含腐蚀缺陷弯管爆破压力分析.pdf
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1、力2023年8 月与第45卷第4期实践学含腐蚀缺陷弯管爆破压力分析1)王慧杰陈占锋2)(杭州电子科技大学机械工程学院,杭州310 0 18)摘要弯管是管道系统的关键部分,容易受到腐蚀。现有的理论方法对腐蚀缺陷进行了过度简化,难以准确预测含腐蚀缺陷弯管的爆破压力。为了解决这一问题,本文首先建立有限元模型进行含腐蚀缺陷弯管爆破压力有限元分析。然后,基于Goodall方程和有限元分析结果,提出新的含腐蚀缺陷弯管爆破压力的预测方程。最后,通过有限元分析和实验,对该预测方程的准确性进行验证。关键词同腐蚀缺陷,弯管,爆破压力中图分类号:0 344.5文献标识码:Adoi:10.6052/1000-0879
2、-22-679BURST PRESSURE ANALYSIS OF ELBOW WITH CORROSION DEFECTI)WANGHuijieCHEN Zhanfeng2)(School of Mechanical Engineering,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)Abstract Elbow is a key part of the pipeline system,and it is easy to be corroded.Existing theoreticalmethods overly simplify cor
3、rosion defect,making it difficult to accurately predict the burst pressure of elbowcontaining corrosion defect.In order to solve this problem,a finite element model is established to conduct finiteelement analysis of the explosion pressure of elbow with corrosion defect.Then,based on the Goodall equ
4、ationand finite element analysis results,a new prediction equation for the burst pressure of elbow with corrosiondefect is proposed.Finally,the accuracy of the prediction equation is verified by finite element analysis andexperiments.Keywordscorrosion defect,elbow,burst pressure管道运输具有运量大,占地小,建设成本低等优
5、点1,被广泛应用于油气资源的长距离运输。中国油气管道的铺设覆盖范围较广2,在服役过程中油气管道需承受较高的内压,因此准确评估其爆破压力至关重要3。由于运输介质中不可避免地混有杂质,这些杂质会对管道系统的弯管部分造成严重的冲刷腐蚀,弯管已成为油气管道中最容易被腐蚀的结构之一。陈元达等通过计算流体动力学(computational fluiddynamics,CFD)分析得到弯管冲刷腐蚀区域,如图1所示。由于弯管曲率的存在,在承受内压时弯管的受力状态不同于直管5。在内压作用下,直管管壁的环向和轴向应力均匀分布且相等,而弯管的应力分布并不均匀,弯管中内拱部分的环向应力要大于外拱部分6 。因此,前人所
6、提出的以直管为研究对象的爆破压力研究成果7 并不适用于弯管。弯管是管道系统的重要组成部分,有必要对含腐蚀缺陷弯管的爆破压力进行研究。19 7 8 年,Goodall8提出一个计算薄壁弯管爆破压力的表达式。然而,由于缺乏试验验证,Miller9认为应2022-12-13收到第1稿,2 0 2 3-0 3-2 2 收到修改稿。1)国家自然科学基金项目(518 0 512 7)和中国博士后基金项目(2 0 2 1M693504)资助。2)陈占锋,博士,讲师,研究方向为油气储运、结构完整性。E-mail:c z f h d u.e d u.c n引用格式:王慧杰,陈占锋.含腐蚀缺陷弯管爆破压力分析.力
7、学与实践,2 0 2 3,45(4):8 6 0-8 6 5Wang Huijie,Chen Zhanfeng.Burst pressure analysis of elbow with corrosion defect.Mechanics in Engineering,2023,45(4):860-865861第4期王慧杰等:含腐蚀缺陷弯管爆破压力分析pressurevelocitycontour2contour 11.134e+0045.289e+0001.016e+0044.760e+0008.972e+0034.231e+0007.788e+0033.702e+0006.604e+00
8、33.173e+0005.420e+0032.644e+0004.237e+0032.115e+0003.053e+0031.587e+0001.869e+0031.058e+0006.857e+0025.289e-001-4.980e+0020.000e+000Pams-1(a)等压线(b)等流速线(a)Pressure contour(b)Velocitycontour图1弯管轴向截面流场分布云图Fig.1Flow field distribution in axial section of the elbowl4l该谨慎使用Goodall 公式。Duan等10 通过对有限元分析结果的拟合
