輸油管道盜孔結(jié)構(gòu)修復(fù)應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

師澤一，吳 明

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順113001）

輸油管道盜孔結(jié)構(gòu)修復(fù)應(yīng)力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

師澤一，吳 明

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順113001）

為了有效快速地修復(fù)輸油管道盜油孔，建立了長距離油氣管道有限元模型，利用ANSYS有限元分析軟件對盜孔修復(fù)整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計、耦合場分析及修復(fù)等系統(tǒng)化的仿真模擬。結(jié)果顯示，盜孔及焊帽修復(fù)主要對盜油孔局部存在影響，結(jié)構(gòu)改變造成應(yīng)力集中，最大應(yīng)力發(fā)生在孔的內(nèi)邊緣；補板修復(fù)方法最大應(yīng)力發(fā)生管體開孔邊緣處。研究結(jié)果表明，對于單一的盜孔，在相同壓力下，補板修復(fù)方式產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力最小，危險區(qū)數(shù)量最少，結(jié)構(gòu)最為安全，是相對較好的盜孔缺陷修復(fù)方法。

輸油管道；盜孔修復(fù)結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；模擬仿真

Abstract:In order to effectively and rapidly repair the stealing hole in oil pipeline,the stealing hole repair structure of longdistance oil pipeline was optimized.By establishing the finite element model of long distance oil and gas pipeline structure,it used finite element analysis software ANSYS to conduct systematic simulation,such as optimized design of the whole structure of stealing hole,coupling field analysis and repair,and so on.The simulation results showed that the stealing hole and welding cap repair mainly affected the part area of stealing oil hole,the structure change caused stress concentration,and the maximum stress occurred at inside edge of sealing oil hole.For plate repair method,the maximum stress occurred at the edge of pipe opening hole.The results indicated that the stealing hole and the welding cap repair will cause the oil pipeline existing local stress concentration;for single hole,under the same pressure,the welding residual stress caused by the plate repair method was the minimum,the quantity of the welding residual stress in danger zone was the minimum,structure was the safest,which was relatively superior method for repairing the defect of stealing hole.

Key words:oil pipeline;stealing role repair structure;optimization design;analog simulation

隨著石油和天然氣的發(fā)展，能源消費快速增長，石油和天然氣儲量、產(chǎn)量和貿(mào)易量也呈快速增長趨勢，長距離管道輸送已成為最主要的能源運輸方式[1-5]。在能源運輸中，工程日益復(fù)雜，向著自動化、大型化、整體化方向發(fā)展，長輸管道占據(jù)著越來越重要的地位[6-8]。

近年來，我國輸油管道打孔盜油事件頻發(fā)，這些案件往往造成嚴重的直接經(jīng)濟損失，打孔盜油對于輸油管道安全運行帶來極大的風(fēng)險[9-12]。因此，研究管道盜油孔焊接殘余應(yīng)力及缺陷修復(fù)方法，快速有效地修復(fù)盜油孔，找出修復(fù)盜油孔的最佳設(shè)計方案，最大限度的減少企業(yè)財產(chǎn)損失和環(huán)境污染，對保障長輸管道的安全運行具有重大意義。

1 長距離輸油管道盜孔修復(fù)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力計算方法

當前工程管道設(shè)計中用于計算局部應(yīng)力最常用的方法是由WRC107和WRC297公報中提供的方法。同時，歐盟壓力容器設(shè)計標準EN13445頒布了另一種局部應(yīng)力計算方法，該方法率先提出了針對修復(fù)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，以及在給定參數(shù)范圍內(nèi)的局部應(yīng)力計算方法。因此，本研究采用該方法對長距離輸油管道盜孔修復(fù)結(jié)構(gòu)進行局部應(yīng)力計算。

（1）確定基本幾何尺寸，即殼體平均直徑D、殼體厚度ea、補強圈寬度L、補強圈厚度e2、圓柱殼與補強圈組合后的分析厚度ec、接管直徑d和接管厚度eb，并求解無量綱參數(shù)λc，

（2）按照標準給定的公式和圖表求解載荷單獨作用時的最大值，即最大壓力pmax、最大軸向載荷Fz,max和最大彎矩Mx,max、My,max。其中

式中：系數(shù)C1、C2、C3可以在給定的標準中查取。

（3）計算并限定載荷的比例系數(shù)Φp（壓力）、Φz（軸向載荷）和 ΦB（彎矩）， 即

（4）考慮載荷的組合作用，即

式中：接管與管路剛性連接時C4=1.0；

接管與管路設(shè)計上留有空隙時C4=1.1。

（5）考慮載荷波動范圍 △p、 △Fz、 △Mx、△My， 并計算應(yīng)力 σp、 σFz、 σMx、 σMy及熱應(yīng)力σπ， 即

式中：eeq—接管邊緣殼體的有效厚度，eeq=ea+

（6）負荷波動產(chǎn)生的應(yīng)力和熱應(yīng)力應(yīng)滿足

（7）校核接管的縱向應(yīng)力及接管的軸向穩(wěn)定性應(yīng)滿足

（8）EN13445標準中計算方法的條件限制及注意事項為

2 實例研究

2.1 輸油管道有限元模擬

研究對象為輸油管道，管材選用X60鋼級Φ720 mm×8 mm鋼管，管道總長4 m，設(shè)計壓力8.0 MPa，局部最高設(shè)計壓力14.0 MPa，設(shè)計最大Mises應(yīng)力值為600 MPa。彈性模量206 GPa，內(nèi)壓4 MPa，模型采用SOLID45單元。對無盜孔管道進行計算，得到其應(yīng)力-應(yīng)變云圖如圖1所示。

