｂｉ— ｔａｃＣｏｒｓｏｓｔｉａｔｒｗｈｉｈａｆｔｈａｅｆｎｔｏｏｈｉｎａｉｅｉＥｓａｌｓｅｎｈｎｔｏｏｐｅｉｔｔｅｒｓｄａｔｅｇｈａｅｉｉｉｅｏｏｏｄｐｉｅｈｓａｖｒｍｐｒａｔｓｇｉｇａｍｅｈｄｔｒｄｃｈｅｉｕｌｓｒｎｔｎｄｒｍａｎｎｇｌｆｆｃｒｄｅｐａｅｙｉｏｔｎｉ — ｎｆａｅＡＮＳｏｔｒｓａｐｉｄｔｎｌｚｈｉａｄａｉｅｉｗｉｈｎｓｄｃｒｏｉｎｄｆｃｉｃｎｃ．ｉＹＳｓｆｗａｅｗａｐｌｅｏａａｙｅｔｅｏｌｎｇｓｐｐｌｎｅｔｉｉｅｏｓｏｅｅｔ
３０７；．津亿利科能源科技发展股份有限公司，００２３天天津
摘要：腐蚀是影响油气管道安全运行的主要因素，确定预测腐蚀管道的剩余强度和其剩余寿命的方法有重要意义。应用ＡＳＳ软件对含内腐蚀缺陷管道的三种模型进行有限元分析，到采用ＮＹ得１４模型计算更简便、／高效；由两种边界条件的模拟结果可知，自由边界条件下缺陷中心处的应变数值较高。管道外壁周向应变峰值分别与缺陷直径呈线性关系，与缺陷深度呈指数关系。并利用

压力管道应力动态分析理论

02 压力管道应力动态分析理论基础
材料力学基础
材料力学是研究材料在各种力和力矩作用下的应力和应变行为的科学。它为压力管道应力动态分析提供了基本原理和计算方法，包括材料的弹性模量、泊松比、剪切模量等参数的确定。
VS
材料力学还涉及到材料的强度理论，例如最大剪应力理论、最大伸长线应变理论和能量理论等，这些理论为压力管道的强度设计和校核提供了依据。
意义
通过应力分析，可以优化管道设计，降低制造成本，提高设备运行效率，保障人员和财产安全。
应力分析的方法和步骤
方法
常用的应力分析方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等数值分析方法，以及基于力学理论的解析法。
步骤
应力分析通常包括前处理、求解和后处理三个步骤。前处理阶段涉及建立模型、设定边界条件和载荷等；求解阶段通过数值方法计算管道应力；后处理阶段则是对计算结果进行评估和优化。
04 压力管道应力动态分析理论与其他理论的关联
与流体力学理论的关联
流体力学理论在压力管道应力动态分析中起着重要作用，特别是在流体流动和压力分布的计算方面。流体的动力学和热力学性质对管道中的应力分布和疲劳寿命有显著影响。
压力管道中的流体流动可能导致管道产生振动和应力集中，这些因素进一步影响管道的稳定性和安全性。流体力学理论提供了流体动力学和热力学的基本原理，有助于预测和
压力管道应力分析的未来发展方向
方向1
随着数值计算技术和计算机技术的不断发展，未来应力分析将更加精确和高效，能够更好地模拟管道的实际运行工况。
方向2
随着新材料和新工艺的不断涌现，未来管道材料的性能将更加优异，能够满足更高压力和温度的要求。
方向3
随着智能化和远程监控技术的发展，未来管道应力分析将更加智能化和远程化，能够实现实时监测和预警，提高管道运行的安全性和可靠性。

