基于ANSYS的油氣腐蝕管道的受力分析

杜 捷

(福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院泉州分院，福建 泉州 350008)

1 引言

隨著管道敷設(shè)數(shù)量與投用時(shí)間與日俱增，管道腐蝕頻頻出現(xiàn)，管道安全運(yùn)行受到嚴(yán)重影響。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)許多油氣管道使用年限已經(jīng)接近設(shè)計(jì)年限，有些甚至超過設(shè)計(jì)年限，踏上事故多發(fā)快車。腐蝕是引起管道事故的關(guān)鍵因素，通過引起管壁減薄，進(jìn)而造成局部應(yīng)力集中。隨著管壁不斷減薄，達(dá)到一定程度后將會(huì)發(fā)生破裂，進(jìn)而造成油氣泄漏，從而造成經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡及環(huán)境污染等惡性后果。因此，對(duì)腐蝕管道開展受力分析，探索管道腐蝕規(guī)律有著深遠(yuǎn)意義。

2 直管腐蝕應(yīng)力研究

為了減小油氣管道腐蝕模型規(guī)模，縮短模型計(jì)算時(shí)間，考慮管道結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，選取腐蝕管道結(jié)構(gòu)的四分之一建立模型[1]。利用充足細(xì)密的網(wǎng)格確保有限元仿真結(jié)果擁有較高的精度極為關(guān)鍵。通常來講，軟件計(jì)算準(zhǔn)確度和精度隨著網(wǎng)格分得越多越細(xì)而提高。倘若對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)全部采用細(xì)化網(wǎng)格，則計(jì)算時(shí)間將成倍增加。因而一般只在出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變梯度高的地方采用細(xì)化網(wǎng)格，其它地方采用粗網(wǎng)格。由于腐蝕缺陷處應(yīng)力和變形往往比較大，為保證計(jì)算精度和準(zhǔn)確度，腐蝕缺陷處的網(wǎng)格跟其它部分相比，劃分更細(xì)密。

2.1 直管腐蝕模型的建立

為便于建模，直管腐蝕區(qū)域采用長(zhǎng)方體蝕坑代替，利用ANSYS 20節(jié)點(diǎn)3維6面體單元Solid 95進(jìn)行建模，具體參數(shù)見表1。

表1 管道參數(shù)

取厚度10mm，外徑380mm，長(zhǎng)為管道直徑長(zhǎng)度，腐蝕區(qū)（100×20×5）mm的管道進(jìn)行建模，整個(gè)直管外腐蝕模型見圖1。

圖1 直管外腐蝕有限元模型

由圖1可知，在ANSYS中設(shè)置腐蝕區(qū)域的網(wǎng)格多且密，其他區(qū)域網(wǎng)格較稀松，有利于分析腐蝕區(qū)域的應(yīng)力和變形。

2.2 邊界情況設(shè)定

油氣管道常常受到內(nèi)壓、軸向載荷以及彎矩等載荷的共同作用，而內(nèi)壓常常是最主要的影響因素，因此只考慮內(nèi)壓的作用[2-3]。由于現(xiàn)實(shí)中管道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，而腐蝕分析僅為其中一段，故設(shè)置管道兩端軸向位移為零。因?yàn)楣艿纼蛇厡?duì)稱，所以設(shè)置管壁對(duì)稱面垂直變形為零。整個(gè)邊界條件設(shè)置為：XZ平面內(nèi)設(shè)置Ul=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，XY平面中設(shè)置U2=0，整個(gè)邊界條件見圖2。

圖2 直管有限元模型的邊界條件

2.3 模型加載和結(jié)果分析

管道內(nèi)部壓力取值為3MPa，將建立好的模型命令流導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行加載，加載后的應(yīng)力變化見圖3。

圖3 直管腐蝕模型Von Mises應(yīng)力圖

由圖3可知，腐蝕管道最大Von Mises應(yīng)力為233.654MPa，出現(xiàn)在腐蝕區(qū)域與未腐蝕區(qū)連接縫處，腐蝕區(qū)域的應(yīng)力比未腐蝕處大得多，相對(duì)危險(xiǎn)，未腐蝕區(qū)的應(yīng)力較小，相對(duì)均勻。

3 腐蝕參數(shù)分析

為分析腐蝕缺陷的長(zhǎng)、寬和深3個(gè)因素對(duì)油氣管道最大等效應(yīng)力產(chǎn)生的作用，分別取下述腐蝕長(zhǎng)、寬和深組合工況進(jìn)行計(jì)算，詳見表2。

