基于有限元的壓力管道超標(biāo)缺陷模擬研究

張國(guó)強(qiáng) 孫寶財(cái)

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 蘭州 730050）

在生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中,壓力管道肩負(fù)著各設(shè)備之間工藝介質(zhì)的輸送任務(wù),作為第四大運(yùn)輸方式,其安全質(zhì)量日益受到重視,管道質(zhì)量是保證物料能否安全輸送的關(guān)鍵因素。由于輸送的介質(zhì)具有易燃易爆有毒有害的特性,一旦發(fā)生泄漏,將會(huì)造成嚴(yán)重后果。因此,國(guó)家頒布了《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》,實(shí)行特種設(shè)備目錄管理,對(duì)于特種設(shè)備目錄范圍內(nèi)的設(shè)備,按規(guī)范要求進(jìn)行定期檢驗(yàn),確保設(shè)備安全狀況符合要求,對(duì)于不滿足安全生產(chǎn)要求的設(shè)備,按相關(guān)要求進(jìn)行整改。由于種種原因,現(xiàn)役管道存在各種各樣的缺陷,而大量的結(jié)構(gòu)性缺陷,并不影響管道的安全運(yùn)行,不加區(qū)分地進(jìn)行返修,不但影響企業(yè)正常的生產(chǎn),而且耗費(fèi)大量的人力物力,增加成本。因此,對(duì)于超標(biāo)缺陷,進(jìn)行應(yīng)力分析,滿足安全使用要求,就可以正常使用。

本文結(jié)合某公司現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)實(shí)際,定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1條蒸汽管道存在未焊透超標(biāo)缺陷,由于該單位生產(chǎn)任務(wù)重,無(wú)法停車對(duì)缺陷進(jìn)行處理,在充分分析管道運(yùn)行的情況下,通過(guò)有限元模擬未焊透超標(biāo)缺陷、計(jì)算最大安全運(yùn)行壓力,結(jié)果表明,在不超過(guò)最大工作壓力和最大工作溫度的條件下,該管道可安全運(yùn)行至下次檢驗(yàn)周期。通過(guò)采用有限元模擬外加應(yīng)力計(jì)算的手段,能夠?yàn)楹卸ㄆ跈z驗(yàn)規(guī)則超標(biāo)缺陷的管道安全運(yùn)行提供參考,通過(guò)獲得應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D,應(yīng)力分布及最大安全應(yīng)力直觀顯示,相較于傳統(tǒng)方法,基于有限元的壓力管道超標(biāo)缺陷分析大大提高了準(zhǔn)確度和效率,減少了企業(yè)停產(chǎn)返修帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。管道運(yùn)行條件見表1。

表1 管道運(yùn)行概況

1 壓力管道超標(biāo)缺陷

1.1 壓力管道超標(biāo)缺陷定義

在工藝生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)于管道的安全狀況進(jìn)行定期檢驗(yàn)檢測(cè),參照TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》相關(guān)要求進(jìn)行。在實(shí)際檢驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中,由于管道安裝過(guò)程中帶來(lái)的未焊透及由于介質(zhì)腐蝕沖刷造成的局部減薄,是管道使用過(guò)程中最常見的缺陷。TSG D7005—2018對(duì)于未焊透深度及局部減薄深度根據(jù)不同管徑和壁厚,有具體要求,材料為20鋼、Q345或者奧氏體不銹鋼時(shí),未焊透按局部減薄計(jì)算,除上述材料以外的其他材料,未焊透按未熔合計(jì)算。由于檢驗(yàn)的2條蒸汽管道均為GC2,本文對(duì)GC2級(jí)管道進(jìn)行研究,表2為TSG D7005—2018中要求的局部減薄最大值,超過(guò)表2要求尺寸的缺陷為超標(biāo)缺陷。

表2 TSG D7005—2018中要求的GC2、GC3局部減薄深度的最大值 mm

式中：

ReL——管材屈服強(qiáng)度,MPa。

1.2 壓力管道超標(biāo)缺陷檢驗(yàn)

按照TSG D7005—2018規(guī)范要求對(duì)該廠蒸汽管道停機(jī)檢驗(yàn),采取宏觀檢驗(yàn)、壁厚檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、DR射線檢測(cè)等手段,彎頭R1-B1/B2焊縫檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 彎頭R1-B1/B2檢驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)R1彎頭DR檢測(cè)發(fā)現(xiàn),B1/B2焊縫均存在最大深度為2 mm的未焊透缺陷,同時(shí),彎頭內(nèi)壁由于沖刷較上次局部減薄0.8 mm,且該彎頭滿足局部減薄計(jì)算的前提條件[1],通過(guò)計(jì)算,該管道pL0=12.99 MPa,p＜0.3×12.99 MPa=3.897 MPa,由于為整圈未焊透,故0.75＜B/(πD)≤1,3級(jí)時(shí)未焊透最大允許深度為0.25te-C=1.24 mm,該彎頭2 mm未焊透缺陷已超過(guò)3級(jí)要求,為超標(biāo)缺陷,該管道定級(jí)為4級(jí),圖1所示為DR檢測(cè)未焊透缺陷。

