双点腐蚀缺陷对管道剩余强度的影响.pdf

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1、第37卷第6期化工机械735双点腐蚀缺陷对管道剩余强度的影响洪来凤4孙铁(辽宁石油化工大学)摘要以舍缺陷管道模型为例，应用有限元软件对其进行应力分析，探讨腐蚀缺陷几何参数对管道剩余强度的影响，定量给出了缺陷深度和纵横比(长、短轴之比)变化对管道局部应力的影响作用。关键词管道腐蚀缺陷剩余强度有限元中图分类号TQ055．8+1文献标识码A文章编号0254-6094(2010)06-0735-05含腐蚀缺陷的管道，强度会发生较大的变化，必须对其进行剩余强度评价，以确定管道是否需要维修或更换。实际腐蚀管线中往往带有多个缺陷，

2、这些缺陷由于距离较近会发生交互作用。交互缺陷分为环向排列缺陷、轴向排列缺陷和交叠排列缺陷¨1。为了研究腐蚀缺陷中含有腐蚀坑点时的应力，特对组合缺陷进行了有限元分析，并对轴向排列的两缺陷进行了分析计算。1材料参数及计算模型1．1材料参数目前X70管线钢已成为国际石油、天然气长输管线用钢中使用量最大的钢级，因此采用X70管线钢作为实验材料。可使用《机械设计手册》E2]查得材料的弹性模量E=210GPa，泊松比t，=0．3。1。2几何模型对于整个管道来说，某处发生腐蚀，只对其周围部分的应力产生影响，为了准确地模拟实际腐蚀缺

3、陷，这里以含椭圆凹坑缺陷的管道建立模型，但含椭圆凹坑缺陷管道模型是三维立体模型，在ANSYS中直接建模过程比较繁琐，这里采用Pro／E建模再导入ANSYS中进行分析。简化模型如图1所示。1．3有限元模型在实际情况下，管道所受的载荷为内压、弯矩等，其他载荷对该管道影响很小，可以不予考虑。图l管道模型简化示意图对于分析的模型只考虑内压作用，因此载荷很容易施加。由于该分析只对一段被腐蚀的管道进行，因此，可以认为管子在轴向上没有位移，这样可以对管子模型两端的轴向位移进行约束，对该模型进行网格划分，从而得到有限元模型(图2)。

4、·洪来凤，女，1986年8月生，硕士研究生。辽宁省抚顺市，113001。图2有限元模型736化工机械2010莅2结果分析2．1等效应力定义等效应力按第四强度理论定义，计算式为‘3

5、：矿，M。=√{【(0-1--0"2)2-I-(吒一tr3)2+(盯，一cr3)2】≤[矿](1)式中orvME——等效应力，MPa；[盯]——许用应力，MPa。许用应力[盯]的计算式为：[Or]：=≥(2)式中盯。——材料的屈服强度，MPa；吼——材料的抗拉强度，MPa。在有限元模型中，计算不同缺陷尺寸下管道的等效应力，就可以分析该管道的

6、极限载荷，从而比较其剩余强度。等效应力越大，管道剩余强度越小，越容易发生失效。2．2不同缺陷参数对管道应力的影响2．2．1不同缺陷深度的影响当椭圆形腐蚀缺陷的长半轴t／,分别为50mm和100mm，短半轴b=20mm，管道壁厚t=20mm，两缺陷间距离L=40mm时，分别对深度d=4、7、lO、13、16mm的腐蚀缺陷进行有限元数值模拟。根据弹性模量E=210GPa，泊松比口=0．3，内压力F=10MPa对模型进行计算，得出5种腐蚀深度模型的局部最大应力如图3、4所示。图3o=50ram、b=20mm、L=40mm时

7、不同深度的腐蚀缺陷的局部应力示意图第37卷第6期化工机械737图4口=lOOmm、b=20ram、L=40ram时不同深度的缺陷的局部应力示意图由以上应力分布图可看出，缺陷深度越大，两缺陷中间区域应力越集中，而管道应力集中程度越高就越容易受到破坏。缺陷最大深度变化时管道的最大等效应力也发生变化(表1)。表1缺陷最大深度变化时管道的最大等效应力缺陷长半轴×短半轴缺陷最大深度最大等效100mm×20ram缺陷最大深度最大等效d／mm应力／MPad／mm应力／MPa由上述数据可知，当缺陷最大深度逐渐变大时，管道的最大等效应

8、力逐渐增大，且变化范围较大，当深度每增大3ram时，应力值增加约60—300MPa。可见缺陷深度对管道的局部应力影响很大。而且两种表面参数缺陷随深度变化而引起的应力增大趋势不一样，显然，缺陷长半轴越长，即表面尺寸越大，深度参数对局部应力的影响越大。2．2．2不同缺陷长半轴的影响当两个椭圆形腐蚀缺陷短半轴b=20mm，管道壁厚t=20ram，长半轴口分别为50、lOOmm时，对不同长半轴的腐蚀缺陷进行有限元数值模拟，得出两组最大等效应力比较，如图5所示。当缺陷尺寸分别为b=20ram，d=4mm，L=40ram，长半轴

9、口=50mm时，最大等效应力为139．454MPa；口=lOOmm时，最大等效应力为151．791MPa；当缺陷尺寸为b=20ram，d=lOmm，L=lOmm，长半轴口=50mm时，最大等效应力为259．475MPa；口=lOOmm时，最大等效应力为344．632MPa。由上述两组数据可知，缺陷长半轴增大一倍，管道最大等效应力随之变大，但幅度