基于紧凑拉伸试验的含缺陷燃气管疲劳寿命预测分析

为分析预测含缺陷燃气管道的疲劳寿命,实现燃气管道分类分级监测和维护。在理论分析含缺陷管道疲劳寿命预测模型的基础上,通过MTS电液伺服疲劳试验机测试获得同一应力比下4种不同应力强度因子的疲劳裂纹扩展速率,进而构建含缺陷燃气管道疲劳寿命的实用模型。以安徽淮南天然气二气源管道工程实际参数为例,预测分析类似条件下含缺陷燃气管道的疲劳寿命,为燃气管道监测维护与分类分级管理提供可靠依据。结果表明:管道的疲劳寿命与裂纹深度变化近似成线性关系,与内压幅值变化近似成指数为负的幂函数关系,且管道输送压力变化幅值不应超过1.5 MPa。     

城镇燃气埋地含缺陷聚乙烯管道应力分析

建立了埋地含缺陷聚乙烯管道模型,应用有限元方法计算管道的应力和变形量,分别考虑管道内压、地面载荷和管道缺陷深度变化对管道应力和变形的影响。研究结果表明,管道最大应力随管道内压的增大而增大;随地面载荷的增加呈先减小后增大趋势;随管道缺陷深度增大而增大。管道变形量随内压增大而增大,但增长较小;随地面载荷增大而增大,增长较大;管道缺陷深度只对管道缺陷处变形量有影响。研究结果为确定城镇燃气聚乙烯管道工作能力提供了理论依据。     

气瓶腐蚀缺陷应力分析及寿命预测*

为研究气瓶全生命周期腐蚀缺陷与剩余寿命的关系，基于ANSYS建立某型号车用压缩天然气钢瓶有限元模型，分析内腐蚀深度0.1~3.0 mm状态下，气瓶Mises应力分布与应力强度变化规律；根据应力分析，应用局部应力应变理论和修正的Manson Coffin公式进行寿命预测。结果表明:随着气瓶腐蚀缺陷的加深，气瓶额定载荷下的应力分布呈现向缺陷区域集中、应力强度增大的趋势，且腐蚀曲线存在明显拐点；使用应力分析与寿命预测相结合的方法，得出含腐蚀缺陷车用气瓶寿命—腐蚀深度关系曲线，可为气瓶安全使用管理提供参考。     

储气库含裂纹缺陷井筒寿命可靠性预测方法研究

为了探究地下储气库井筒管柱裂纹缺陷对井筒寿命的影响，采用随机裂纹扩展融合概率密度演化法(Probability Density Evolution Method, PDEM)模型对含裂纹缺陷井筒进行寿命可靠性预测。通过修正后的裂纹特征向量，采用总变差减小(Total Variation Diminishing, TVD)差分格式求解出特征值概率密度函数，可得到其疲劳寿命可靠性，研究不同裂纹长度和井筒内压下，井筒管柱裂纹处最大应力和应力强度因子K的变化规律，并对其模型预测进行性能分析。结果表明：概率密度演化法得到的井筒裂纹尺寸曲线与Monte Carlo法的结果吻合性良好，且概率密度演化法计算简单、精度高，模型预测误差率在11%以内；最大应力及应力强度因子K随着井筒压力、裂纹长度的增加而增大，当最大应力超过材料屈服强度350 MPa后，则增长趋势逐渐减缓直至趋于平稳。     

交通荷载作用下埋地含缺陷PE管道力学行为研究

为分析埋地含缺陷PE管道在交通荷载作用下的力学行为，选用Prony级数模拟管道，并采用ABAQUS有限元软件建立不同缺陷PE80管道模型和不同埋深的管土模型。通过对管道轴向与环向应力的研究，确定不同条件下管道的应力大小与分布。结果表明:当管道存在缺陷时，缺陷处会出现应力突变；不同位置的缺陷对管道的应力分布影响不同；缺陷相对深度改变会使缺陷处应力变化明显，通过建立多元回归方程得出对缺陷管道最大Von Mises应力影响程度为，缺陷相对深度（Q）>管道埋深（H）>车辆荷载（P）。     

腐蚀管道寿命可靠性的步降应力加速试验研究

为保障油气管道安全运营,需研究腐蚀管道寿命的可靠性。首先基于管道失效机理,采用步降应力加速寿命试验(SDSALT)方法,获得不同温度下腐蚀率样本;其次利用加速因子和逆幂律加速方程建立数据折算模型,将腐蚀率样本转换为应力作用失效时间并截尾抽样后作为输入,求得含未知参数的准样本;然后通过准样本估计Weibull分布的3个参数,进而得到以温度和时间为自变量的管道可靠性函数;最后以H_2S/CO_2环境中运营的N80管道为例,验证所建腐蚀管道寿命预测方法的可靠性。结果表明,该方法大幅缩短试验时间,对管道寿命预测准确,并分析出管道可靠性的降低速度随温度和时间的增加先增大后减小,可应用于管道的适用性评价。     

