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摘要：含缺陷油氣管道會(huì)減薄管道壁厚，從而影響管道的力學(xué)性能，當(dāng)缺陷逐漸增大到一定程度時(shí)，會(huì)使管道發(fā)生泄漏事故，甚至導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，借助ANSYS有限元分析軟件，對(duì)方形缺陷、圓形缺陷、組合缺陷油氣管道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，首先考察三種缺陷的應(yīng)力分布特點(diǎn)，其次，引入正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變?nèi)N缺陷的載荷和幾何尺寸如長(zhǎng)度、半徑等，考察這幾種因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律，所得結(jié)論為含缺陷油氣管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：缺陷；油氣管道；ANSYS；應(yīng)力分布

管道作為運(yùn)輸工具，在人們的日常生活以及現(xiàn)代工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，其內(nèi)部運(yùn)輸介質(zhì)通常有氣體、液體和固體[1]。管道在我國(guó)的應(yīng)用已經(jīng)有一個(gè)多世紀(jì)的歷史了，在石油和天然氣運(yùn)輸方面應(yīng)用最為廣泛，管道運(yùn)輸在油氣輸送方面既安全又經(jīng)濟(jì)，能充分保證其綜合效益。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)油氣資源的需求量劇增，作為油氣資源最重要的運(yùn)輸渠道，管道在我國(guó)各個(gè)省市地區(qū)進(jìn)行了大量鋪設(shè)，總里程數(shù)已經(jīng)超過(guò)了六萬(wàn)多公里[2]。但是我國(guó)油氣資源處于地區(qū)發(fā)展不均衡階段，油氣資源主要分布在西北地區(qū)，而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)處于東南沿海，因此需要鋪設(shè)很長(zhǎng)的油氣管道，而且，油氣管道一般鋪設(shè)在地下，隨著服役時(shí)間的增加和里程數(shù)的增長(zhǎng)，管道容易受到土壤腐蝕，出現(xiàn)一系列的腐蝕缺陷，微小的缺陷不容易被發(fā)現(xiàn)，但是會(huì)減薄管道壁厚從而影響管道的力學(xué)性能，當(dāng)缺陷逐漸增大到一定程度時(shí)，會(huì)使管道發(fā)生泄漏事故，甚至導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[3]。尤其是在一些不重視保護(hù)生態(tài)環(huán)境的城鎮(zhèn)地區(qū)，隨著重工業(yè)的快速發(fā)展，不達(dá)標(biāo)的工業(yè)廢水任意排放，不僅污染生態(tài)環(huán)境，而且會(huì)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(guò)程中產(chǎn)生的裂紋會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而擴(kuò)展，裂紋的擴(kuò)展會(huì)對(duì)管道的力學(xué)性能產(chǎn)生損害，使其承壓能力和運(yùn)輸能力下降，當(dāng)裂紋發(fā)展到一定程度時(shí)，如果不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，就可能引發(fā)油氣管道的開(kāi)孔泄露，而且有些油氣管道從人們居住的城市穿過(guò)，如果發(fā)生開(kāi)孔泄露事故，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)對(duì)人們的生命造成威脅，破壞人們的生態(tài)環(huán)境[4]。針對(duì)油氣管道腐蝕缺陷所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，但主要針對(duì)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(duì)于組合缺陷還研究得比較少，而且常見(jiàn)的影響缺陷管道應(yīng)力分布的因素有載荷因素、幾何因素如缺陷深度、缺陷長(zhǎng)度、缺陷寬度、缺陷半徑等，但是哪個(gè)因素占主導(dǎo)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(duì)方形缺陷、圓形缺陷、組合缺陷油氣管道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，首先考察三種缺陷的應(yīng)力云圖分布特點(diǎn)，其次，引入正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變?nèi)N缺陷的載荷和幾何尺寸如長(zhǎng)度、半徑等，考察這幾種因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律，所得結(jié)論為含缺陷油氣管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1有限元分析過(guò)程

1.1幾何尺寸及物性參數(shù)

以某采油廠實(shí)際數(shù)據(jù)為例，管道選取材料為20鋼，設(shè)計(jì)壓力p為1.8MPa，設(shè)計(jì)溫度為20℃。物性參數(shù)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(qiáng)度σs為340MPa，鋼材的抗拉強(qiáng)度σb為600MPa。幾何尺寸為：管道內(nèi)徑Di為165mm，厚度t為8mm，筒體長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)稱(chēng)性和載荷對(duì)稱(chēng)性，選取缺陷管道的一半進(jìn)行研究，利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模，直接生成三維實(shí)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(nèi)壓p之外，還會(huì)承受諸如外壓、地震載荷、雪載荷、風(fēng)載荷等載荷的作用，但是在眾多載荷之中，內(nèi)壓p占據(jù)主導(dǎo)地位，其他載荷的影響可以忽略不計(jì)，因此，在對(duì)缺陷管道應(yīng)力分析時(shí)，只考慮內(nèi)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(duì)稱(chēng)性，將其簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。在管道對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束，約束其軸向位移和端面位移，在其內(nèi)表面施加內(nèi)壓載荷p。