9、,提出外拱局部减薄弯管塑性极限压力的经验公式,并通过试验进行了验证,该公式的计算结果与Goodall公式的计算结果较为接近。马景槐等1 对内压作用下弯管的塑性极限载荷进行了分析,推导出在内压作用下钢制弯管的塑性极限载荷计算式。Kim等12 研究了弯管在内压和弯矩作用下的爆破压力,对局部减薄弯管进行了8 次爆破试验,分析了弯曲载荷对局部减薄弯管爆破压力的影响。丁宁等13 将弯管的腐蚀缺陷简化为体积型缺陷,采用有限元方法进行研究,得到了含腐蚀缺陷弯管的塑性极限内压计算公式。综上所述,目前已有许多学者对腐蚀弯管的爆破压力进行了研究。然而,现有的研究对弯管腐蚀缺陷的几何形状做了过度简化,不能较为准确地
10、预测含腐蚀缺陷弯管的爆破压力。为此,本文建立内压作用下腐蚀弯管的有限元模型,探讨腐蚀缺陷的几何尺寸参数对弯管爆破压力的影响,并研究含腐蚀缺陷弯管的爆破压力。1有限元分析1.1有限元模型本文以弯曲角度为9 0 的弯管作为研究对象开展有限元分析,并根据弯管实际的材料性能和几何尺寸建立有限元模型。弯管的材料是符合ASTMA234WPB的碳钢,几何尺寸与机械性能为:外径D=72mm,壁厚t=7mm,弯管弯曲半径R=94.6mm,屈服强度y=275.2MPa,极限抗拉强度u=449.2MPal14。根据Lee等15 对弯管腐蚀机理的研究,发现弯管内部的外弧处较其他部位更容易受到冲刷腐蚀,造成弯管局部减薄
11、,进而影响管道剩余强度。因此,本文中的有限元模型在完整管道的基础上引入腐蚀缺陷,腐蚀缺陷位于弯管内部的外弧中段处,如图2 所示。考虑到管道的材料非线性和几何非线性16 ,在有限元软件ABAQUS上进行有限元建模和分析,选择实体缩减积分单元C3D8R作为有限元模型的单元,该单元类型计算速度较快,且计算结果准确。图2 合含腐蚀缺陷弯管有限元模型Fig.2Finite element model of elbow with corrosion defect根据弯管在实际工况下的受力特点,在弯管两端面设置若干参考点,施加位移约束。对弯管内壁施加均布载荷,模拟内压载荷作用,图3为腐蚀弯管的边界条件。有限
12、元模型中,接近实际工况下弯管内部腐力862实践学2023年第45卷蚀缺陷的几何形状,将缺陷横截面和纵截面的边缘形状都拟定为更加平滑的圆形,几何形状如图4所示,是腐蚀缺陷宽度对应的圆周半角,d是腐蚀缺陷的腐蚀深度,是腐蚀缺陷长度对应的圆周半角,t为管道壁厚,D为管道直径,R为弯管弯曲半径。相比于前人研究工作中将腐蚀缺陷简化为长方体,本文的腐蚀缺陷更接近真实腐蚀缺陷。X-Z图3腐蚀弯管有限元模型的边界条件Fig.3Boundary conditions of finite element model ofcorroded elbowRAAA-A图4腐蚀弯管的几何形状Fig.4.Geometry o
13、f corroded elbow为了确定腐蚀缺陷的几何尺寸对弯管爆破压力的影响,建立36 个腐蚀弯管有限元模型,腐蚀缺陷的几何尺寸如表1所示。其中,由40 变化到6 2,d由3.8 mm变化到6 mm,由2 1变化到43。通过ABAQUS进行有限元分析,在轴向弯管内壁面施加的载荷由零逐渐增大,直到弯管失效破坏,得到该腐蚀弯管对应的爆破压力值。1.2有限元计算基于von Mises准则,对在内压作用下含腐蚀缺陷弯管的应力分布进行有限元分析。在腐蚀弯管的应力达到爆破强度时,等效应力云图如图5所示。腐蚀弯管的爆破发生在局部减薄处(图中红色区域),也就是腐蚀缺陷所在位置。该位置首先达到弯管的强度极限,
14、进而发生失效。表1有限元模型中腐蚀缺陷的几何尺寸Table1Geometric parameters of corrosion defect inthe finite element model序号/()d/mm/()1625.5402605.5403585.5404565.5405545.5406525.5407505.5408485.5409465.54010445.54011425.54012405.54013526.04014525.84015525.64016525.44017525.24018525.04019524.84020524.64021524.44022524.24023
15、524.04024523.84025525.54326525.54127525.53928525.53729525.53530525.53331525.53132525.52933525.52734525.52535525.52336525.521通过有限元法得到36 组不同腐蚀程度弯管的爆破压力,进而对弯管的腐蚀缺陷几何参数与爆破压力的关系进行研究,结果如图6 所示。由图6可以看出,腐蚀深度对弯管的爆破压力影响最大,863王慧杰等:含腐蚀缺陷弯管爆破压力分析第4期当腐蚀深度减小时,弯管的爆破压力明显提高,d改变时爆破压力敏感性较稳定。随着腐蚀长度的减小,弯管的爆破压力也会有所提高,当大于2
16、9 时,爆破压力敏感性较弱。腐蚀宽度对弯管爆破压力的影响程度最小,改变时爆破压力敏感性不明显。因此,为了提高弯管的爆破压力,可以在易发生腐蚀的区域(即弯管的外弧处)增大壁厚,增加管道的强度,延长管道的寿命。YXL.Xz图5内压作用下腐蚀弯管的应力云图Fig.5 Stress nephogram of corroded elbow underinternalpressure706050403020reduce corrosion widthreducecorrosion depth10reduce corrosion length012345678910 11 12groups图6弯管腐蚀缺陷的
17、几何参数与爆破压力PFEA的关系Fig.6Relationship between geometrical parameters ofcorrosion defects of elbow and burst pressure PrEA2爆破压力预测2.1改进的Goodall方程对于无缺陷等壁厚弯管,Goodall17基于Tresca准则提出爆破压力预测方程PG=Qt.,1-r/R(1)T1-r/(2R)式中,f代表流动应力,可以由屈服强度和极限抗拉强度u得到0f=(ay+ou)/2(2)由于Goodall方程的计算结果过于保守18 ,许多学者对Goodall 方程进行了修正。Kim等19 认为
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