基于有限元法對(duì)爆破試驗(yàn)預(yù)測(cè)埋地管道極限載荷的準(zhǔn)確性分析

摘要

摘　要：依據(jù)工程中常采用的兩種預(yù)測(cè)管道極限載荷的全尺寸爆破試驗(yàn)(按照密封方式的不同分為管道兩端加封頭和管道兩端密封處理)與實(shí)際埋地管道的工作條件不相符的問題，對(duì)爆破試

摘　要：依據(jù)工程中常采用的兩種預(yù)測(cè)管道極限載荷的全尺寸爆破試驗(yàn)(按照密封方式的不同分為管道兩端加封頭和管道兩端密封處理)與實(shí)際埋地管道的工作條件不相符的問題，對(duì)爆破試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性提出了質(zhì)疑。為此，采用有限元方法對(duì)爆破試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。首先收集了X80、Xl00高強(qiáng)度鋼腐蝕管道的爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比的方法確定出適用于高強(qiáng)度鋼管道的失效判據(jù)；基于該失效判據(jù)，計(jì)算出管道在兩種爆破試驗(yàn)和埋地等3種工況下的極限載荷，并進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：采用兩種爆破試驗(yàn)預(yù)測(cè)高強(qiáng)度埋地管道極限載荷的誤差均低于5％，其中采用加封頭的爆破試驗(yàn)預(yù)測(cè)埋地管道極限載荷的誤差為2.06％，建議采用。該研究結(jié)果為預(yù)測(cè)埋地管道的極限載荷提供了理論依據(jù)，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用以及管道選材具有重要價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度鋼管道全尺寸爆破試驗(yàn) 極限載荷有限元失效判據(jù) 誤差

A finite-element-based analysis of the accuracy in bursting tests predicting the ultimate load of a buried pipeline

Abstract：The vessel test and hydraulic ring expansion test are two full scale bursting testing methods of predicting the uhimate load f a buried pipeline．However，the prediction accuracy of the above two tests is in question because the testing conditions do not atch the practical working conditions in the buried pipelines．In view of this，this paper adopts the finite element(FE)method to imulate the pipeline in three working conditions：vest test，hydraulic ring expansion test，and the actual buried condition．First，the est data of X80 and Xl00 were collected and the failure criteria of high strength steel pipes were thus determined by comparing the ollected test data and the calculated results from the FE analysis．On this basis，the uhimate loads of pipelines in the above three orking conditions were obtained as well as their comparative analysis．It was found that the errors in the former two tests were both ess than 5％，the error of the vessel test was only 2.6％，so the vessel test is recommended to use．This study provides the theoretical basis for the prediction of the ultimate load of buried pipelines and is of great value to tbe practical application and tubular goods selection．

Key words：high strength steel，pipeline，full scale bursting test，finite element；failure criteria，error

在工程中常采用全尺寸爆破試驗(yàn)來預(yù)測(cè)管道的極限載荷。爆破試驗(yàn)按照密封方式的不同分為兩種：①管道兩端加封頭(Vessel Test)^[1-2]；②管道兩端密封處理(Hydraulic Ring Expansion Test)^[3]。由于兩種爆破試驗(yàn)與埋地管道的工況不完全相同^[4-7]。因此，筆者對(duì)爆破試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性提出了質(zhì)疑，采用有限元方法對(duì)爆破試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了兩種工況下的爆破試驗(yàn)所測(cè)出的爆破壓力區(qū)別，哪種爆破試驗(yàn)更能很好地預(yù)測(cè)實(shí)際埋地管道的極限載荷。

1　3種工況下管道兩端受約束分析

1．1　加封頭的爆破試驗(yàn)管道兩端受約束情況

加封頭的爆破試驗(yàn)管道兩端結(jié)構(gòu)是在管道兩端焊接橢圓型、與管道相同材料的封頭，使之與管道成為一體。試驗(yàn)過程中由于內(nèi)壓對(duì)封頭的作用，使封頭對(duì)管道兩端橫截面產(chǎn)生軸向反作用應(yīng)力，管道兩端受軸向應(yīng)力大小為pD／4t，其中p為內(nèi)壓，D為管道外徑，t為壁厚。