有限元应力分析

三、有限元建模
● 1/4圆弧一般分6－8个单元 ● 应力梯度大的地方网格要加密。在主要的递减（或递增）区内至少有3－4个单元 ● 相邻疏密网格的尺寸比一般不大于 2
单层
双层
三、有限元建模
材料性质突变处应是单元的边线
三、有限元建模
● 热应力分析：温度场网格与应力分析网格对应 ● 兼顾计算量和计算精度的要求
∂Π =0 ∂a
Ka = P
高斯积分
结点位移矢量刚度矩阵，单元刚度，刚度集成载荷矩阵。集中力、分布力、体积力加位移约束
2005年8月28日11
二、有限元基本思想
4、求解线性代数方程组得到结点位移。
充分发挥计算机的特长。存储量小、计算速度快。
三、有限元建模
● 有限元软件功能越来越强大、越来越“傻瓜化” ● 有限元软件有三大部分：前处理：建立有限元模型。简化、分元、边界条件、材料特性图形界面下交互模，接 CAD软件，自动分元有限元分析：求解位移、应力等结果后处理：变形图、云纹图、动画演示 ● 用户的首要任务是：输入正确的初始数据，即建立合理的计算模型，才能得到正确的输出结果。
球顶开孔接管左右对称带小接管内压容器
x
若支管很小，可认为上下也对称
2005年8月28日11
三、有限元建模
2、单元类型的选择
● 杆元：受拉压，用于桁架。梁元：受弯曲，用于梁弯曲问题。杆梁元：受拉压弯扭，用于刚架等一般情况 ● 平面应力、平面应变、轴对称多用四边元，少用三角元，尽量不用退化三角元常用线性元。二次元精度好，网格约放大一倍，总计算量稍偏大，适用于曲边情况 ● 板壳元只有薄膜应力和弯曲应力，不能算峰值应力膜元、板元、壳元的区别

含腐蚀缺陷燃气管道极限载荷的有限元分析

摘
要：利用有限元弹塑性分析方法，对含腐蚀缺陷的燃气管道进行了非线性分析，究了腐研
蚀缺陷的长度、宽度和深度对燃气管道极限栽荷的影响。并和含腐蚀缺陷管道的全尺寸爆破
试验结果以及美国机械工程师学会标准ＡＭＥＢｌ计算的结果进行对比，明采用有限元Ｓ３Ｇ证
状及尺寸大小如图３所示。试验得到管道材料的
图５管道的应力云图
经过分析，管道的失效模式为塑性垮塌失效，当Ｖｎ—Ｍｓｏｉｅ应力达到贯穿整个腐蚀区域的参照应力时管道发生失效。从表１计算结果可以看出，当腐蚀缺陷的其余条件相同，单独考虑一个因
的对称性，管段的四分之一建立有限元网格模取
的长度、深Βιβλιοθήκη 、宽度对极限载荷的影响，三个参这
数的具体取值见表１。
１２材料的性能试验．
型，单元采用２０节点的六面体等参元ｓｌ９，ｏｉ５由ｄ于最终的失效发生在腐蚀区域，以在腐蚀区域所
简体内壁施加内压，对称端面施加对称约束，体简
许多大中城市都具有庞大的燃气管网，随着燃气管道使用年限的增加，管道腐蚀现象日益严
端面施加轴向平衡力。有限元模型见图２。
重，成壁厚减薄，道承压能力下降，至会导造管甚

基于有限元仿真的IGBT模块的应力应变分析

基于有限元仿真的IGBT模块的应力应变分析1.研究背景：IGBT模块的应力应变分析2.有限元分析原理1.1GBT模块的三维模型建立4.应力应变计算5.结果分析与讨论6.结论研究背景：IGBT模块的应力应变分析微电子芯片的性能和寿命对于其应用都具有重要意义，在精密电子设备中，IGBT模块是一种常见的微电子元件。

