王戰(zhàn)輝，馬向榮，白 雪，黨 睿

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2．陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000)

近年來，中國鋼鐵產(chǎn)量穩(wěn)步增長，已經(jīng)成為世界上鋼鐵產(chǎn)量大國，伴隨著鋼鐵產(chǎn)量的激增，一系列的鋼鐵浪費(fèi)現(xiàn)象也隨之而來，其中最主要的便是鋼鐵腐蝕[1]。國內(nèi)油氣集輸管線的鋼鐵腐蝕問題尤其突出，油氣集輸管道不僅外部受到各種電離介質(zhì)的侵蝕，如土壤和海水等，而且內(nèi)部也受到油氣介質(zhì)的侵蝕，會(huì)形成很多的外部腐蝕缺陷、內(nèi)部腐蝕缺陷，會(huì)造成多種腐蝕缺陷共存的現(xiàn)象，而且國內(nèi)的油氣集輸管線局部腐蝕往往比全面腐蝕大得多[2]。由于這些腐蝕缺陷的存在，會(huì)使管道有效壁厚減薄，承壓性能下降，容易發(fā)生強(qiáng)度失效，影響管道的正常運(yùn)行，更嚴(yán)重者，會(huì)使管道發(fā)生泄漏事故，引發(fā)一系列的污染問題，給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。因此，對(duì)油氣管道的安全評(píng)定具有很高的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

單點(diǎn)缺陷結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，不具有代表性，實(shí)際生產(chǎn)中組合缺陷最常見國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于方形組合缺陷進(jìn)行了大量研究工作，而對(duì)其他組合缺陷研究得還比較少[4-8]。因此，作者以20號(hào)鋼橢圓形環(huán)向組合缺陷和軸向組合缺陷管道為研究對(duì)象，借助ANSYS Workbench 16.0有限元分析軟件，首先考察組合缺陷管道應(yīng)力云圖分布特點(diǎn)，其次，考察缺陷間距和缺陷尺寸如腐蝕長度、寬度、深度對(duì)其最大等效應(yīng)力的影響規(guī)律。

1 腐蝕管道有限元模型的建立

1.1 工作條件及物性參數(shù)

以20號(hào)鋼為研究對(duì)象，其物性參數(shù)為密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=206 GPa，屈服強(qiáng)度σs=245 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=410 MPa，泊松比μ=0.3，內(nèi)壓p=3.8 MPa。

1.2 幾何參數(shù)及其模型

管道內(nèi)徑D=168 mm，管道厚度t=10 mm，管道長度L=1 300 mm。所研究組合缺陷為橢圓形缺陷，分為軸向組合缺陷和環(huán)向組合缺陷2種形式，其中軸向組合缺陷為長軸長60 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，環(huán)向組合缺陷為長軸長80 mm、短軸長20 mm、深度2 mm。鑒于含組合缺陷管道的幾何和載荷的對(duì)稱性，選取含缺陷管道的二分之一為研究對(duì)象，采用ANSYS Workbench 16.0進(jìn)行建模，所建模型見圖1。

a 軸向組合缺陷

b 環(huán)向組合缺陷圖1 幾何模型

1.3 載荷及位移約束

油氣管道經(jīng)常會(huì)受到管道自身重力、內(nèi)壓、液柱靜壓力、風(fēng)壓力、地震壓力等載荷的作用，其他載荷與內(nèi)壓比較，其影響可以忽略不計(jì)，因此，只考慮內(nèi)壓的作用。由于外腐蝕管道腐蝕缺陷幾何形狀的對(duì)稱性，取管道的二分之一作為研究對(duì)象，對(duì)平行于軸線的2個(gè)剖面和垂直于管道軸向的2個(gè)端面施加位移約束[9]。

2 腐蝕管道組合缺陷有限元計(jì)算結(jié)果分析

以環(huán)向組合缺陷和軸向組合缺陷為研究對(duì)象，首先考察其應(yīng)力云圖分布特點(diǎn)，其次考察缺陷間距和缺陷尺寸如腐蝕長度、寬度、深度對(duì)其最大等效應(yīng)力的影響。

2.1 應(yīng)力云圖

在軸向組合缺陷長軸長60 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，環(huán)向組合缺陷長軸長80 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，內(nèi)壓p為3.8 MPa下，應(yīng)力分布云圖見圖2。