2有限元法評(píng)價(jià)結(jié)果

利用ANSYS軟件后處理中的應(yīng)力云圖，來(lái)分析缺陷尺寸和載荷對(duì)其應(yīng)力分布的影響。首先考察三種缺陷的應(yīng)力云圖分布特點(diǎn)，其次，引入正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變?nèi)N缺陷的載荷和幾何尺寸如長(zhǎng)度、半徑等，考察這幾種因素對(duì)最大應(yīng)力的影響規(guī)律。

2.1應(yīng)力云圖

方形缺陷、圓形缺陷、組合缺陷油氣管道的等效應(yīng)力云圖如圖2所示，可以看出，油氣管道整體等效應(yīng)力分布均勻，不均勻部位發(fā)生在缺陷附近區(qū)域。這是由于缺陷的存在，使管道呈現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域即連續(xù)區(qū)域和不連續(xù)區(qū)域，缺陷附近區(qū)域?yàn)椴贿B續(xù)區(qū)域，遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域?yàn)檫B續(xù)區(qū)域：在不連續(xù)區(qū)域內(nèi)，除了承受由內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力外，由于幾何形狀發(fā)生突變，還會(huì)產(chǎn)生由邊緣力和邊緣力矩引起的不連續(xù)應(yīng)力，而不連續(xù)應(yīng)力的分布特點(diǎn)為局部性和自限性，所以，在缺陷附近區(qū)域應(yīng)力最大，而超過(guò)這個(gè)區(qū)域基本不受等效應(yīng)力的影響；遠(yuǎn)離缺陷區(qū)域，只受內(nèi)壓p的作用，產(chǎn)生的應(yīng)力為薄膜應(yīng)力，沿壁厚呈均勻分布，而且應(yīng)力比缺陷附近區(qū)域要小得多[10]。

2.2正交實(shí)驗(yàn)

影響缺陷管道應(yīng)力分布的因素有載荷因素、幾何因素如缺陷深度、缺陷長(zhǎng)度、缺陷寬度、缺陷半徑等，以缺陷長(zhǎng)度、缺陷深度、缺陷半徑和內(nèi)壓為研究因素，考慮引進(jìn)正交實(shí)驗(yàn)，來(lái)考察這幾種因素對(duì)含缺陷管道最大等效應(yīng)力的影響。以缺陷深度、缺陷長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。可以看出，方形缺陷長(zhǎng)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(duì)其影響程度越大，所以壓力因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最大，缺陷長(zhǎng)度因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度次之，缺陷深度因素對(duì)最大等效應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)其影響程度越大，所以壓力因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最大，缺陷半徑因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度次之，缺陷深度因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最小。將方形缺陷和圓形缺陷同時(shí)出現(xiàn)在管道上即組成組合缺陷，影響組合缺陷最大等效應(yīng)力的因素有方形缺陷長(zhǎng)度、圓形缺陷半徑、缺陷深度和壓力。以方形缺陷長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。可以看出，組合缺陷長(zhǎng)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(duì)其影響程度越大，所以壓力因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最大，缺陷半徑和缺陷長(zhǎng)度因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度次之，缺陷深度因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最小。通過(guò)對(duì)這三種缺陷進(jìn)行正交分析，可以看出，壓力因素對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最高，缺陷深度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最小，所得結(jié)論為含缺陷油氣管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3結(jié)論

（1）由于缺陷的存在，使管道呈現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域即連續(xù)區(qū)域和不連續(xù)區(qū)域，在連續(xù)區(qū)域，油氣管道整體等效應(yīng)力分布均勻，在不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)力出現(xiàn)突變。（2）以缺陷長(zhǎng)度、缺陷深度、缺陷半徑和內(nèi)壓為研究因素，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)方形缺陷、圓形缺陷及組合缺陷油氣管道進(jìn)行分析，壓力對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最大，缺陷深度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響程度最小。

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作者：王戰(zhàn)輝 張智芳 高勇 鄭兵兵 葉軍 單位：榆林學(xué)院