它的应力应变分析在研究其可靠性和参数变化方面尤为重要，而有限元法是解决实际工程问题的重要工具，在结构分析上备受重视。

因此，基于有限元仿真的IGBT模块的应力应变分析引起了学者们广泛的重视。

本文将通过基于有限元仿真的方法对IGBT模块的应力应变进行分析。

首先，我们将阐述有限元分析原理，然后建立IGBT模块的三维模型，之后进行应力应变计算，最后对计算结果进行分析和讨论。

希望本文可以帮助读者深入了解IGBT模块的应力应变，从而为IGBT模块的应用效用提供参考。

本章将阐明有限元分析原理。

有限元分析是一种用来计算结构设计和物理性能的精细数值分析方法，可以将实体模型在计算机中以有限多边形的有限元表示。

有限元分析可以用于解决复杂的动态、热、流体、结构等多种物理问题，例如影响IGBT模块性能的应力应变分析。

通过有限元，我们可以以较小的计算量和低精度获得准确的结果，因此有限元分析具有多方面的优势。

首先，使用有限元分析，我们可以根据给定的材料物理、力学参数计算结构变形和应力分布。

其次，对于复杂系统，有限元法能较好地模拟相邻单元之间的耦合关系，帮助我们更好地捕捉细节，提高精度。

最后，有限元分析能够有效地减少精度的损失，从而改善模拟的精度。

有限元分析是一种重要的结构分析方法，可以有效地解决实际工程问题，其在IGBT模块的应力应变分析中发挥着非常重要的作用。

本章将介绍IGBT模块的三维模型建立。

由于IGBT模块的结构考虑到几何形状的复杂性，因此三维模型建立是基于有限元仿真分析IGBT模块中应力应变的重要步骤。

首先，我们可以使用CAD软件建立IGBT模块的三维几何模型，并给出各部件的材料属性，包括弹性模量和泊松比。

CAESARII管道应力分析理论

为
偶然应力，对应于风载等偶然载荷下产生的应力
ｈ＋４簇ＫＳｃ式中：。为偶然载荷引起的总的弯矩，＂；，＝５Ｎｍ５。
Ｓ＿
ＺＺ
０７ｉ．５ＭＡ
０７ｉ．５ｍｙ八ｔｎ
、俪弃Ｍ．｝为然荷数偶载发；Ｍ；偶载系（然荷生＋Ｋ
（）１使管道各处的应力水平在规范允许的范围内；（）２使与设备相连的管口载荷符合制造商或公认的标准（ＥＡＭ３Ａ１０１７如ＮＭＳ２，６Ａ６等标准）Ｐ１Ｐ１规定的受力条件；（）３使与管道相连的容器处局部应力保持在
ＡＭ第八部分许用应力范围内；ＳＥ（）４计算出各约束处所受的载荷；（）工况下管道的位移；５确定各种
ＪＭ＋卜Ｍ）Ｓ为料设温ห้องสมุดไป่ตู้下许（ｒＭＺ；ｈ材在计度的用，
应力
＝ａ二Ｍｈ２２ｍ、ＲＩ＝ＭＴＺｏ／／把剪应力的各个分量求和，作用在管子截面上最大剪
应力为
二次应力对应于ＣＥＡＩ中ＥＰ工况下的应ＡＳＲＩＸ
２２１基本应力定义．．
式中：ｔ二为最大剪应力，Ｐ；ＭａＶ为剪切力，；ＦＱ为剪
切系数。
轴向应力（ｘｌｓ是由作用于管道轴向力引Ａｉｓｅ）ａｔｓｒ起的平行于管子轴线的正应力，表达式为
收稿日期２０－１１０３－３０
由扭矩引起的剪切力
万方数据
Ｓ＝Ｐｒ一：ｒｒ｝ｒ一：）（ｚ，（Ｚ子ｏｚｏ）｝剪应力（ｅｉｔｓ是由ａｎｓｅ）作用在截面上的剪切ｓｒｇｓｈｒ

