基于ANSYS有限元法的外腐蚀管道剩余强度和剩余寿命的研究.pdf

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1、第40卷第5期化工机械639基于ANSYS有限元法的外腐蚀管道剩余强度和剩余寿命的研究4张旭昀料1韩军1徐子怡2孙丽丽1王勇1(1．东北石油大学材料科学与工程系；2．中国石油大学(北京)石油工程学院)摘要采用ANSYS有限元软件，结合大庆油田采油六厂埋地管道的实际工况，对含外腐蚀缺陷的管道进行了分析，研究了不同形状下缺陷长度、宽度及深度等因素对管道失效的影响，以管道实测缺陷为依据，用ANSYS计算了管道的剩余强度，根据失效准则并结合实测数据，确定了腐蚀管道的剩余寿命。结果表明：对于平底方形缺陷，缺陷长度和深度对失效的影响都有临界值，深度是影

2、响失效的一个重要因素；对于椭圆形缺陷来说，缺陷长度争深度对失效的影响成正比，缺陷宽度对失效的影响成反比关系。ANSYS有限元法为寿命预测提供了必要的保障，对工程应用有重要的参考价值。关键词外腐蚀管道剩余强度剩余寿命ANSYS中图分类号TQ055．8+I文献标识码A文章编号0254-6094(2013)05-0639-04大庆油田采油六厂自投产以来，埋地管道服役期最长的已有38a，管道穿孔事故常常发生，腐蚀是造成管道失效的关键因素，其中外腐蚀情况较严重，管道外壁出现不同形状的腐蚀缺陷。为了保证管道的正常运行，为确定管道的检测周期及维修周期等提

3、供科学依据，需要对腐蚀管道剩余强度与剩余寿命作出准确的评估⋯。国内外的许多学者在应用有限元法判断腐蚀管道的剩余强度和剩余寿命方面，多集中在方形缺陷的研究，缺陷形状相对单一，对于其他形状的缺陷(如椭圆形等)来说，研究的相对较少。因此，利用有限元法模拟多种缺陷形状，对有限元法的推广应用有着重要的意义。笔者采用有限元法，结合大庆油田采油六厂的实际工况，模拟不同腐蚀缺陷下缺陷长度、宽度及深度等因素对埋地管道失效的影响，以管道实测缺陷为依据，用ANSYS计算管道的剩余强度，根据失效准则并结合实测数据计算了腐蚀管道的剩余寿命。1有限元分析步骤应用有限元

4、法时要结合现场的实际工况，并且要使得分析结果准确但计算成本较少，这样要求合理的确定有限元分析步骤。1．1有限元模型的建立合理的简化模型，既能准确地描述腐蚀缺陷又使得计算结果较准确。因为缺陷附近所受的应力较大的缘故，被腐蚀处及其附近部位首先发生破坏，所以在模拟中通常取有缺陷的管段。参考已有管道的调研资料，管道的外腐蚀缺陷主要为局部腐蚀，主要形状为方形和椭圆形(图1、2)，根据模型的对称性，在分析时可只取管道模型的1／4进行。图1平底方形模型}国家科技重大专项“十二五”规划课题(201IZX05016-003)，国家科技支撑计划课题(2012B

5、AH28F03)和黑龙江省普通高等学校化工过程机械重点实验室开放课题资助项目。}·张旭昀，男，1973年12月生，副教授。黑龙江省大庆市。163318。化工机械2013年图2椭圆形模型为了消除边界效应，根据圣维南原理旧J，管道取600mm长。管道参数如下：管道尺寸咖60mm×4mm管道材料20。钢弹性模量206GPa泊松比0．3屈服强度245MPa运行压力4MPa1．2单元选取及网格划分由于缺陷处的应力变化较大，所以分析的重点应在缺陷及缺陷附近处，选用三维八节点六面体SOLID95单元，可以较准确地模拟管体，分析时缺陷处的网格较密，这样计算

6、结果较准确。1．3边界条件设定分析时平行于轴向的两个剖面施加对称约束，缺陷处的纵向剖面垂直位移为零，远离缺陷处的纵向剖面施加全约束。1．4加载求解计算根据埋地管线的实际工况来看，其受到的载荷较多，而且受到多种载荷的联合作用，这使分析过程更加复杂，现为了便于分析，且不影响分析结果，只考虑内压载荷，忽略其他载荷的作用。只施加管道实际运行压力这一参数进行计算。1．5失效准则根据第三强度准则，即腐蚀缺陷区的等效应力超过屈服极限强度认为失效。采用基于这种弹性失效的准则。VonMises表达式为：矿。：^／÷[(盯l一口2)2+(盯2一盯3)2+(盯3

7、一盯I)2]V厶式中盯。、盯：、盯，——3个方向上的主应力，MPa；矿。——屈服应力，MPa。1．6研究内容笔者主要研究平底方形和椭圆形缺陷，缺陷的3个构成要素(长度、宽度、深度)对失效程度的影响。利用有限元法结合实际检测缺陷值。根据第三强度准则，计算了剩余壁厚和剩余寿命。2有限元计算结果分析2．1平底方形模型该模型是一个矩形块和管体相交后得到的(图1)。如图3所示为缺陷长度与等效应力的关系曲线，当缺陷长度从20mm增加到150mm时，等效应力分别增加了25、33、44MPa；当缺陷长度从150mm增加到300mm时，等效应力基本没有增加。

8、长度对失效影响的临界值是150ram，在临界值之内缺陷长度和等效应力成正比关系，临界值之外等效应力基本恒定。260240￡220要200菩180蔌160$140120100图3缺