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缺陷油气管道应力分布数值模拟

2019/11/19 阅读:

摘要:含缺陷油气管道会减薄管道壁厚,从而影响管道的力学性能,当缺陷逐渐增大到一定程度时,会使管道发生泄漏事故,甚至导致火灾、爆炸等,造成重大经济损失。因此,借助ANSYS有限元分析软件,对方形缺陷、圆形缺陷、组合缺陷油气管道进行了数值模拟研究,首先考察三种缺陷的应力分布特点,其次,引入正交实验,通过改变三种缺陷的载荷和几何尺寸如长度、半径等,考察这几种因素对最大等效应力的影响规律,所得结论为含缺陷油气管道的优化设计提供一定的依据。

关键词:缺陷;油气管道;ANSYS;应力分布

管道作为运输工具,在人们的日常生活以及现代工业农业生产中起着举足轻重的作用,其内部运输介质通常有气体、液体和固体[1]。管道在我国的应用已经有一个多世纪的历史了,在石油和天然气运输方面应用最为广泛,管道运输在油气输送方面既安全又经济,能充分保证其综合效益。随着社会经济的快速发展,社会对油气资源的需求量剧增,作为油气资源最重要的运输渠道,管道在我国各个省市地区进行了大量铺设,总里程数已经超过了六万多公里[2]。但是我国油气资源处于地区发展不均衡阶段,油气资源主要分布在西北地区,而经济发达地区处于东南沿海,因此需要铺设很长的油气管道,而且,油气管道一般铺设在地下,随着服役时间的增加和里程数的增长,管道容易受到土壤腐蚀,出现一系列的腐蚀缺陷,微小的缺陷不容易被发现,但是会减薄管道壁厚从而影响管道的力学性能,当缺陷逐渐增大到一定程度时,会使管道发生泄漏事故,甚至导致火灾、爆炸等,造成重大经济损失[3]。尤其是在一些不重视保护生态环境的城镇地区,随着重工业的快速发展,不达标的工业废水任意排放,不仅污染生态环境,而且会使土壤的pH值增加,油气管道受土壤腐蚀的速率大大增加,很容易造成管道泄露穿孔。除了土壤腐蚀外,管道在焊接过程中产生的裂纹会随着时间的延长而扩展,裂纹的扩展会对管道的力学性能产生损害,使其承压能力和运输能力下降,当裂纹发展到一定程度时,如果不能被及时发现和维护,就可能引发油气管道的开孔泄露,而且有些油气管道从人们居住的城市穿过,如果发生开孔泄露事故,不仅会造成巨大的经济损失,而且还会对人们的生命造成威胁,破坏人们的生态环境[4]。针对油气管道腐蚀缺陷所产生的一系列问题,国内外学者对其进行了大量研究,但主要针对单一的腐蚀缺陷如方形缺陷、圆形缺陷、椭圆形缺陷等,但是对于组合缺陷还研究得比较少,而且常见的影响缺陷管道应力分布的因素有载荷因素、几何因素如缺陷深度、缺陷长度、缺陷宽度、缺陷半径等,但是哪个因素占主导地位研究得还比较少[5-7]。因此,笔者借助ANSYS有限元分析软件,对方形缺陷、圆形缺陷、组合缺陷油气管道进行了数值模拟研究,首先考察三种缺陷的应力云图分布特点,其次,引入正交实验,通过改变三种缺陷的载荷和几何尺寸如长度、半径等,考察这几种因素对最大等效应力的影响规律,所得结论为含缺陷油气管道的优化设计提供一定的依据。

1有限元分析过程

1.1几何尺寸及物性参数

以某采油厂实际数据为例,管道选取材料为20钢,设计压力p为1.8MPa,设计温度为20℃。物性参数为:钢材弹性模量E为1.9×105MPa,管道材料泊松比μ为0.3,钢材屈服强度σs为340MPa,钢材的抗拉强度σb为600MPa。几何尺寸为:管道内径Di为165mm,厚度t为8mm,筒体长度L为1500mm。共研究三种管道缺陷:方形缺陷、圆形缺陷及组合缺陷,方形缺陷长度为100mm,缺陷深度为2.0mm,圆形缺陷半径为30mm,缺陷深度为2.0mm,组合缺陷为方形缺陷和圆形缺陷的组合。借助所建模型的几何对称性和载荷对称性,选取缺陷管道的一半进行研究,利用ANSYS有限元分析软件进行建模,直接生成三维实体模型,所建模型如图1所示[8]。

1.2边界条件及载荷

含腐蚀缺陷管道除了承受内压p之外,还会承受诸如外压、地震载荷、雪载荷、风载荷等载荷的作用,但是在众多载荷之中,内压p占据主导地位,其他载荷的影响可以忽略不计,因此,在对缺陷管道应力分析时,只考虑内压载荷p的作用[9]。鉴于含缺陷管道几何形状和载荷的轴对称性,将其简化为轴对称问题。在管道对称面上施加对称约束,约束其轴向位移和端面位移,在其内表面施加内压载荷p。

2有限元法评价结果

利用ANSYS软件后处理中的应力云图,来分析缺陷尺寸和载荷对其应力分布的影响。首先考察三种缺陷的应力云图分布特点,其次,引入正交实验,通过改变三种缺陷的载荷和几何尺寸如长度、半径等,考察这几种因素对最大应力的影响规律。