管道完整性评价评价方法

一级评价
– 由管道工程师、腐蚀技术人员、涂层检验员或其他受过相关培训的人员进行操作。 – 按下式
p d 2 t σ flow 1 - 0.85 t 1 - 0.85 d 1 D t M
ASME B31G-2009
二级评价 • 使用有效面积法
– 对一系列连续腐蚀缺陷的每一个梯形截面计算出相关段的失效压力，把最小的失效压力作为管子的失效压力。 – 需要细致的测量，工作量大
基于情形基于内检测
一、剩余强度评价
主要缺陷类型
• 材料缺陷
– 体积（腐蚀）型缺陷
• 质量（重量）损失，内、外腐蚀产生，最为常见；
• 剩余强度评价的重要性
– 管道安全承压、延长寿命依据 – 内检测技术的发展 – 经常性的活动
– 面积（裂纹）型缺陷
• 最危险，产生原因复杂，与材质、制造工艺、使用环境有关
等效应力 /MPa
案例2——占压管道
• 一处管道占压长度近1km，原来埋深为1.6~1.8米，后因市场扩建，人为垫土使管道埋
2.5 管道抬升高度/m 2 1.5 1 0.5 0 0
600.00
深增至5~11米。 • 经评价：
– 如果回填土刚度低于100Mpa，管道
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 轴向距离/m
10 13
16 19 22
25 28
31 34 37 序号
40 43
46 49 52
55 58 61
64 67
0.6 0.4
25 有限元预测失效压力（MPa）
DNV RP F101
误差/%
X46
20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 试验爆破压力（MPa）

基于有限元的三通管应力分析与强度评定

1 有限元模型的建立
在建模上考虑到结构、外载及约束上的对称性，采用了简化形式，建立了 1 ／ 4 模型，如图 1 所示，在网格划分上采用三维 20 节点六面体单元 solid 95，为了确保计算结果的精确度，网格应尽可能规整、均匀，为此整个模型网格通过一些处理采用映射划分，模型中共有 29487 节点，共有 26688 单元，网格划分如图 2。在工作温度 292℃，管道材料 E＝187GPa，泊松比 μ＝0．3，设计应力强度 Sm＝123MPa。
4 结论
ASME Ⅷ-Ⅱ《美国压力容器规范分析》要求对计算部位的应力作详细计算，按应力性质影响范围及分布状况将应力分为一次应力、二次应力和峰值应力。对于不同性质的应力给予不同的限制条件。由于三通所受载荷并非周期性载荷，故会产生破坏影响的只是一次应力和二次应力，对峰值应力的影响可以不考虑，因而只需满足如下两项应力限制条件。由材料在工作温度 292℃下的设计应力强度为 Sm=123MPa，从表 2 可以看出：
/MPa

0
图6
-284
-568
（×10-2） -852 1.136 1.416
-142 -426 -71 -994 1.278
离内壁的距离 /m
（a）路径 1 总应力分解结果
（×10-2） -384 -768 1.152 1.536 1.922 -192 -576 -96 1.344 1.728
离内壁的距离 /m
第三强度理论等效应力/Pa

含缺陷注蒸汽管道剩余强度的有限元分析

（）模型加载。ＡＳＳ实现途径如下：２对ＮＹ
ＧＵＩ：ｉＭｅＭａｎｎｕ＞Ｓｏｕｉｎ＞一ａ —Ａｐｙ＞Ｓｔｕｔｅ＞ｌｔｏＬｏｄｐｌｒｃｕｒ
Ｐｒｓｕｅ．ｅｓｒ
缺陷为轴向腐蚀区；２）考虑内压对内管壁的作用；３（只（）忽略周围土壤对外管壁的作用。建立的几何模型如图１。
２管道内球型缺陷剩余强度的有限元分析
２１建立有限元模型的基本参数．
管道材料为１ＣＭｏ４，其材料特性为：管径３ｒ４
＝
图２含缺陷管道的网格划分
２４加载计算并求解．
根据管道的实际工作状况和模型的３个假设施加边界
１７２ｍｍ，厚１ｒ长０６，弹性模量＝０Ｇａ切壁４ｍ，ａ．其ｍ２６ｐ，
线模量＝．６ｐ，松比＝．，低屈服强度２５ａ２０Ｇａ泊０３最７ＭＰ，最低抗拉强度４０ＭＰ。道内部两类缺陷类型：球形，４ａ管半
６０
现制术装代造技与备
２１期总０期０第２第２１１
含缺陷注蒸汽管道剩余强度的有限元分析
宋静亚
（国石油大学（东）电装备教学实习总厂，营２７６）中华机东５０１
摘要：过ＡＹ通ＮＳＳ大型有限元软件对含不同尺寸沟槽型缺陷的注蒸汽管道进行应力场模拟计算。分析中选用实体单元建立含体积型缺陷管道的３模型，Ｄ考虑了几何非线性和材料非线性以及缺陷位置、寸和形尺状对应力场的影响规律，通过塑性失效准则计算了含不同缺陷注蒸汽管道的极限载荷。并关键词：蒸汽管道体积型缺陷剩余强度有限元分析注