圖1 無盜孔管道Von Mises應(yīng)力-應(yīng)變云圖

由圖1可知，無盜孔管道在持續(xù)內(nèi)壓4 MPa作用下，管道Mises應(yīng)力值為199 MPa。根據(jù)第四強度校核理論得知，此狀態(tài)下油管處于安全狀態(tài)。

盜孔對輸油管道應(yīng)力分布存在顯著的影響，由于載荷及結(jié)構(gòu)約束條件復(fù)雜，解析法求解較為困難，故采用有限元方法進行數(shù)值模擬，可以獲得一定的參考值，一般情況下工程中參考此值具有一定的安全性，利用ANSYS三維大型有限元計算軟件，對存在盜孔的輸油管道應(yīng)力分布進行有限元計算。

存在盜孔的輸油管道有限元模型設(shè)定盜油孔數(shù)目為9孔，不均勻分布在服役輸油管道上，接管外徑d=48 mm。對接管由油管端面依次進行排序，第1接管距離接管端面0.8 m，第2接管距第1接管0.3 m，以此類推得到盜油孔管道模型如圖2所示。

圖2 盜孔管道有限元模型

圖2（b）中直管總長L=4 m，外徑D=720 mm，壁厚δ=8 mm，坐標原點位于管道端面。由端面起始，對9個盜孔分別進行編號，其中第1、4、8號接管直徑d1=48 mm；第2、3、6號接管直徑d2=36 mm；第5、7、9號接管直徑d3=30 mm。規(guī)定第3、7接管與徑向夾角為-15°，第5、6接管與徑向夾角為0°，第1、2、4、7、9接管與徑向夾角為15°。網(wǎng)格劃分采用自由劃分形式，智能尺寸選8，生成三角形網(wǎng)格，其中對盜孔處進行網(wǎng)格細化。

為判定盜孔管道應(yīng)力-應(yīng)變受損程度，與無盜孔管道的應(yīng)力-應(yīng)變分析結(jié)果進行對比，利用ANSYS軟件對盜油孔管道進行有限元分析，并采用實體單元對管道建模，將上述模型進行底端全約束，并施加內(nèi)壓p=4 MPa進行求解，得到相應(yīng)的Mises應(yīng)力-應(yīng)變分布云圖如圖3所示。

圖3 盜孔管道Von Mises應(yīng)力-應(yīng)變云圖

由圖3可知，管道最大應(yīng)力發(fā)生在盜油孔的內(nèi)邊緣附近。其中，盜油孔等破壞方式主要對存在盜孔管道局部存在影響，考慮管道結(jié)構(gòu)改變引起管道盜油孔處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，ANSYS計算結(jié)果表明，在內(nèi)壓4 MPa作用下在盜孔附近產(chǎn)生應(yīng)力-應(yīng)變集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值產(chǎn)生在盜孔邊緣，其最大值為543 MPa，此點為危險點，管道服役期間應(yīng)重點考慮，以保證管道的正常工作。

2.2 管道盜孔缺陷結(jié)構(gòu)的修復(fù)及優(yōu)化

打孔盜油是造成管道機械損傷失效的主要因素，這不僅會帶來直接的經(jīng)濟損失，更嚴重的是降低了管道的整體承壓能力，對管道完整性造成威脅[13-15]。因此，一旦發(fā)現(xiàn)管道盜孔應(yīng)立即采取修補加固措施。

目前，采用的管道盜孔修復(fù)方式主要有兩種，一種是盜孔缺陷焊帽修復(fù)；另一種是盜孔缺陷補板修復(fù)。KIM Y P等人[16]進一步研究了其他焊接輸入因素對在役管道結(jié)構(gòu)焊接修復(fù)的影響，首先采用堆焊的方法研究了不同厚度鋼板焊接修復(fù)時發(fā)生管道燒穿的最高溫度，確定焊接熱輸入范圍，但是這類相關(guān)試驗并沒對在役管道進行實際應(yīng)用。中國石油大學(xué)（華東）重點實驗室率先研究了在流動介質(zhì)冷卻的情況下，選取16Mn鋼和X70鋼為管材，通過模擬試驗裝置研究在役焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)的焊帽性能和微觀組織變化特性，并與空冷和靜態(tài)介質(zhì)冷卻條件下的性能和組織進行了對比分析[17-19]。王福眾等人[20]對輸油管道盜孔引起管道局部應(yīng)力集中及焊接修復(fù)時產(chǎn)生殘余應(yīng)力的狀況進行了研究，結(jié)果表明，盜孔及其修補焊帽的存在造成了局部應(yīng)力集中，應(yīng)力集中系數(shù)最高為2.05。