截断阀室水淹后管道沉降的防护技术研究

为了保证长输天然气管道的安全运行,需要对其截断阀室遭受水淹后管道的不均匀沉降行为进行研究。应用ANSYS软件建立了管土非线性接触模型,通过对其进行分析建立了沉降量与最大Von Mises应力和椭圆度之间的映射关系,结果表明:不均匀沉降对管道强度的影响更明显,二者间基本呈线性关系,最大Von Mises应力随着沉降量的增大而增大,根据第四强度理论便可确定管道失效时的极限沉降量。同时还探讨了管径、内压、壁厚、埋深对管道应力状态的影响,降低内压、增大壁厚以及减小埋深和管径均可降低不均匀沉降时管道的最大Von Mises应力,但其中管径和壁厚的变化对管道最大Von Mises应力的影响更为显著。预期研究结果可以为山区管道的实时监测与防护措施制定提供一定的技术支持。     

地表载荷对硬岩区埋地管道应力应变影响分析

为研究地表载荷对硬岩区埋地管道力学性能的影响,建立了管-土耦合三维数值模型,分析了地表载荷大小、作用面积、管道压力、管道径厚比及回填土弹性模量对管道应力分布、塑性应变、椭圆度的影响。结果表明:地表压载作用下,高应力区首先出现在管道顶部且呈椭圆形;随着地表载荷及其作用面积的增大,管道高应力区逐渐扩大,管道截面左右两侧也出现应力集中;随着回填土弹性模量、管道壁厚及内压的增加,管道顶部高应力区及最大等效应力均减小。塑性应变首先出现在管顶,且塑性区随地表载荷、载荷作用长度增加而增大,随回填土体弹性模量及管道壁厚增大而逐渐减小;当内压为0~4MPa时,管道塑性应变及塑性区随内压的增大而减小。管道椭圆度随回填土体弹性模量、管道内压、壁厚增加而逐渐减小,随地表压载增大而增大。     

含腐蚀凹陷压力管道极限载荷数值分析

为评估含腐蚀缺陷的凹陷压力管道的安全性,用有限元弹塑性分析法,建立管道数值计算模型。研究管道缺陷长度、深度、宽度、压头直径、下压深度和初始内压等敏感性参数对含腐蚀凹陷管道极限载荷的影响。基于PCORRC法,推导多因素失效评价公式基本形式。用非线性回归分析法,拟合公式中的待定系数。结果表明,除缺陷宽度外,其余因素对极限内压影响较大;随缺陷深度、下压深度和初始内压的增大,极限内压均呈减小趋势;压头尺寸与缺陷长度相对大小不同,极限内压变化规律存在差异;失效评价公式计算值与数值模拟结果吻合度较高,相对误差较小。     

内压作用下含体积型缺陷弯管极限载荷研究

油气管道一旦发生泄漏失效容易引发爆炸等灾难性事故,而管路中的弯管段是容易发生失效的部分,弯管段承载能力的高低将影响整个管道系统的安全性。为了解决油气管线中弯管的失效问题,考虑几何和材料非线性,建立内压作用下含体积型缺陷弯管的有限元模型,并与爆破试验结果对比验证模型的有效性,确定管道的失效判定准则。研究表明影响弯管极限载荷的主要因素有缺陷的几何尺寸、相对位置以及弯曲半径。基于模拟计算,讨论各因素对含缺陷弯管极限载荷的影响规律,通过对计算结果进行非线性拟合,提出内压作用下含体积型缺陷弯管的极限内压预测公式。该公式将为含缺陷弯管的剩余强度评价和完整性评价提供一定依据。     

长输管道凹陷提压回圆评价方法

为了解决长输管道深凹陷所导致的清管器及内检测器难以通过的工程问题,基于局部提高管道内压可使凹陷回圆、深度减小以达到清管器或检测器可通过深度门槛值的思想,建立了内压作用下管道凹陷回圆过程非线性有限元模型;提出了管道凹陷回圆系数的定义;通过应力应变响应分析对凹陷回圆过程的安全性进行论证;对回圆系数的影响因素进行分析,探讨径厚比、管材、凹陷尺寸、初始内压、回圆压力等参数对回圆系数的影响;基于有限元计算算例,采用非线性回归的方法拟合了凹陷回圆系数工程计算公式。研究结果表明:在极限回圆压力工况下,凹陷回圆过程中管道未发生二次塑性损伤;误差分析显示拟合所得公式预测精度较好,可用于长输管道凹陷的回圆评价。     