压力容器有限元应力分析中应力的正确评定——压力容器应力分析设计中的六个重要问题(一)

就涉及到二次应力可以求取结构的塑性极限载荷薄膜应力成分一般尚不难加以判断但对其弯曲按标准jb47321995中542要求进行塑性极应力则必然存在上述困惑为此往往导致有限元限分析代替应力分类法对结构的一次应力进行分析设计趋于十分保守使有限元分析这一高科评估从而ssils均可免于评估文献61介技成果不能体现准确合理的应用效果有限元应绍了此种方法的应用由该文可知圆筒大开孔结力分析设计虽有3040年的应用历史仍处于不第37卷第2期夏少青等
关键词：压力容器应力分析应力评定极限载荷
由于核工业的兴起，有力地推动了压力容器应力分析设计技术的发展。复杂压力容器的应力分析是以有限元分析为技术支撑的。国际上应用有限元技术进行压力容器应力分析设计始于２Ｏ世纪７ｏ年代，美国ＡＳＭＥ Ⅷ一２以应力分析为基础的设计标准也是由此应运而生，至今已有４Ｏ多年了。国内有限元应力分析设计始于２０世纪８Ｏ年代后期，至今也有３０多年。国内外几十年的压力容器应力分析设计历程可谓不短，至今压力容器应力分析已经非常普及。然而，压力容器应力分析设计包括两个方面：一是应力分析；二是应力强度评定。
１）一次弯曲应力的评定准则不能适应容器圆筒大开孔。
２）有限元分析结果的评定存在不确定性。３）不同强度分析中各种载荷的叠加原则。４）管道附加载荷在容器上产生应力的正确评定。

管道局部应力分析及工业应用

通过对航空航天领域的管道进行局部应力分析，可以深入了解管道在各种操作条件下的应力分布和变形情况，为管道的设计、制造、安装和使用提供依据。例如，在航空航天行业中，通过对管道进行局部应力分析，可以优化管道的结构设计，提高管道的稳定性和耐久性，降低维修和更换成本，提高航空器的安全性和可靠性。
04
管道局部应力分析的挑战与解决方案
局部应力分析的物理模型
物理模型
常用的局部应力分析模型包括弹性力学模型、弹塑性力学模型和断裂力学模型。这些模型根据材料性能、几何形状和外部载荷等因素，对局部应力进行数值模拟和分析。
分析方法
局部应力分析方法主要包括有限元法、有限差分法、边界元法和实验法等。这些方法可根据实际情况选择，以解决不同类型的问题。
VS
对管道进行局部应力分析，可以预测管道在各种操作条件下的变形和应力分布情况，评估管道的强度和稳定性，确保管道的安全运行。例如，在石油化工行业中，通过对管道进行局部应力分析，可以优化管道的设计和制造工艺，提高管道的耐久性和可靠性，降低维修和更换成本。
电力行业
电力行业是另一个应用管道局部应力分析的重要领域。在电力行业中，管道主要用于输送各种流体介质，如水、蒸汽、气体等，以支持设备的正常运行。这些流体介质通常具有高温、高压、腐蚀性等特点，对管道的稳定性和安全性要求较高。
THANKS
感谢观看

02
管道局部应力分析方法
解析法
基于理论分析，通过数学公式解析表达管道应力分布情况。
适用于简单形状的管道，如直管、弯管等。
对于复杂形状的管道，解析法需要引入假设和简化，因此结果可能存在误差。
有限元法
基于数值分析，将管道划分为有限个单元，通过计算机软件求解每个单元的应力分布。