基于有、無盜孔油氣管道的應(yīng)力-應(yīng)變分析，本研究根據(jù)管道修復(fù)結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立管道盜孔缺陷結(jié)構(gòu)的管道模型，并將這兩種修復(fù)方法進行了數(shù)值模擬和修復(fù)結(jié)構(gòu)強度結(jié)果對比分析。

2.2.1 焊帽修復(fù)

選取盜孔缺陷焊帽進行有限元分析，采用線彈性計算方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，建立1/4模型，采用SOLID45單元。管道為X60焊管，材料屬性同上述模型，其中整個模型軸長為4 m，焊帽內(nèi)直徑為160 mm，焊帽高度為200 mm，壁厚8 mm。

由于管道結(jié)構(gòu)及載荷的對稱性，利用1/4模型以節(jié)省計算資源。在求解該模型時施加約束條件和載荷，在對稱面施加對稱約束，在管道和盜孔內(nèi)壁施加內(nèi)壓，內(nèi)壓4 MPa，并對該模型進行網(wǎng)格劃分，對于盜孔和焊帽部分進行網(wǎng)格細化，如圖4所示。

圖4 內(nèi)壓作用下盜孔和焊帽部分有限元模型

首先，在接管區(qū)取3個關(guān)鍵點，包括管體邊緣處、接管邊緣外部和焊帽邊緣處，觀察其應(yīng)力隨內(nèi)壓變化的情況。將模型進行計算分析，得到其Mises應(yīng)力-應(yīng)變云圖如圖5所示。

由圖5可知，最大應(yīng)力發(fā)生在孔的內(nèi)邊緣。在內(nèi)壓為4 MPa時，其Mises最大應(yīng)力為448 MPa，即在盜孔的內(nèi)邊緣首先發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并隨內(nèi)壓的增大發(fā)生破壞。

2.2.2 補板修復(fù)

選取盜孔缺陷補板進行有限元分析，采用線彈性計算方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，建立1/4模型，采用SOLID45單元。管道材料屬性同上述模型，輸油管道總長1 m，外徑720 mm，壁厚8 mm，坐標原點位于管道端面。盜孔接管外徑為48 mm，補板部分內(nèi)徑720 mm，壁厚8 mm，補板距離管道端面0.9 m，補板圓心角為60°，對該模型進行網(wǎng)格劃分，在盜孔和補板部分進行網(wǎng)格細化如圖6所示。

圖5 接管處Von Mises應(yīng)力-應(yīng)變云圖

圖6 內(nèi)壓作用下盜孔和補板部分有限元模型

首先，為了觀察補板結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨內(nèi)壓變化情況，在補板區(qū)取3個關(guān)鍵點，包括開孔邊緣處、開孔與補板交界處和補板邊緣處。計算該模型，得到其Mises應(yīng)力-應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖7 補板結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力-應(yīng)變云圖

由圖7可知，最大應(yīng)力發(fā)生在管體開孔邊緣處。在內(nèi)壓為4 MPa時，其Mises最大應(yīng)力為208 MPa，即在管體開孔邊緣處首先發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并隨內(nèi)壓的增大首先發(fā)生屈服破壞。

通過以上計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，盜孔及其修補焊帽的存在造成了管道局部應(yīng)力集中，在相同壓力下，對于單一的盜孔來說，補板修復(fù)方式的焊接殘余應(yīng)力最小，危險區(qū)數(shù)量最少，結(jié)構(gòu)最為安全，為相對較優(yōu)的盜孔缺陷修復(fù)方法。

3 結(jié) 論

（1）無盜孔下的管道應(yīng)力均勻，小于最大設(shè)計Mises應(yīng)力，管道相對安全。

（2）盜孔等破壞方式會對管道局部產(chǎn)生影響，在盜孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力發(fā)生在盜孔的內(nèi)邊緣附近，應(yīng)力最大值為543 MPa，此點為危險點，管道服役期間應(yīng)重點考慮，以保證管道的正常工作。

（3）對于單一的盜孔，在相同壓力下，焊帽修復(fù)最大Mises應(yīng)力為448 MPa，補板修復(fù)最大Mises應(yīng)力為208 MPa，補板修復(fù)方式產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力最小，危險區(qū)數(shù)量最少，結(jié)構(gòu)最為安全，是相對較好的盜孔缺陷修復(fù)方法。

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Repair Stress Analysis and Structural Optimum Design for Stealing Hole of Oil Pipeline

SHI Zeyi,WU Ming
（Liaoning University of Petroleum and Chemical Technology,Fushun 113001,Liaoning,China）

TG115.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.06.008

2017-02-16

編輯：黃蔚莉

師澤一（1990—），男，碩士研究生，研究方向為成品油管道盜孔結(jié)構(gòu)修復(fù)。