由圖2可知，在無缺陷管壁上，等效應(yīng)力分布比較均勻；越靠近缺陷，其等效應(yīng)力突變?cè)酱?，最終最大等效應(yīng)力發(fā)生在長軸的2個(gè)端點(diǎn)處。這是由管道的不連續(xù)效應(yīng)造成的，缺陷處幾何曲率半徑發(fā)生突變，會(huì)產(chǎn)生邊緣力和邊緣力矩，在邊緣力和邊緣力矩作用下，產(chǎn)生邊緣應(yīng)力。因此，管道除了承受內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力外，還要承受缺陷處幾何尺寸變化所引起的不連續(xù)應(yīng)力，遠(yuǎn)離缺陷處，基本不受不連續(xù)應(yīng)力的影響，分布均勻，靠近缺陷處，深受不連續(xù)應(yīng)力的影響，應(yīng)力增大，最易發(fā)生強(qiáng)度失效[10-11]。

a 軸向組合缺陷

b 環(huán)向組合缺陷圖2 環(huán)向組合缺陷和軸向組合缺陷應(yīng)力云圖

2.2 軸向缺陷間距對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

以軸向組合缺陷為研究對(duì)象，保持缺陷長軸長60 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，同時(shí)2個(gè)缺陷尺寸相同，軸向缺陷間距分別取15、30、45、60、75、90、105、120 mm，內(nèi)壓p=3.8 MPa，考察軸向缺陷間距對(duì)最大等效應(yīng)力的影響，見圖3。

軸向距離/mm圖3 軸向缺陷間距對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

由圖3可知，對(duì)于軸向排列的2個(gè)缺陷，當(dāng)組合缺陷尺寸相同時(shí)，最大等效應(yīng)力隨著軸向缺陷間距的增大呈減小的趨勢(shì)，并出現(xiàn)臨界點(diǎn)90 mm。這是由于當(dāng)缺陷間距小于90 mm，缺陷間存在較強(qiáng)的干涉作用，等效應(yīng)力大，隨著缺陷間距的增大，干涉作用減弱，等效應(yīng)力逐漸減?。划?dāng)缺陷間距大于90 mm時(shí)，缺陷間干涉作用基本可以忽略不計(jì)，此時(shí)可以把軸向組合缺陷看成2個(gè)獨(dú)立的缺陷，最大等效應(yīng)力與單個(gè)缺陷的等效應(yīng)力基本相等，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在進(jìn)行實(shí)際的腐蝕缺陷研究中，不能輕易的把多個(gè)缺陷分離成單獨(dú)的缺陷進(jìn)行研究，而是要考慮其缺陷間的干涉作用，當(dāng)2個(gè)缺陷距離較近時(shí)會(huì)發(fā)生干涉作用，不能將之當(dāng)成一個(gè)整體來對(duì)待。

2.3 環(huán)向缺陷間距對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

以環(huán)向組合缺陷為研究對(duì)象，保持缺陷長軸長80 mm、短軸長20 mm、深度2 mm，同時(shí)2個(gè)缺陷尺寸相同，環(huán)向組合缺陷間距用角度表示，環(huán)向間距分別取10°、20°、30°、40°、50°、 60°、70°、80°，內(nèi)壓p=3.8 MPa，考察環(huán)向缺陷間距對(duì)最大等效應(yīng)力的影響，見圖4。

環(huán)向角度/(°)圖4 環(huán)向缺陷間距對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

由圖4可知，對(duì)于環(huán)向排列的2個(gè)缺陷，當(dāng)組合缺陷尺寸相同時(shí)，最大等效應(yīng)力隨著環(huán)缺陷間距的增大呈減小的趨勢(shì)，并出現(xiàn)臨界點(diǎn)20°。與軸向組合缺陷變化規(guī)律基本一致，由于缺陷間干涉的作用，出現(xiàn)臨界距離，不同之處是等效應(yīng)力變化速率不同，在軸向間距從15 mm到30 mm，最大等效應(yīng)力變化了7.366 MPa，在環(huán)向間距從10°到20°，最大等效應(yīng)力變化了4.933 MPa，兩者相差大約1倍。