压力管道三通有限元分析

压力管道三通有限元分析压力管道三通的有限元分析是在计算机辅助设计软件中进行的一种数值模拟方法，它可以用来评估和优化管道系统的结构和性能。

本文将介绍压力管道三通的有限元分析方法，并探讨其应用和局限性。

压力管道三通的有限元分析是基于有限元法原理的一种计算方法。

有限元法是一种将连续体分割为有限个小单元的数值计算方法，通过对单元间的力学关系进行建模，计算和解析结果来评估结构的性能。

在压力管道三通的有限元分析中，管道被分割成一系列小单元，然后对每个单元进行力学计算，最后整合得出整个管道的性能指标。

在进行压力管道三通的有限元分析之前，需要进行几个关键步骤。

首先是建立管道的几何模型，即将实际的管道系统转化为计算机可识别的三维模型。

然后是确定管道的边界条件和加载条件，这些条件将影响到计算结果的准确性。

接下来是选择合适的材料模型和有限元网格密度，这些选择会直接影响到计算结果的准确性和计算时间。

最后是进行有限元计算和分析，得出管道的应力、变形和疲劳寿命等性能指标。

压力管道三通的有限元分析可以用于评估和优化管道系统的结构和性能。

通过有限元分析，可以得出管道在不同工况下的应力和变形情况，从而评估管道的安全性和可靠性。

同时，有限元分析还可以帮助设计师优化管道的结构和减轻管道系统对外界负荷的响应。

此外，有限元分析还可以用于分析管道的疲劳寿命和优化管道的维护策略。

然而，压力管道三通的有限元分析也有一些局限性。

首先，有限元分析的准确性和可靠性依赖于所选择的材料模型和有限元网格密度，不同的选择可能会导致不同的计算结果。

其次，在进行有限元分析时需要考虑的因素较多，例如边界条件、加载条件和材料参数等，这增加了分析的复杂性和计算的难度。

最后，有限元分析只是一种数值模拟方法，并不能完全取代实验测试，因此在实际设计中仍然需要进行实验验证。

压力管道三通的有限元分析是一种用于评估和优化管道系统的结构和性能的数值模拟方法。

然而，需要注意的是有限元分析只是一种辅助工具，并不能完全取代实验验证，在实际应用时需要结合实验和分析的结果进行综合评估。

含凹坑缺陷管道环焊缝应力有限元分析

Electric Welding Machine·8·Electric Welding Machine本文参考文献引用格式：储玲玉，刘觉非，苏林，等. 含凹坑缺陷管道环焊缝应力有限元分析[J]. 电焊机，2021，51（4）：8-13.含凹坑缺陷管道环焊缝应力有限元分析0 前言我国高速发展的经济对油气资源的需求不断增加，各种油气工程建设项目随之逐渐增多、油气管网里程的逐年增加[1]。

管道运输业快速发展的同时，为了保障石油、天然气等管道长距离运输的安全，需要定期对管道进行无损检测和安全评估[2-3]。

凹坑是管道环焊缝常见的体积型缺陷，不仅会减小管道环焊缝的实际截面面积，还会引发材料剩余强度下降，引起局部应力集中，削弱管道环焊缝的抗变形能力[4-8]。

因此，分析腐蚀缺陷对管道环焊缝结构应力状态的影响至关重要[9-11]。

根据实际管道环焊缝坡口形状和热影响区材料的软化现象，建立了含腐蚀凹坑缺陷的管道环焊缝非线性三维有限元模型，探讨了不同载荷作用下收稿日期：2021-01-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（51301197）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20130182）；中国石油化工股份有限公司资助项目（318019-2）；国家重点研发项目（2018YFB2001204）；大学生创新训练项目（202010290125Y ）作者简介：储玲玉（1995—），女，硕士研究生，主要从事管线钢结构完整性评估和有限元数值模拟的研究。

