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标题 含缺陷X52油气管道裂纹扩展规律的研究方法探讨
范文

    闫生栋 杨新宇

    

    

    

    摘 要:由于我国现役油气管道服役时间长,且存在腐蚀等缺陷,与滑坡等自然灾害共同作用时常导致管道事故的发生。以X52油气管道为研究对象,利用ABAQUS有限元分析软件,构建管道三点弯曲模型并进行数值模拟分析,计算缺陷周围的应力分布情况,研究缺陷位置分布、尺寸大小等对裂纹扩展的影响。提出了研究含缺陷管道的裂纹扩展一般规律的研究方法,且研究结论对于油气管道的建设与运行管理具有深远的意义。

    关键词:X52油气管道;三点弯曲模型;数值模拟分析;裂纹扩展一般规律

    中图分类号:TB 文献标识码:Adoi:10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.29.114

    0 引言

    管道运输具有运输距离长、输量大、可以持续运行等优势,然而,管道运输前期投入大,服役期长,运行过程环境复杂,易受腐蚀、地质滑坡等影响产生裂纹和泄漏等现象,造成巨大的人员伤亡和财产损失。

    由于含缺陷管线钢裂纹扩展规律的研究较少,本文提出了含缺陷X52管线钢在受外部载荷时裂纹扩展规律的研究方法,以管道表面缺陷的位置作为变量,利用ABAQUS有限元软件构建三点弯曲试验的数值模型,进行不同工况的数值模拟,得出含缺陷X52油气管道裂纹扩展规律。

    1 2X52管线钢力学性能

    X52管线钢钢板的屈服強度、抗拉强度、伸长率等力学性能数据见表1。

    2 含缺陷X52管道有限元模型的建立

    2.1 模型建立

    管道模型长度为1000mm具体参数如表2所示。

    参考《GB/T232-2010金属材料弯曲实验方法》,采用三点弯曲法对管道进行加载实验。底部支撑柱跨距为800mm,压采用位移控制,对管道施力。压头柱垂直向下运动的位移为100mm,如图1所示。

    管道缺陷的布置包括两类:一类为三维的槽型缺陷,槽型缺陷的尺寸如表3所示。

    另一类为二维的片状缺陷,尺寸如表4所示。

    2.2 管道缺陷的布置

    首先在无预制缺陷的情况下,进行三点弯曲实验的ABAQUS有限元数值模拟,管道应力应变云图如2、3、4所示。

    根据无预制缺陷下的应力应变云图,可以确定预制缺陷的位置。缺陷布置在管道的内外表面,如图5所示,为拟布置缺陷的位置。

    3 数值模拟分析的可行性

    为了验证数值模拟方法的可行性,选取图5(a)中4号缺陷,研究缺陷附近的应力分布、进行“XFEM”分析、计算应力强度因子。

    含内表面上部中轴处环向缺陷管道的应力云图如6、7所示。

    如图6和7所示,管道上部受挤压处呈现明显的应力集中,管道内表面含缺陷处应力集中范围呈现“X”形,缺陷处有向两边张开的趋势。裂纹萌生点出现在管道上部内表面受压处附近,裂纹由裂纹萌生点沿管道轴向两侧扩展,裂纹扩展云图如图8和图9所示。

    裂纹为Ⅰ型(张开型)裂纹,裂纹初始萌生时的Mises应力为347.334MPa,对数应变为0.0030931,裂纹未穿透管壁,左右两端裂纹长度分别为417.178mm和401.157mm。如图10所示。

    应力强度因子曲线图,环向缺陷两端应力强度因子显著高于环向缺陷的中部,根据断裂力学的基本理论可推测,管道缺陷两端萌生裂纹,失效断裂的可能性要高于管道缺陷中部。

    4 结论

    通过该缺陷位置的数值模拟分析得到的数据和推论,可以认为利用ABAQUS有限元软件构建三点弯曲试验的数值模型,进行多工况的数值模拟,得到含缺陷X52管线钢在受外部载荷时裂纹扩展规律是可行的。

    参考文献

    [1]帅健.我国输气管道应力腐蚀开裂的调查与研究[J].油气储运,2006,25(4):22-26.

    [2]付勇.海底管线断裂疲劳分析及软件开发[D].杭州:浙江大学,2015.

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更新时间:2025/3/21 12:13:44