1．2　端部密封的爆破試驗(yàn)管道兩端受約束情況

端部密封的爆破試驗(yàn)的管道兩端結(jié)構(gòu)是密封圈置于管道兩端內(nèi)側(cè)。由于密封圈的摩擦力遠(yuǎn)小于管道由內(nèi)壓引起的應(yīng)力，故可以忽略管道兩端所受的摩擦力，即認(rèn)為管道兩端不受約束。

1．3　埋地管道兩端受約束情況

埋地管道兩端的結(jié)構(gòu)很簡單：兩端沒有封頭，故端部沒有軸向應(yīng)力的約束；由于管道外壁與土壤接觸，限制了管道軸向的位移。故埋地管道兩端的軸向位移為零。

2　3種工況下管道有限元分析

2．1　力學(xué)性能和材料參數(shù)

收集了10組含腐蝕缺陷的高強(qiáng)度管道的爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)使用X80、Xl00高強(qiáng)度鋼材料^[8-9]，材料參數(shù)見表l。

用有限元模擬實(shí)際爆破試驗(yàn)建模汁算，10組高強(qiáng)度管道的爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)^[1，10]見表2。研究含腐蝕缺陷的高強(qiáng)度管道的有限元失效判據(jù)。

2．2　有限元模型的建立

ABAQUS有限元建模過程中，為了使模型簡化，近似認(rèn)為缺陷為規(guī)則形狀，含缺陷管道既相對(duì)于經(jīng)過管道軸線與缺陷中心的平面對(duì)稱，也相對(duì)于垂直于管道軸線且通過缺陷中心的平面對(duì)稱，故可以只分析管子模型的l／4。采用三維的20節(jié)點(diǎn)六面體二次減縮積分單元(C3D20R)及靜力學(xué)Riks算法進(jìn)行計(jì)算。管道的長度要同時(shí)滿足管道外徑的2倍左右或缺陷長度5倍左右。

筆者研究的缺陷類型主要是孤立蝕坑和溝槽型缺陷。對(duì)于缺陷長度和寬度較小視為蝕坑，用橢球形來模擬；對(duì)于修長的槽狀腐蝕缺陷，采用溝槽進(jìn)行模擬，為避免槽端部的應(yīng)力集中，建模時(shí)槽的端部采用橢球形、槽身采用柱面。

2．3　載荷與邊界條件

只考慮管道受均布內(nèi)壓作用。對(duì)于邊界條件，由于管道的對(duì)稱性，經(jīng)過缺陷中心的橫截面上的軸向位移為零；縱向剖開的管壁截面上的垂直位移也為零。另外，管子不能在水平方向上無限制地移動(dòng)，所以在管子縱向截面無缺陷一端的一條直邊水平方向位移為零。除此之外，對(duì)于3種工況阿分別加上它們端部的約束。這3種工況下模型的載荷和邊界情況見圖l。

3　高強(qiáng)度鋼失效判據(jù)的確定

管道的失效判據(jù)與材料的失效機(jī)理密不可分。研究表明：中低強(qiáng)度材料的失效機(jī)理與高強(qiáng)度材料是不同的。中低強(qiáng)度材料管道腐蝕缺陷的失效主要是基于斷裂機(jī)理，它是由材料的屈服強(qiáng)度控制^[11-12]。造成高強(qiáng)度管道失效的主要機(jī)理是塑性失穩(wěn)，而缺陷的失效主要是由材料的極限拉伸強(qiáng)度控制^[13-14]。

本節(jié)根據(jù)實(shí)際收集到的l0組高強(qiáng)度鋼管道爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定適合高強(qiáng)度鋼管道的失效判據(jù)。

3．1　爆破試驗(yàn)有限元計(jì)算

取在內(nèi)壓作用下管道腐蝕區(qū)域應(yīng)力最大處沿厚度方向的3個(gè)節(jié)點(diǎn)，3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別位于缺陷最深處沿壁厚方向的外表面、內(nèi)表面和中間層面(圖2)。