E-mail：*************.cn。

管道焊缝凹坑大小、焊缝余高以及热影响区材料属性等因素对缺陷管道环焊缝应力分布的影响规律。

1　管道环焊缝有限元模型1.1　几何模型 X60钢相当于国内L415钢，多用于输送石油、天然气等的大口径焊接钢管，其屈服强度高、塑性好，可承受较高输送压力，在我国现役管线钢应用中占有一定比重。

管道外径为529 mm，壁厚9 mm，管道结构几何模型如图1所示。

腐蚀管道体积型缺陷评价方法

腐蚀管道体积型缺陷评价方法杨绪运;何仁洋;刘长征;周吉祥;黄辉【摘要】结合管道完整性管理和合于适用评价的管理理念,重点介绍了6种评价腐蚀管道体积型缺陷的方法,并对他们在流变应力、缺陷形状、鼓胀修正因子方面的差异进行了对比分析.最后介绍了一种国内科技工作者研究的评价方法,该方法考虑了弯矩、拉伸的组合作用,可科学准确地计算出腐蚀管道的剩余强度.便于评估人员选择合适的评价方法,确保管道安全运行管理.【期刊名称】《管道技术与设备》【年(卷),期】2009(000)001【总页数】4页(P47-50)【关键词】腐蚀管道;体积型缺陷;完整性管理;评价方法【作者】杨绪运;何仁洋;刘长征;周吉祥;黄辉【作者单位】中国特种设备检测研究院,北京,100013;中国特种设备检测研究院,北京,100013;中国特种设备检测研究院,北京,100013;中国特种设备检测研究院,北京,100013;中国特种设备检测研究院,北京,100013【正文语种】中文【中图分类】U179.8管道完整性[1]是指管道要始终处于安全可靠的受控工作状态，管理人员可不断采取措施防止管道事故的发生。

而目前国内管道的管理中，对管线仅进行简单的检测、修补，没有从更深层面考虑。

管理过程中，管道的腐蚀不是单一问题，而要从管道整个寿命周期的各个环节考虑，如何预测事故发生的时间，以及发生事故的严重程度，同时分析事故原因，如腐蚀可能是设计不当、制造缺陷、腐蚀防护系统缺陷造成的，而不是简单地局限于腐蚀本身。

目前，管道完整性管理程序主要有《managing system integrity of gas pipeline》(ASME B31．8S)[2]以及《managing system integrity for hazardous liquid pipelines》。

合于适用是只要管道在结构还未达到失效，则结构就能够满足使用要求。

合于适用评价要考虑结构发生事故的可能性和失效后果，从而产生了风险检测的概念。

海底管线服役条件有限元应力分析

海底管线服役条件有限元应力分析杨专钊;杨溪;惠非;王佐强;赵晗君;冯慧【摘要】In this paper, the service stress condition of φ559 mm×28 mm SMYS 450 marine pipe with concrete weight coating under transmission pressure 25 MPa at 1 500 m subsea was analyzed by the Finite Element Methods(FEM). The result showed that the maximum displacement was 0.046 4 ×10-3 m within the c onstraint of the weight coating, and the displacement was 0.104×10-3 m without weight coating constraint. The maximum stress of both the 1st principal stress and Von mises equivalent stress were 128 MPa and 216 MPa respectively, which located near the interface between the pipe body and the counterweight layer, about 2 mm to the outside surface of pipe body (28 mm wall thickness). It also indicated that the operation was safety, and using the Von mises equivalent stress criterion as pipeline acceptance limit is workable.%采用有限元方法模拟分析了带配重层海洋管准559 mm×28 mm SMYS 450在海底1500 m和输送压力为25 MPa 条件下服役时的应力状态，结果显示，在受配重层约束下的最大位移为0.0464×10-3 m，无配重约束位移为0.104×10-3 m；第一主应力和Von mises 等效应力的最大值都分布在管体材料和配重层之间的界面处附近，距离管体外表面约2 mm（壁厚28 mm），最大值分别为128 MPa和216 MPa。

