論含缺陷油氣管道應力分布數值模擬范文
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摘要：含缺陷油氣管道會減薄管道壁厚，從而影響管道的力學性能，當缺陷逐漸增大到一定程度時，會使管道發生泄漏事故，甚至導致火災、爆炸等，造成重大經濟損失。因此，借助ANSYS有限元分析軟件，對方形缺陷、圓形缺陷、組合缺陷油氣管道進行了數值模擬研究，首先考察三種缺陷的應力分布特點，其次，引入正交實驗，通過改變三種缺陷的載荷和幾何尺寸如長度、半徑等，考察這幾種因素對最大等效應力的影響規律，所得結論為含缺陷油氣管道的優化設計提供一定的依據。
關鍵詞：缺陷；油氣管道；ANSYS；應力分布
管道作為運輸工具，在人們的日常生活以及現代工業農業生產中起著舉足輕重的作用，其內部運輸介質通常有氣體、液體和固體[1]。管道在我國的應用已經有一個多世紀的歷史了，在石油和天然氣運輸方面應用最為廣泛，管道運輸在油氣輸送方面既安全又經濟，能充分保證其綜合效益。隨著社會經濟的快速發展，社會對油氣資源的需求量劇增，作為油氣資源最重要的運輸渠道，管道在我國各個省市地區進行了大量鋪設，總里程數已經超過了六萬多公里[2]。但是我國油氣資源處于地區發展不均衡階段，油氣資源主要分布在西北地區，而經濟發達地區處于東南沿海，因此需要鋪設很長的油氣管道，而且，油氣管道一般鋪設在地下，隨著服役時間的增加和里程數的增長，管道容易受到土壤腐蝕，出現一系列的腐蝕缺陷，微小的缺陷不容易被發現，但是會減薄管道壁厚從而影響管道的力學性能，當缺陷逐漸增大到一定程度時，會使管道發生泄漏事故，甚至導致火災、爆炸等，造成重大經濟損失[3]。尤其是在一些不重視保護生態環境的城鎮地區，隨著重工業的快速發展，不達標的工業廢水任意排放，不僅污染生態環境，而且會使土壤的pH值增加，油氣管道受土壤腐蝕的速率大大增加，很容易造成管道泄露穿孔。除了土壤腐蝕外，管道在焊接過程中產生的裂紋會隨著時間的延長而擴展，裂紋的擴展會對管道的力學性能產生損害，使其承壓能力和運輸能力下降，當裂紋發展到一定程度時，如果不能被及時發現和維護，就可能引發油氣管道的開孔泄露，而且有些油氣管道從人們居住的城市穿過，如果發生開孔泄露事故，不僅會造成巨大的經濟損失，而且還會對人們的生命造成威脅，破壞人們的生態環境[4]。針對油氣管道腐蝕缺陷所產生的一系列問題，國內外學者對其進行了大量研究，但主要針對單一的腐蝕缺陷如方形缺陷、圓形缺陷、橢圓形缺陷等，但是對于組合缺陷還研究得比較少，而且常見的影響缺陷管道應力分布的因素有載荷因素、幾何因素如缺陷深度、缺陷長度、缺陷寬度、缺陷半徑等，但是哪個因素占主導地位研究得還比較少[5-7]。因此，筆者借助ANSYS有限元分析軟件，對方形缺陷、圓形缺陷、組合缺陷油氣管道進行了數值模擬研究，首先考察三種缺陷的應力云圖分布特點，其次，引入正交實驗，通過改變三種缺陷的載荷和幾何尺寸如長度、半徑等，考察這幾種因素對最大等效應力的影響規律，所得結論為含缺陷油氣管道的優化設計提供一定的依據。
1有限元分析過程
1.1幾何尺寸及物性參數
以某采油廠實際數據為例，管道選取材料為20鋼，設計壓力p為1.8MPa，設計溫度為20℃。物性參數為：鋼材彈性模量E為1.9×105MPa，管道材料泊松比μ為0.3，鋼材屈服強度σs為340MPa，鋼材的抗拉強度σb為600MPa。幾何尺寸為：管道內徑Di為165mm，厚度t為8mm，筒體長度L為1500mm。共研究三種管道缺陷：方形缺陷、圓形缺陷及組合缺陷，方形缺陷長度為100mm，缺陷深度為2.0mm，圓形缺陷半徑為30mm，缺陷深度為2.0mm，組合缺陷為方形缺陷和圓形缺陷的組合。借助所建模型的幾何對稱性和載荷對稱性，選取缺陷管道的一半進行研究，利用ANSYS有限元分析軟件進行建模，直接生成三維實體模型，所建模型如圖1所示[8]。
1.2邊界條件及載荷
