管道運輸是輸送石油和天然氣等產(chǎn)品的安全運輸方式,我國長(cháng)輸油氣管道總長(cháng)度在2014年已達12×E4 km,其中運行時(shí)間在20年以上的占62%。由于老化和環(huán)境因素引起的腐蝕缺陷會(huì )降低管道的強度,減小其抗疲勞能力,造成管道局部屈曲、泄漏甚至爆破。目前,腐蝕缺陷已成為埋地油氣管道失效的主要原因,據統計因腐蝕缺陷導致管道破壞進(jìn)而發(fā)生的事故約占事故總數的50%左右。因此,對埋地油氣管道進(jìn)行定期檢測和管道剩余強度評估,建立高可靠度的管線(xiàn)剩余強度分析方法,對管道的安全性評價(jià)非常重要。
從20世紀60年代初開(kāi)始,國外學(xué)者對管道剩余強度評價(jià)方法進(jìn)行了研究。例如,美國機械工程師協(xié)會(huì )根據半經(jīng)驗斷裂力學(xué)公式提出了ASME。拢常保—2009準則;英國燃氣公司和挪威船級社共同完成了DNV。遥校疲保埃睒藴;美國Battlle實(shí)驗室開(kāi)發(fā)了PCORRC方法。我國也制定了SY/T6151—1995、SY/T。叮矗罚—2000、SY/T。保埃埃矗—2003等標準。20世紀90年代中期,B.Chouchaoui等首先提出了彈塑性有限元分析方法,隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展和有限元理論的不斷成熟,以有限元模擬為主、試驗為輔的腐蝕管道研究方法被廣泛采用,并取得了豐碩成果。有限元模擬方法可以根據管道缺陷的實(shí)際形狀進(jìn)行建模,并且考慮管道材料的可塑性、應力強化、大變形和大應變等非線(xiàn)性因素。
國內外的很多學(xué)者主要應用有限元法評定平底缺陷腐蝕管道的剩余強度和剩余壽命,但是模擬的缺陷形狀相對單一,對橢球形等形狀缺陷進(jìn)行的研究相對較少。筆者借助大型有限元分析軟件ANSYS,采用幾何非線(xiàn)性和材料非線(xiàn)性有限元方法,針對我國某成品油管道檢測出的兩個(gè)缺陷,建立了橢球形缺陷管道模型,并計算了應力狀態(tài),同時(shí),基于彈性極限準則和塑性極限狀態(tài)失效準則,在已知腐蝕速率的情況下,對腐蝕管線(xiàn)的剩余壽命進(jìn)行了預測。
某長(cháng)輸成品油管道1995年10月投產(chǎn),至今已經(jīng)運行近20年。管材為API。兀担蹭,管道直徑為377mm,壁厚為6mm,最小屈服強度為360MPa,抗拉強度為528MPa。從《機械設計手冊》查得,材料的彈性模量E=210000MPa,泊松比υ=0.3,設計壓力和最大允許操作壓力均為6.0MPa。在管道內檢測時(shí)發(fā)現了多個(gè)缺陷,對其中的兩個(gè)缺陷進(jìn)行了開(kāi)挖驗證。驗證結果表明,內檢測尺寸較為準確。兩個(gè)腐蝕缺陷的詳細尺寸見(jiàn)表1,F以2#腐蝕缺陷為例,介紹建模及求解過(guò)程。
外腐蝕管道有限元模型的建立在有限元分析過(guò)程中,為了能找到一定的外腐蝕安全評估規律,可將腐蝕寬度較小的缺陷簡(jiǎn)化為形狀規則的模型,即同時(shí)對稱(chēng)于通過(guò)管道軸線(xiàn)的平面和垂直于管道軸線(xiàn)的平面的橢球模型。為了節省計算資源,在分析過(guò)程中。保吹墓艿滥P。為了消除邊界效應,根據圣維南原理,管道長(cháng)度。保埃埃埃恚恚ù笥诠軓降模脖叮。在建立幾何模型時(shí),對管道模型與橢球模型進(jìn)行布爾減法運算,即可得到橢球形缺陷。
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