2.1应力云图

方形缺陷、圆形缺陷、组合缺陷油气管道的等效应力云图如图2所示,可以看出,油气管道整体等效应力分布均匀,不均匀部位发生在缺陷附近区域。这是由于缺陷的存在,使管道呈现两个区域即连续区域和不连续区域,缺陷附近区域为不连续区域,远离缺陷区域为连续区域:在不连续区域内,除了承受由内压引起的薄膜应力外,由于几何形状发生突变,还会产生由边缘力和边缘力矩引起的不连续应力,而不连续应力的分布特点为局部性和自限性,所以,在缺陷附近区域应力最大,而超过这个区域基本不受等效应力的影响;远离缺陷区域,只受内压p的作用,产生的应力为薄膜应力,沿壁厚呈均匀分布,而且应力比缺陷附近区域要小得多[10]。

2.2正交实验

影响缺陷管道应力分布的因素有载荷因素、几何因素如缺陷深度、缺陷长度、缺陷宽度、缺陷半径等,以缺陷长度、缺陷深度、缺陷半径和内压为研究因素,考虑引进正交实验,来考察这几种因素对含缺陷管道最大等效应力的影响。以缺陷深度、缺陷长度、压力为考察因素,方形缺陷三因素三水平正交表格如表1所示,其正交实验结果如表2所示。可以看出,方形缺陷长度因素的极差为8.916,方形缺陷深度因素的极差为7.051,方形缺陷压力因素的极差为22.096,极差越大,对其影响程度越大,所以压力因素对最大等效应力的影响程度最大,缺陷长度因素对最大等效应力的影响程度次之,缺陷深度因素对最大等效应力的影响程度最小。以缺陷深度、缺陷半径、压力为考察因素,圆形缺陷三因素三水平正交表格如表3所示,其正交实验结果如表4所示。可以看出,圆形缺陷半径因素的极差为15.055,圆形缺陷深度因素的极差为0.892,圆形缺陷压力因素的极差为28.170,极差越大,对其影响程度越大,所以压力因素对最大等效应力的影响程度最大,缺陷半径因素对最大等效应力的影响程度次之,缺陷深度因素对最大等效应力的影响程度最小。将方形缺陷和圆形缺陷同时出现在管道上即组成组合缺陷,影响组合缺陷最大等效应力的因素有方形缺陷长度、圆形缺陷半径、缺陷深度和压力。以方形缺陷长度、圆形缺陷半径、缺陷深度和压力为考察因素,组合缺陷四因素三水平正交表格如表5所示,其正交实验结果如表6所示。可以看出,组合缺陷长度因素的极差为9.896,组合缺陷半径因素的极差为14.667,组合缺陷深度因素的极差为1.381,组合缺陷压力因素的极差为30.910,极差越大,对其影响程度越大,所以压力因素对最大等效应力的影响程度最大,缺陷半径和缺陷长度因素对最大等效应力的影响程度次之,缺陷深度因素对最大等效应力的影响程度最小。通过对这三种缺陷进行正交分析,可以看出,压力因素对最大等效应力的影响程度最高,缺陷深度对最大等效应力的影响程度最小,所得结论为含缺陷油气管道的优化设计提供了理论依据。

3结论

(1)由于缺陷的存在,使管道呈现两个区域即连续区域和不连续区域,在连续区域,油气管道整体等效应力分布均匀,在不连续区域,应力出现突变。(2)以缺陷长度、缺陷深度、缺陷半径和内压为研究因素,通过正交实验对方形缺陷、圆形缺陷及组合缺陷油气管道进行分析,压力对最大等效应力的影响程度最大,缺陷深度对最大等效应力的影响程度最小。

参考文献:

[1]狄彦,帅健,王晓霖,等.油气管道事故原因分析及分类方法研究[J].中国安全科学学报,2013,44(07):109-115.

[2]宋艾玲,梁光川,王文耀.世界油气管道现状与发展趋势[J].油气储运,2006,30(10):63-62.

[3]崔铭伟,曹学文.腐蚀缺陷对中高强度油气管道失效压力的影响[J].石油学报,2012,37(6):1086-1092.

[4]艾志久,赵乾坤,钱惠杰,等.含外腐蚀缺陷管道剩余强度及剩余寿命的分析[J].材料保护,2016,49(6):62-65.

[5]赵莉.含腐蚀缺陷长输管道剩余强度影响参数定量评价[J].当代化工,2016,45(3):639-641.

[6]李思嘉,王杰.含局部减薄缺陷X80长输管线的安全评定[J].当代化工,2014,43(1):118-121.

[7]侯培培,李新梅,梁存光.腐蚀缺陷参数对油气管道剩余强度的影响[J].铸造技术,2017,38(1):103-106.

[8]王战辉,马向荣,高勇.含缺陷管道剩余强度和剩余寿命的研究[J].河南科学,2018,36(10):1533-1538.

[9]史俊杰,李俊哲.基于ANSYS的含未焊透缺陷管道剩余寿命分析[J].工业安全与环保,2017,43(5):72-75.

[10]王海涛,常胜涛,金慧,等.基于有限元法的城市埋地腐蚀管道剩余强度分析[J].大连交通大学学报,2017,38(2):94-98.

作者:王战辉 张智芳 高勇 郑兵兵 叶军 单位:榆林学院

缺陷油气管道应力分布数值模拟

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