天然气管道不同孔径泄漏失效概率量化方法研究*

为研究不同孔径泄漏下天然气管道失效概率,首先基于EGIG数据库和UKOPA数据库天然气管道历史失效数据,计算由不同失效原因导致3种孔径泄漏所占比例;然后将我国管道各原因基础失效概率按照对应比例分别进行修正,获得较适用于我国天然气管道特点的不同孔径泄漏基础失效概率;最后分别考虑第三方破坏、腐蚀、施工缺陷/材料失效、误操作、自然力破坏5种失效原因,完成对天然气管道不同孔径泄漏基础失效概率的修正计算。研究结果表明:小孔泄漏、中孔泄漏和破裂泄漏的基础失效概率分别为0.173,0.128,0.048次/（103 km·a）;修正因子包括管径、埋深、壁厚、管龄、防腐层类型、管道所处区域,上述因子能够满足不同场景下天然气管道失效概率的修正计算;概率量化方法综合考虑失效原因、泄漏孔径以及管道本体信息,能够定量化预测天然气管道失效概率,为天然气管道定量风险评价提供数据支撑。     

堆载作用下埋地管道应力影响因素及失效荷载研究*

为探究地面堆载导致埋地油气管道失效的事故影响因素,通过对管道在堆载作用下的工程案例进行概化,以X70管道为研究对象,采用有限元软件建立管道在堆载作用下的三维模型,采用理论计算验证模型的可行性,开展管道应力与变形分析,探讨不同的堆载强度、管道埋设深度、下卧层土体杨氏模量、管道内压与堆载偏移距离对管道应力的影响,同时开展多因素耦合研究。研究结果表明:深埋管道会促进附加应力向两端扩散,管道中心部位以外的应力值呈现为深埋＞浅埋;当下卧层杨氏模量大于20 MPa后,管道偏于安全;内压在0~2 MPa时,可以抵消部分堆载对管道的影响,内压大于2 MPa后,管道应力整体增大,此时管道应力由内压主导;得到不同管道埋深与不同下卧层土体杨氏模量耦合工况下X70管道失效时的堆载强度。研究结果可为埋地管道在堆载作用下的安全防护问题提供参考。     

水平管分层流下微孔泄漏特性数值模拟和实验分析

在油气田开发过程中，通常采用气液相混输模式，管道受腐蚀等因素影响容易出现穿孔而发生两相流泄漏。为分析两相流泄漏特性，对管内常见流型分层流下的微孔泄漏特性进行数值和实验分析；采用VOF耦合Level set算法分析了不同影响因素下的气液两相泄漏特性，设计了1种管道泄漏收集装置，进行室内两相流泄漏实验，并验证了数值预测模型的准确性。研究结果表明:气液两相流经过管壁泄漏口时会发生相分离，泄漏特性受小孔方位、管路内外压差、气液相流速影响较大；泄漏口位于管路侧壁时的泄漏特性与其他角度下的泄漏特性有所不同，可用泄漏影响区内的气液分布进行解释；当泄漏口位于管路底部时，存在临界液相分流系数，当液相分流比小于此临界值时，泄漏流体为单相液体。VOF耦合Level set算法的数值方法可为管路泄漏量预测和相分离特性分析提供参考。     

水下连接器试压帽结构动态仿真及密封性分析

为解决水下连接器现有力学模型过于简化，预紧力加载不够合理，密封性能分析结果不够准确的问题，基于ABAQUS有限元模拟提出了新的动态接触分析方法，针对水下连接器试压帽双头螺柱结构，探究了安装和试压工况中该结构形式的密封特性及其与等效拧紧力矩的非线性关联。研究结果表明:在塑性失效设计准则范围内，2种工况下密封环的Mises值最大为399.4 MPa；安装工况下，随预紧力的增加，密封环上、下锥面最大接触应力先增大后略微减小；1 145 Nm螺栓拧紧力矩可完成安装工况，并能在试压工况中保证各部件不被弹开；试压工况下，随试验内压的增加，密封环上锥面最大应力缓慢增加，下锥面最大接触应力几乎不变，最终2值近似相等约为850 MPa，密封宽度合理。     

快速接头内壁冲蚀规律的数值模拟分析*

为进一步改善快速接头受连续相作用易失效、内壁冲蚀磨损严重的问题,采用CFD软件中的Realizable k-ε湍流模型,对不同入口速度下的快速接头冲蚀磨损情况运用数值模拟方法分析,得到快速接头内部的流场分布及其冲蚀磨损情况。结果表明:快速接头的冲蚀主要集中在管径缩小段的大小管道交界处,且在管径突变处流体的压力、速度会发生明显变化。在粒径不变,其余变量恒定的情况下,入口流速越大,最大冲蚀速率随之增大;改变相同粒径颗粒的质量流率,可以看出最大冲蚀速率与质量流率呈正相关关系。模拟得到的不同入口速度、质量流率下在快速接头中的流动冲蚀规律,可对提高接头使用寿命、液冷散热器的平稳运行提供必要的参考。