2.4 組合缺陷的尺寸對(duì)最大等效應(yīng)力的影響

以軸向組合缺陷為研究對(duì)象，保持其缺陷間距為60 mm，內(nèi)壓p=3.8 MPa，通過改變?nèi)毕蓍L軸長度、短軸長度和缺陷深度，考察其對(duì)最大等效應(yīng)力的影響。

2.4.1 組合缺陷長度、深度雙變量對(duì)管道應(yīng)力的影響

保持橢圓形缺陷短軸長度8 mm不變，缺陷深度分別取為1、2、3、4 mm，缺陷長軸長度分別取10、20、30、40、50、60 mm，考察在不同缺陷深度下缺陷長軸長度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響，見圖5。

長軸長度/mm圖5 長軸長度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響曲線

由圖5可知，當(dāng)缺陷深度相同時(shí)，隨著缺陷長軸長度的增大，最大等效應(yīng)力隨之增大；當(dāng)缺陷長軸長度相同時(shí)，隨著缺陷深度的增大，最大等效應(yīng)力也隨之增大。這是由于缺陷深度增大導(dǎo)致腐蝕處壁厚減小，故薄膜應(yīng)力增大，其最大等效應(yīng)力也隨之增大。缺陷深度越大，對(duì)應(yīng)的長軸長度和等效應(yīng)力的關(guān)系曲線斜率越大，長軸長度從50 mm到60 mm，缺陷深度為1 mm的最大等效應(yīng)力增加1.691 MPa，缺陷深度為4 mm的最大等效應(yīng)力增加了10.616 MPa，顯然深度對(duì)于曲線斜率的影響成正比例作用。長軸長從10 mm到60 mm，等效應(yīng)力變化最大的是深度為4 mm的時(shí)候，其等效應(yīng)力變化量是27.775 MPa。而長軸長為60 mm，深度從1 mm到4 mm等效應(yīng)力變化了34.833 MPa，明顯大于缺陷長度引起的等效應(yīng)力變化量，因此，缺陷深度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響大于長軸長度。

2.4.2 組合缺陷寬度、深度雙變量對(duì)管道最大等效應(yīng)力的影響

保持橢圓形缺陷長軸長度60 mm不變，缺陷深度分別取為1、2、3、4 mm，缺陷長軸長度分別取10、20、30、40、50 mm，考察在不同缺陷深度下缺陷短軸長度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響，見圖6。

短軸長度/mm圖6 短軸長度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響曲線

由圖6可知，當(dāng)缺陷深度相同時(shí)，隨著缺陷短軸長度的增大，最大等效應(yīng)力隨之減??；當(dāng)缺陷短軸長度相同時(shí)，隨著缺陷深度的增大，最大等效應(yīng)力隨之增大。缺陷深度為1 mm，缺陷短軸長度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響最小。短軸長度從10 mm到60 mm，等效應(yīng)力變化最大的是深度為4 mm的時(shí)候，其等效應(yīng)力變化量是19.167 MPa。而短軸長度為50 mm，深度從1 mm到4 mm等效應(yīng)力變化了20.816 MPa，明顯大于短軸長度所引起的等效應(yīng)力變化量，因此，與缺陷長軸長度一樣，缺陷深度對(duì)最大等效應(yīng)力的影響大于短軸長度。

3 結(jié) 論

(1)在無缺陷管壁上，等效應(yīng)力分布比較均勻，越靠近缺陷，其等效應(yīng)力突變?cè)酱?，最終最大等效應(yīng)力發(fā)生在長軸的2個(gè)端點(diǎn)處；

(2)對(duì)于軸向組合缺陷和環(huán)向組合缺陷，當(dāng)缺陷尺寸不變時(shí)，隨著缺陷間距的增大，最大等效應(yīng)力呈減小的趨勢(shì)，并出現(xiàn)臨界點(diǎn)；

(3)對(duì)于軸向組合缺陷，當(dāng)缺陷間距不變時(shí)，隨著缺陷長軸長度的增大，最大等效應(yīng)力隨之增大；隨著缺陷短軸長度的增大，最大等效應(yīng)力隨之減??；隨著缺陷深度的增大，最大等效應(yīng)力隨之增大；缺陷深度的影響程度最大。