Deform试验

刚（粘）塑性有限元的基本原理
• 在塑性加工的体积成形工艺中，变形体产生了较大的塑性变形，而弹性变形相对很小，可以忽略不计，此时可认为是刚塑性问题，如锻造、挤压等；相应地则可以用刚塑性有限元法分析。刚塑性有限元法是在马尔可夫（Markov）变分原理的基础上，引入体积不可压缩条件后建立的。
• 自我接触条件及完美的网格再划分使得在成形过程中即便形成了缺陷，模拟也可以进行到底（DEFORM-2D，Pro）多变形体模型允许分析多个成形工件或耦合分析模具应力（DEFORM-2D，Pro， 3D）。基于损伤因子的裂纹萌生及扩展模型可以分析剪切、冲裁和机加工过程（DEFORM-2D）。
• 刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变形成形分析（DEFORM所有产品）。弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题（DEFORM-Pro, 2D, 3D）。烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形（DEFORM-Pro, 2D, 3D）。完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形（DEFORM所有产品）。
体积成形模拟软件DEFORM
• DEFORM是一个模块化、集成化的有限元模拟系统，它包括前处理器，后处理器、有限元模拟器和用户处理器四个功能模块。其系统结构如图7-5所示 • DEFORM有一个较完整的CAE集成环境，具有强大而灵活的图形界面，使用户能有效地进行前后处理。在前处理中，模具与坯料几何信息可由其他CAD软件生成的STL或SLA格式的文件输入，并提供了3D 几何操纵修正工具，方便几何模型的建立；网格生成器可自动对成形工件进行有限元网格的划分和变形过程中的重新划分，并自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠；DEFORM的材料数据库提供了146 种材料的宝贵数据，材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型，为不同材料的成形仿真提供有力的保障；DEFORM集成典型的成形设备模型，包括液压压力机、锤锻机、螺旋压力机、机械压力机、轧机、摆辗机和用户自定义类型（如表面压力边界条件处理功能解决胀压成形工艺模拟）等，帮助用户处理各种不同的工艺条件。

基于API1104标准ECA方法的质量控制体系

基于API1104标准ECA方法的质量控制体系熊奇，孙小磊，景迪，张吉合【摘要】摘要：介绍了管线环焊缝验收中不同于常用经验判据的另一种标准——工程临界评估方法(ECA)。

根据API1104附录A，介绍了ECA方法的概念、限制条件与适用范围，对比了ECA方法和经验判据的区别。

阐述了建立基于ECA方法的质量控制体系的流程，对比了该体系相对于基于经验判据的质量控制体系所提出的附加要求，最后通过图示概括了基于ECA方法的质量控制体系。

【期刊名称】电焊机【年(卷),期】2011(041)005【总页数】3【关键词】API1104；ECA方法；质量控制0 前言API1104的第九部分给出了管线及相关设施的焊缝接收标准，其判据基于经验总结，主要根据缺陷长度进行验收。

API1104附录A则介绍了管线环焊缝缺陷的另一种接收标准——工程临界评估方法，即ECA(Engineering Critical Assessment)方法。

ECA方法运用材料断裂力学理论和材料力学性能实验数据，在确保管线性能要求的前提下，对焊缝缺陷长度、高度的最大允许值进行定量推导。

与经验判据相比，ECA方法往往可以得到尺度更大的缺陷长度接收判据，因而在提高工程可靠性、降低工程成本方面具有重要意义。

1 ECA方法的概念与适用范围1.1 ECA方法的概念ECA方法是一种根据理论分析与计算，判断缺陷和不连续的影响，从而评估整体焊缝可靠性的焊缝接受标准。

API1104提供了三种ECA计算方法来确定焊缝的面缺陷接收判据。

根据所考虑力学参数的复杂程度，分为方法1、方法2、方法3三种。

其中方法1和方法2分别有一套固定的计算流程，方法3则需要具有断裂力学专业知识的工程人员根据管线实际服役条件进行计算。

附录A在A5.1.1中详细阐述了运用三种ECA方法建立缺陷接收判据的流程。

1.2 ECA方法的适用范围1.2.1 ECA方法的适用条件API1104的ECA方法使用需满足以下条件：(1)只适用于API1104前言及第一部分限定的范围之内。