基于有限元分析的X80高钢级管道剩余强度计算公式构建

为了更加精确地计算X80高钢级管道剩余强度,以有限元分析理论基础为依据,采用ANSYS WORKBENCH软件对含腐蚀缺陷的X80高钢级管道进行仿真模拟。基于X80高钢级管道有限元模型计算结果,选用1stOpt软件,用拟合的方法构建出以腐蚀缺陷长度、腐蚀缺陷深度、管径、壁厚等因素为变量的X80高钢级管道剩余强度计算公式,将拟合公式与PCORRC,DNV RP-F101和LPC-1等3种评价方法的准确性进行对比、验证和分析。结果表明:拟合公式的误差较小,具有较好的适用性。研究结果对改进现有评价方法具有参考作用。     

软土沉降位移作用下大口径管道轴向应力状态研究*

为准确掌握大口径管道的轴向应力应变状态,保障管道的安全运行,通过假定4类不同形式的软土沉降位移,研究不同沉降形式对管道轴向应力状态的影响。采用非线性有限元方法建立管道轴向应力应变参数化数值计算模型,开展影响因素分析。结果表明:针对软土沉降位移作用下1 422 mm X80大口径管道,沉降量相同时,突变型位移载荷作用下管道受到的轴向应力最大,最大轴向应力位于两侧非沉降区距管道中心约53 m处;软土沉降量达到工程实际中可能的最大值1 m时,大口径X80管道内轴向应力小于0.9倍管材屈服强度,管道环焊缝可以采用基于应力的工程适用性评估方法开展ECA(Engineering Critical Assessment)评价。     

含腐蚀缺陷埋地管道在外力作用下的承载力研究

针对地质灾害对埋地管道安全运行的威胁,采用非线性有限元法,利用ABAQUS软件建立外力作用下含缺陷管道的有限元模型,研究缺陷长度、宽度和深度3个参数对含缺陷埋地管道承载力的影响,确定优化的物理实验工况参数;对含预制缺陷的管道进行全尺寸静载物理实验,研究含缺陷的管道在3点弯曲静力加载情况下的缺陷发展变化规律。研究结果表明:当缺陷深度系数达到0. 6、缺陷长度系数达到0. 5之后,缺陷深度和长度的增加对管道承载外力的影响已不明显;缺陷宽度系数对管道承载力的影响随宽度系数增加越来越显著。     

补强管道复合材料的渐进失效分析

复合材料缠绕补强是一种有效的管道缺陷修复技术,复合材料渐进失效对承载能力的影响有待研究。管道缺陷的局部效应和剩余强度,导致其渐进失效历程与复合材料压力容器(Composite Overwrapped Pressure Vessels,COPV)截然不同。采用复合材料补强的缺陷管件进行极限承载试验。通过对比试验极限压力与有限元模拟的渐进失效的破坏压力,验证有限元模型的正确性。有限元模拟结果表明,复合材料缠绕层发生以纤维破坏为特征的破坏模式。复合材料的渐进失效分为稳定缓慢失效和急剧加速失效两个阶段。对比COPV的瞬间大面积失效特征,分析了缓慢失效和急剧加速失效现象产生的原因,提出了实用的补强管道"临界压力"确定方法,为复合材料补强管道的设计提供参考。     

高钢级油气管道环焊缝断裂问题研究

在役X80、 X70高钢级油气管道的环焊缝断裂是大输量油气管道安全运行所面临的主要问题之一.国内外部分高钢级管道的环焊缝破坏都曾呈现出脆性断裂特征.研究对比分析了导致环焊缝脆断的主要原因,重点介绍了环焊缝韧性和强度两个因素对脆断影响的相关研究,并提出了下一步研究方向,形成了对新建高钢级管道环焊缝质量控制的工作建议.     

基于事故管道断后碰撞痕迹的轴向载荷研究

针对典型油气管道焊缝事故案例,基于管道断口特征和现场痕迹,推断管道轴向承载和环焊缝开裂失效过程,是揭示管道环焊缝失效机理的途径之一。本文以某X70管道环焊缝开裂事故为例,根据管道断口碰撞痕迹,采用有限元仿真分析方法,通过反演推算方式研究了管道开裂后的运动碰撞过程,确定了管道开裂前的轴向承载情况。结果表明：管道环焊缝位置断裂前的轴向应力范围约为590～640 MPa,此时环焊缝的轴向应力已超过管道自身的屈服强度。该研究为事故管道轴向承载评估提供了一种估算方法。     

基于有限元的含腐蚀缺陷原油集输管道剩余强度研究*

为研究含腐蚀缺陷原油集输管道的剩余强度,以延长油田集输系统常用的20#管线钢为例,采用ABAQUS建立1/2腐蚀管道有限元模型,研究单个均匀腐蚀缺陷对集输管道剩余强度的影响,分析缺陷位置、缺陷长度、缺陷宽度和缺陷深度的影响规律,并采用Matlab对缺陷长度和缺陷宽度角的模拟结果进行拟合,拟合确定系数R2均达99.0%以上。结果表明:集输管道的剩余强度受缺陷位置的影响较小;随着缺陷长度的增加先减小后保持不变,随着缺陷宽度的增加先略微增加后保持不变,建立缺陷深度分别为1.5,2.0,2.5 mm的有限元模型,得到缺陷临界长度分别为210,140,130 mm,缺陷宽度角分别为56°,57°,141°;剩余强度受缺陷深度的影响最大,会随着缺陷深度的增加而减小;缺陷深度越大,缺陷长度和缺陷宽度对剩余强度的影响越大。     