圖3為l0組爆破試驗(yàn)有限元計(jì)算的內(nèi)壓應(yīng)力曲線圖(以編號(hào)為l模型為例)，取中間節(jié)點(diǎn)的曲線做插值計(jì)算。分別計(jì)算當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)的Von Mises等效應(yīng)力等于0.8UTS、0.9UTS、1.OUTS、0.5(UTS+SMYS)和塑性失穩(wěn)時(shí)的壓力值。

3．2　失效判據(jù)的確定

表3是采用5種失效判據(jù)，即當(dāng)缺陷最深處沿壁厚方向中間節(jié)點(diǎn)的Von Mises等效應(yīng)力分別等于0.8UTS、0.9UTS、1.OUTS、0.5(UTS+SMYS)和塑性失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的管道內(nèi)表面所受壓力值為所得到的管道失效壓力。計(jì)算得出的極限載荷與真實(shí)爆破壓力進(jìn)行對(duì)比分析見圖4。

從圖4可以直觀地看}H：當(dāng)管道缺陷最深處的平均Von Mises等效應(yīng)力達(dá)到極限拉伸強(qiáng)度l.0UTS時(shí)，計(jì)算出的管道極限載荷最接近真實(shí)爆破壓力值；當(dāng)Von Mises等效應(yīng)力等于0.8UTS、0.9UTS和0.5(UTS4-SMYS)時(shí)得到的極限載荷過于保守，都小于真實(shí)爆破壓力值；而當(dāng)達(dá)到塑性失穩(wěn)時(shí)，得到的極限載荷值部分大于真實(shí)爆破壓力，具有不安全性。

通過對(duì)比分析確定適合高強(qiáng)度鋼含腐蝕缺陷管道的失效判據(jù)為：當(dāng)腐蝕缺陷最深處沿壁厚方向中間節(jié)點(diǎn)Von Mises等效應(yīng)力達(dá)到材料的極限拉伸強(qiáng)度時(shí)認(rèn)為管道失效。從而進(jìn)一步驗(yàn)證了高強(qiáng)度等級(jí)鋼的失效機(jī)理是塑性失穩(wěn)，而失效主要是由材料的極限拉伸強(qiáng)度控制^[15]。

4　兩種爆破試驗(yàn)與埋地管道失效情況對(duì)比分析

基于已確定的適合高強(qiáng)度管道的失效判據(jù)，采用有限元分析方法模擬3種工況下管道的失效情況。圖5對(duì)3種情況下計(jì)算出的極限載荷做了對(duì)比分析。表4為3種丁況下管道極限載荷的對(duì)比值，通過對(duì)比分析可看出：加封頭的爆破試驗(yàn)與埋地管道的預(yù)測(cè)極限載荷吻合度更高，l0組誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差值為2.06％；兩端密封的爆破試驗(yàn)比埋地管道的預(yù)測(cè)極限載荷要小，l0組誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差值為3.64％。在實(shí)際工程試驗(yàn)中，建議用加封頭的爆破試驗(yàn)來預(yù)測(cè)埋地管道的極限載荷；用兩端密封的爆破試驗(yàn)來預(yù)測(cè)真實(shí)埋地管道的失效情況，得到的預(yù)測(cè)結(jié)果偏保守。

5　結(jié)論

1)經(jīng)過分析可知，3種工況下管道兩端的約束各不相同：加封頭的爆破試驗(yàn)管道兩端橫截面受軸向應(yīng)力；端部密封的爆破試驗(yàn)的管道兩端可以忽略管道兩端所受的軸向應(yīng)力，近似認(rèn)為不受約束；埋地長輸管道兩端沒有軸向應(yīng)力的約束，管道軸向位移為零。

2)確定出適合高強(qiáng)度鋼管道的失效判據(jù)為：當(dāng)腐蝕缺陷最深處沿壁厚方向的中間節(jié)點(diǎn)Von Mises等效應(yīng)力達(dá)到材料的極限拉伸強(qiáng)度時(shí)認(rèn)為管道失效。