圖1 R1彎頭DR檢測(cè)未焊透缺陷

2 計(jì)算模型與仿真方法

2.1 計(jì)算模型

該壓力管道實(shí)體模型的建立需要綜合考慮材料屬性、彈性模量、泊松比等[2-5],由于未焊透缺陷在焊縫根部,高度為2 mm,且為整圈,結(jié)合實(shí)際工況與建模的便利性,對(duì)焊縫根部未焊透缺陷用規(guī)則的環(huán)向溝槽進(jìn)行模擬,溝槽深度設(shè)置為2 mm。在實(shí)際情況中,管道主要承受內(nèi)壓、彎矩等載荷,因此忽略其他載荷對(duì)管道的影響。由于未焊透缺陷為整圈,溝槽規(guī)則且對(duì)稱,為計(jì)算方便,只需分析管子模型的1/2。

為消除邊界效應(yīng),根據(jù)圣維南原理[6],管段選取彎頭兩側(cè)600 mm,規(guī)格為φ273×7 mm,管道材質(zhì)為20鋼,彈性模量為206 GPa,最小屈服強(qiáng)度為245 MPa,泊松比為0.3,最大運(yùn)行壓力為1.0 MPa。

2.2 網(wǎng)格劃分

在有限元仿真模擬之前,采用前處理軟件對(duì)模型進(jìn)行離散,即進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文采用SOLID186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共劃分了41 356個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn),12 248個(gè)網(wǎng)格單元。含有2 mm未焊透缺陷的壓力管道網(wǎng)格劃分模型如圖2所示,局部減薄0.8 mm的壓力管道網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖2 含未焊透缺陷的壓力管道網(wǎng)格劃分模型

圖3 彎頭內(nèi)壁局部減薄的壓力管道網(wǎng)格劃分模型

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 最大應(yīng)力計(jì)算

含體積型缺陷的管道失效壓力計(jì)算見式（2）：

式中：

pF——含缺陷管道的失效壓力,MPa；

D——管道直徑,mm；

t——管道壁厚,mm；

d——腐蝕缺陷深度,mm；

δflow——流變應(yīng)力；

M——Folias鼓脹系數(shù)。

該壓力管道d=2 mm,L=273×3.14 mm（整圈未焊透）,通過(guò)計(jì)算,該含有未焊透缺陷的管道失效壓力為pF=13.73 MPa,最大安全壓力為pS=1.365 MPa,最高工作壓力1.0 MPa小于最大安全壓力1.365 MPa,該含有未焊透缺陷的蒸汽管道可以安全運(yùn)行。

3.2 仿真結(jié)果與分析

將前處理器進(jìn)行網(wǎng)格后,導(dǎo)入有限元求解器,采用靜力學(xué)計(jì)算模型,按照材料特性及工作條件,進(jìn)行有限元模擬,未焊透模擬應(yīng)力云圖如圖4所示,局部減薄模擬應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 含未焊透缺陷的壓力管道有限元應(yīng)力云圖

圖5 局部減薄的壓力管道有限元應(yīng)力云圖

由于根部有深度為2 mm的整圈未焊透,存在結(jié)構(gòu)不連續(xù),通過(guò)模擬的最大應(yīng)力集中部位為根部未焊透部位,與實(shí)際情況一致。通過(guò)圖4未焊透應(yīng)力云圖可以看出,對(duì)規(guī)格為φ273×7 mm存在整圈深度為2 mm未焊透的彎頭焊縫,加載1.0 MPa的最大工作壓力,有限元得出的失效壓力pF為13.648 9 MPa,失效位置為未焊透部位,與式（2）計(jì)算得到的失效壓力pF=13.73 MPa,誤差僅為0.6%,且有限元模擬給出了最大應(yīng)力集中部位為焊縫根部,這就驗(yàn)證了有限元模擬的準(zhǔn)確性。通過(guò)構(gòu)建超標(biāo)缺陷模型,有限元模擬能夠直接得出失效應(yīng)力與失效部位,且失效應(yīng)力與通過(guò)失效壓力計(jì)算式（2）計(jì)算得出的失效應(yīng)力誤差極小,因此,有限元模擬能夠作為一種可靠的手段對(duì)壓力管道超標(biāo)缺陷進(jìn)行仿真分析,其模擬結(jié)果具有可靠性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文采用有限元仿真分析和計(jì)算的方法,對(duì)壓力管道檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷進(jìn)行模型建立、網(wǎng)格劃分、仿真分析,并通過(guò)計(jì)算得含缺陷壓力管道的失效壓力pF為13.73 MPa,最大安全工作壓力pS為1.365 MPa,大于最大工作壓力1.0 MPa,計(jì)算結(jié)果表明該超標(biāo)缺陷不影響管道的安全運(yùn)行,與通過(guò)有限元仿真的結(jié)果pF=13.648 9 MPa吻合性較高,誤差僅為0.6%。通過(guò)本研究所述方法能夠直接獲得應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D,直觀反映應(yīng)力集中部位與失效壓力,在驗(yàn)證ANSYS有限元分析軟件模擬壓力管道超標(biāo)缺陷實(shí)驗(yàn)正確性的同時(shí),進(jìn)一步說(shuō)明有限元模擬能夠作為評(píng)價(jià)壓力管道超標(biāo)缺陷是否影響管道安全運(yùn)行的手段,其結(jié)果具有可靠性和準(zhǔn)確性。