表2 計(jì)算工況表

3.1 外腐蝕管道的參數(shù)分析

取油氣管道直徑380mm，壁厚10mm，長(zhǎng)為管道直徑長(zhǎng)度，采用腐蝕區(qū)域尺寸不同的20個(gè)組合建立管道外腐蝕模型，分析外腐蝕管道在內(nèi)部壓力3MPa下的應(yīng)力情況，如表3所示。

表3 外腐蝕長(zhǎng)、寬、深對(duì)最大等效應(yīng)力的影響(MPa)

從圖4、5可知，腐蝕區(qū)域最大等效應(yīng)力的增大與腐蝕長(zhǎng)度成正比，增加到一定程度，應(yīng)力值的增幅變小且趨于穩(wěn)定，即管道腐蝕區(qū)域的長(zhǎng)度對(duì)管道的應(yīng)力影響是有限的，不能無限制增大。腐蝕區(qū)域?qū)挾葘?duì)最大等效應(yīng)力的作用相對(duì)較小，但兩者關(guān)系變化也和長(zhǎng)度一樣[4-5]。腐蝕區(qū)域的深度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響非常大，腐蝕深度小的情況下，最大等效應(yīng)力隨著腐蝕長(zhǎng)度的變化稍緩，增幅較??；當(dāng)腐蝕加深，最大等效應(yīng)力隨長(zhǎng)度的變化率增大，曲線變陡。總體說來，影響外腐蝕應(yīng)力的關(guān)鍵指標(biāo)是長(zhǎng)度和深度，寬度的影響較小。

圖4 不同外腐蝕寬度對(duì)等效應(yīng)力的影響

圖5 不同外腐蝕深度對(duì)等效應(yīng)力的影響

3.2 內(nèi)腐蝕管道的參數(shù)分析

取油氣管道直徑380mm，壁厚10mm，長(zhǎng)為管道直徑長(zhǎng)度，采用腐蝕尺寸不同的20個(gè)組合建立管道內(nèi)腐蝕模型，分析內(nèi)腐蝕管道在內(nèi)部壓力3MPa下的應(yīng)力情況，如表4所示。

表4 內(nèi)腐蝕長(zhǎng)、寬、深對(duì)最大等效應(yīng)力的影響 (單位：M P a)

圖6 不同內(nèi)腐蝕寬度對(duì)等效應(yīng)力的影響

圖7 不同內(nèi)腐蝕深度對(duì)等效應(yīng)力的影響

從圖6、7中可知，內(nèi)腐蝕和外腐蝕的最大等效應(yīng)力隨腐蝕尺寸的變化規(guī)律基本相同，深和長(zhǎng)的影響更大，寬的影響稍小[6-7]。腐蝕區(qū)域的最大等效應(yīng)力的增大與腐蝕長(zhǎng)度成正比，增加到一定程度，應(yīng)力值的增幅變小且趨于穩(wěn)定；腐蝕區(qū)域?qū)挾葘?duì)最大等效應(yīng)力的作用和長(zhǎng)度的影響作用相同[8]。腐蝕區(qū)域的深度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響非常大，腐蝕深度小的情況下，最大等效應(yīng)力隨著腐蝕長(zhǎng)度的變化稍緩，增幅較??；當(dāng)腐蝕加深，最大等效應(yīng)力隨長(zhǎng)度的變化率增大，曲線變陡。

3.3 內(nèi)腐蝕和外腐蝕影響規(guī)律比較

圖8 內(nèi)外腐蝕寬度對(duì)等效應(yīng)力的影響比較

圖9 內(nèi)外腐蝕深度對(duì)等效應(yīng)力的影響比較

由圖8、9可知，內(nèi)腐蝕和外腐蝕影響規(guī)律相同，相同尺寸的腐蝕缺陷的最大等效應(yīng)力相差不大，曲線基本重合。對(duì)于相同腐蝕尺寸而言，外腐蝕的最大應(yīng)力稍大，即外腐蝕更加危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)更應(yīng)該注意外腐蝕的影響，加強(qiáng)保護(hù)[9]。

4 結(jié)語

（1）腐蝕管道最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在腐蝕區(qū)域與未腐蝕區(qū)連接縫處，該處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，危險(xiǎn)性較大。

（2）內(nèi)腐蝕和外腐蝕的影響規(guī)律基本一致，對(duì)于相同的腐蝕尺寸而言，外腐蝕更加危險(xiǎn)。

（3）總體說來，影響腐蝕應(yīng)力的關(guān)鍵指標(biāo)是長(zhǎng)度和深度，寬度的影響較小。