3)通過對(duì)比分析得出：兩種爆破試驗(yàn)雖然與埋地長輸管道兩端受約束情況不完全相同，但預(yù)測(cè)出的極限載荷比較接近(預(yù)測(cè)誤差低于5％)。其中，加封頭的爆破試驗(yàn)對(duì)埋地長輸管道的預(yù)測(cè)極限載荷的誤差為2.06％；建議工程中采用加封頭的爆破試驗(yàn)來預(yù)測(cè)埋地長輸管道的極限載荷。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭磊，傅俊巖．高等級(jí)管線鋼的發(fā)展現(xiàn)狀[J]．鋼鐵，2006，41(10)：1-l0．

ZHENG Lei，FU Junyan．Recent development of high performance pipeline steel[J]．Iron&Steel，2006，41(10)：1-10．

[2]CHOUCHAOUI B A，PICK R J．Behavior of circumferentially aligned corrosion pits[J]．International Journal of Pressure Vessel and Piping，1994，57(2)：187-200．

[3]HADJ MEl，IANI M，MATVIENKO Y G，PLuNINAGE G．Corrosion defect assessment on pipes using limit analysis and notch fracture mechanics[J]．Engineering Failure Analysis，2011，18(1)：271-283．

[4]TENG Tsoliang，CHANG Penghsiang．A study of residual stresses in multi pass girth butt welded pipes[J]．International Journal of Pressure Vessel and Piping，1997，74(1)：59-70．

[5]NETTO T A，FERRAZ U S，ESTEFEN S F．The effect of corrosion defects on the burst pressure of pipelines[J]．Journal of Constructional Steel Researeh，2005，61(2)：1185-1204．

[6]LAW M，BOWIE G，FLETCHER L，et al．Burst pressure and failure strain in pipeline-part 2：Comparisons of burst pressure and failure strain formulas[J]．Journal of Pipeline Integrity，2004，43(3)：102-106．

[7]WANG Lizhong，ZHANG Yongqiang．Plastic collapse analysis of thin-walled pipes based on unified yield criterion[J]．International Journal of Mechanical Sciences，2011，53(3)：348-354．

[8]莊傳晶，馮耀榮，霍春勇，等．國內(nèi)X80管線鋼的發(fā)展及今后的研究方向[J]．焊管，2005，28(2)：10-14．

ZHUANG Chuanjing，FENG YaoronG，HUO Chunyong，et al．The development and its future research direction of grade X80 pipeline steel in China[J]．Welded Pipe and Tube，2005，28(2)：l0-14．

[9]SADASUE T，IGI S，KUBO T，et al．Ductile cracking evaluation of X80／Xl00 high strength linepipes[C]//Proceedings of IPC 2004 International Pipeline Conference，4-8 October 2004，Calgary，Alberta，Canada．New York：ASME，2004．

[10]FREIRE J L F，VIEIRA R D，BENJAMIN A C，et al．Part 3：Burst tests of pipeline with extensive longitudinal metal loss[J]．Experimental Techniques，2006，30(6)：60-65．

[11]馬彬，帥健，李曉魁，等．新版ASME B31G-2009管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性分析[J]．天然氣T業(yè)，2011，31(8)：112-115．

MA Bin，SHUAl Jian，IA Xiaokui，et al．Advances in the newest version of ASME B31G-2009[J]．Natural Gas Industry，2011，3l(8)：112-115．

[12]MA Bin，SHUAI Jian．Analysis on the latest assessment criteria of ASME B31G-2009 for the remaining strength of corroded pipelines[J]．Failure Analysis and Prevention，20ll，16(11)：666-671．

[13]YAN Z D，BU X M．An effective characteristic method for plastic plane stress problems[J]．Journal of Engineering Mechanics，1996，122(6)：502-506．

[14]張春娥．腐蝕管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法研究ED]．北京：石油大學(xué)，2003．

ZHANG Chun’e．The study of assessment methods about corroded pipeline remaining strength[D]．Beijing：China University of Petroleum，2003．

[15]CHOI J B，GOO B K，KIM Y J，et al．Development of limit load solutions for corroded gas pipelines[J]．International Journal of Pressure Vessels and Piping，2003，80(2)：121-128．