含腐蝕缺陷管道除了承受內壓p之外，還會承受諸如外壓、地震載荷、雪載荷、風載荷等載荷的作用，但是在眾多載荷之中，內壓p占據主導地位，其他載荷的影響可以忽略不計，因此，在對缺陷管道應力分析時，只考慮內壓載荷p的作用[9]。鑒于含缺陷管道幾何形狀和載荷的軸對稱性，將其簡化為軸對稱問題。在管道對稱面上施加對稱約束，約束其軸向位移和端面位移，在其內表面施加內壓載荷p。
2有限元法評價結果
利用ANSYS軟件后處理中的應力云圖，來分析缺陷尺寸和載荷對其應力分布的影響。首先考察三種缺陷的應力云圖分布特點，其次，引入正交實驗，通過改變三種缺陷的載荷和幾何尺寸如長度、半徑等，考察這幾種因素對最大應力的影響規律。
2.1應力云圖
方形缺陷、圓形缺陷、組合缺陷油氣管道的等效應力云圖如圖2所示，可以看出，油氣管道整體等效應力分布均勻，不均勻部位發生在缺陷附近區域。這是由于缺陷的存在，使管道呈現兩個區域即連續區域和不連續區域，缺陷附近區域為不連續區域，遠離缺陷區域為連續區域：在不連續區域內，除了承受由內壓引起的薄膜應力外，由于幾何形狀發生突變，還會產生由邊緣力和邊緣力矩引起的不連續應力，而不連續應力的分布特點為局部性和自限性，所以，在缺陷附近區域應力最大，而超過這個區域基本不受等效應力的影響；遠離缺陷區域，只受內壓p的作用，產生的應力為薄膜應力，沿壁厚呈均勻分布，而且應力比缺陷附近區域要小得多[10]。
2.2正交實驗
影響缺陷管道應力分布的因素有載荷因素、幾何因素如缺陷深度、缺陷長度、缺陷寬度、缺陷半徑等，以缺陷長度、缺陷深度、缺陷半徑和內壓為研究因素，考慮引進正交實驗，來考察這幾種因素對含缺陷管道最大等效應力的影響。以缺陷深度、缺陷長度、壓力為考察因素，方形缺陷三因素三水平正交表格如表1所示，其正交實驗結果如表2所示。可以看出，方形缺陷長度因素的極差為8.916，方形缺陷深度因素的極差為7.051，方形缺陷壓力因素的極差為22.096，極差越大，對其影響程度越大，所以壓力因素對最大等效應力的影響程度最大，缺陷長度因素對最大等效應力的影響程度次之，缺陷深度因素對最大等效應力的影響程度最小。以缺陷深度、缺陷半徑、壓力為考察因素，圓形缺陷三因素三水平正交表格如表3所示，其正交實驗結果如表4所示。可以看出，圓形缺陷半徑因素的極差為15.055，圓形缺陷深度因素的極差為0.892，圓形缺陷壓力因素的極差為28.170，極差越大，對其影響程度越大，所以壓力因素對最大等效應力的影響程度最大，缺陷半徑因素對最大等效應力的影響程度次之，缺陷深度因素對最大等效應力的影響程度最小。將方形缺陷和圓形缺陷同時出現在管道上即組成組合缺陷，影響組合缺陷最大等效應力的因素有方形缺陷長度、圓形缺陷半徑、缺陷深度和壓力。以方形缺陷長度、圓形缺陷半徑、缺陷深度和壓力為考察因素，組合缺陷四因素三水平正交表格如表5所示，其正交實驗結果如表6所示。可以看出，組合缺陷長度因素的極差為9.896，組合缺陷半徑因素的極差為14.667，組合缺陷深度因素的極差為1.381，組合缺陷壓力因素的極差為30.910，極差越大，對其影響程度越大，所以壓力因素對最大等效應力的影響程度最大，缺陷半徑和缺陷長度因素對最大等效應力的影響程度次之，缺陷深度因素對最大等效應力的影響程度最小。通過對這三種缺陷進行正交分析，可以看出，壓力因素對最大等效應力的影響程度最高，缺陷深度對最大等效應力的影響程度最小，所得結論為含缺陷油氣管道的優化設計提供了理論依據。
3結論
（1）由于缺陷的存在，使管道呈現兩個區域即連續區域和不連續區域，在連續區域，油氣管道整體等效應力分布均勻，在不連續區域，應力出現突變。（2）以缺陷長度、缺陷深度、缺陷半徑和內壓為研究因素，通過正交實驗對方形缺陷、圓形缺陷及組合缺陷油氣管道進行分析，壓力對最大等效應力的影響程度最大，缺陷深度對最大等效應力的影響程度最小。
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作者：王戰輝 張智芳 高勇 鄭兵兵 葉軍 單位：榆林學院