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）。     

X80天然气管道在役焊接应力分析与调控

为了探究X80天然气管道在役焊接的应力分布和变化规律,在考虑天然气介质的作用下,采用有限元方法模拟了X80天然气管道在役焊接应力场分布规律,分析了天然气工况参数和环境温度对X80天然气管道在役焊接应力的影响,并根据应力变化规律提出了降低X80天然气管道在役焊接应力的措施。研究结果表明:X80天然气管道轴向焊接应力和环向应力主要呈对称分布形式,且管道外壁的应力大于管道内壁上的应力;随着天然气压力和流速逐渐增大,轴向应力先增加后降低,而环向应力逐渐增大;当环境温度增大后,管道轴向和环向应力均呈下降趋势;降低天然气压力和流速、采用焊前预热能够有效降低焊接应力。研究结果可为我国X80天然气管道在役焊接安全提供参考。     

含腐蚀缺陷的X80高钢级管道失效评估研究

综合对比分析了ASME B31G、RSTRENG、DNV RP-F101等6种含腐蚀缺陷管道剩余强度的评估方法。将各方法应用到含腐蚀缺陷的X80高钢级管道进行失效压力预测,并将计算结果与全尺寸爆破实验结果进行对比,研究不同评估方法评估结果的准确性,以及管壁厚度、缺陷深度比和流动应力取值对评估结果的影响。研究结果表明,DNV RP-F101、PCORRC和LPC-1这3种方法更适用于含腐蚀缺陷的X80高钢级管道的失效评估。     

可变径管道漏磁检测有限元仿真与实验研究

为了更好地支持压力管道检验,降低事故率,本文基于漏磁检测原理,利用有限元分析软件建立了管道外漏磁检测模型,对管道漏磁检测进行了仿真计算,得到了缺陷处漏磁场特征曲线,模拟了圆柱形缺陷对管道外壁漏磁场的影响,得出了不同参数缺陷对漏磁场的影响规律,并且基于理论和有限元计算结果试制了可变径管道外漏磁检测仪的样机,利用该检测仪对壁厚为8mm的带有人工缺陷的管道进行扫描检测,研究不同参数缺陷对漏磁场信号的影响规律。结果表明,所得结果与有限元仿真的结果吻合良好,且缺陷检测精度及效果满足要求,另外,检测装置对内外壁缺陷检测同样可行有效,适合特种设备（压力管道）检测的工程应用。     

对接焊缝缺陷漏磁场特征分析及识别研究

为实现钢板对接焊缝存在不同类型缺陷的识别研究,针对铁磁性焊缝的特点,探讨应用漏磁法检测钢板对接焊缝不同类型缺陷。根据漏磁检测(MFL)原理,采用有限元方法(FEM),分别建立钢板对接焊缝中可能存在的裂纹、气孔、未熔合和未焊透等缺陷的三维FEM模型。研究钢板对接焊缝包含以上不同类型缺陷时所产生的漏磁场分布特征,得到漏磁场磁感应强度水平分量和垂直分量相关对比分析曲线。仿真结果表明:漏磁法适用于钢板对接焊缝缺陷的识别研究;根据漏磁场磁感应强度分量的曲线特征,能够实现对焊缝缺陷的分类。     

基于SPH-FEM耦合法的含缺陷输气管道爆炸冲击响应研究

针对大口径埋地输气管道发生物理爆炸对并行含体积缺陷邻管的冲击行为,利用LS-DYNA和LS-PREPOST有限元软件建立基于光滑粒子流体动力学-有限单元法的管-土-炸药耦合模型,分析不同缺陷深度、不同缺陷表面积、不同缺陷位置和不同爆心距下邻管的动力响应;基于爆腔预估公式和峰值振速经验公式,验证了所建耦合模型的可靠性,并通过设计算例开展多工况分析。研究结果表明:迎爆面上的缺陷处为动力响应的热点区域,最大响应特征值（应力、位移与振速）位于缺陷中心处,随缺陷深度的增加或管间距的减小特征值增速由平缓到急剧;相比缺陷位置和表面尺寸对管道的扰动程度,缺陷深度和爆心距对管道的动力响应影响较大;在本研究的条件下,建议埋地并行输气管道的安全间距不应小于5.16 m,且腐蚀深度不大于管道壁厚的0.633 6倍。研究结果可为埋地输气管道极端灾害下的风险评估提供技术支撑,为并行管道可能的抗爆隔爆设计提供模拟数据支持。     

X80管道焊接残余应力分析与预测

针对焊接残余应力对油气管道的不利影响,采用基于有限元方法对西气东输X80 管道焊接接头的轴向和径向残余应力进行了数值模拟,并通过参数敏感性分析,研究了 焊接线能量和层间温度的对轴向残余应力和径向残余应力的影响规律。结果表明:轴向 残余应力随着焊接线能量和层间温度的升高而增大,而径向残余应力呈减小趋势;近焊 缝区的径向残余应力较中间层小,轴向残余应力较远焊缝区大。根据研究结果,提出了 最大残余应力的预测模型和减小焊接残余应力的措施,为保障我国在役X80油气管道的 安全生产具有重要意义。     

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。