基于ANSYS的油气腐蚀管道的受力分析

杜 捷

(福建省锅炉压力容器检验研究院泉州分院，福建 泉州 350008)

1 引言

随着管道敷设数量与投用时间与日俱增，管道腐蚀频频出现，管道安全运行受到严重影响。当前，国内许多油气管道使用年限已经接近设计年限，有些甚至超过设计年限，踏上事故多发快车。腐蚀是引起管道事故的关键因素，通过引起管壁减薄，进而造成局部应力集中。随着管壁不断减薄，达到一定程度后将会发生破裂，进而造成油气泄漏，从而造成经济损失、人员伤亡及环境污染等恶性后果。因此，对腐蚀管道开展受力分析，探索管道腐蚀规律有着深远意义。

2 直管腐蚀应力研究

为了减小油气管道腐蚀模型规模，缩短模型计算时间，考虑管道结构左右对称，选取腐蚀管道结构的四分之一建立模型[1]。利用充足细密的网格确保有限元仿真结果拥有较高的精度极为关键。通常来讲，软件计算准确度和精度随着网格分得越多越细而提高。倘若对整个结构全部采用细化网格，则计算时间将成倍增加。因而一般只在出现应力应变梯度高的地方采用细化网格，其它地方采用粗网格。由于腐蚀缺陷处应力和变形往往比较大，为保证计算精度和准确度，腐蚀缺陷处的网格跟其它部分相比，划分更细密。

2.1 直管腐蚀模型的建立

为便于建模，直管腐蚀区域采用长方体蚀坑代替，利用ANSYS 20节点3维6面体单元Solid 95进行建模，具体参数见表1。

表1 管道参数

取厚度10mm，外径380mm，长为管道直径长度，腐蚀区（100×20×5）mm的管道进行建模，整个直管外腐蚀模型见图1。

图1 直管外腐蚀有限元模型

由图1可知，在ANSYS中设置腐蚀区域的网格多且密，其他区域网格较稀松，有利于分析腐蚀区域的应力和变形。

2.2 边界情况设定

油气管道常常受到内压、轴向载荷以及弯矩等载荷的共同作用，而内压常常是最主要的影响因素，因此只考虑内压的作用[2-3]。由于现实中管道长度较长，而腐蚀分析仅为其中一段，故设置管道两端轴向位移为零。因为管道两边对称，所以设置管壁对称面垂直变形为零。整个边界条件设置为：XZ平面内设置Ul=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，XY平面中设置U2=0，整个边界条件见图2。

图2 直管有限元模型的边界条件

2.3 模型加载和结果分析

管道内部压力取值为3MPa，将建立好的模型命令流导入ANSYS中进行加载，加载后的应力变化见图3。

图3 直管腐蚀模型Von Mises应力图

由图3可知，腐蚀管道最大Von Mises应力为233.654MPa，出现在腐蚀区域与未腐蚀区连接缝处，腐蚀区域的应力比未腐蚀处大得多，相对危险，未腐蚀区的应力较小，相对均匀。

3 腐蚀参数分析

为分析腐蚀缺陷的长、宽和深3个因素对油气管道最大等效应力产生的作用，分别取下述腐蚀长、宽和深组合工况进行计算，详见表2。

表2 计算工况表

3.1 外腐蚀管道的参数分析

取油气管道直径380mm，壁厚10mm，长为管道直径长度，采用腐蚀区域尺寸不同的20个组合建立管道外腐蚀模型，分析外腐蚀管道在内部压力3MPa下的应力情况，如表3所示。

表3 外腐蚀长、宽、深对最大等效应力的影响(MPa)

从图4、5可知，腐蚀区域最大等效应力的增大与腐蚀长度成正比，增加到一定程度，应力值的增幅变小且趋于稳定，即管道腐蚀区域的长度对管道的应力影响是有限的，不能无限制增大。腐蚀区域宽度对最大等效应力的作用相对较小，但两者关系变化也和长度一样[4-5]。腐蚀区域的深度对最大等效应力的影响非常大，腐蚀深度小的情况下，最大等效应力随着腐蚀长度的变化稍缓，增幅较小；当腐蚀加深，最大等效应力随长度的变化率增大，曲线变陡。总体说来，影响外腐蚀应力的关键指标是长度和深度，宽度的影响较小。

图4 不同外腐蚀宽度对等效应力的影响

图5 不同外腐蚀深度对等效应力的影响

3.2 内腐蚀管道的参数分析

取油气管道直径380mm，壁厚10mm，长为管道直径长度，采用腐蚀尺寸不同的20个组合建立管道内腐蚀模型，分析内腐蚀管道在内部压力3MPa下的应力情况，如表4所示。

表4 内腐蚀长、宽、深对最大等效应力的影响 (单位：M P a)

图6 不同内腐蚀宽度对等效应力的影响

图7 不同内腐蚀深度对等效应力的影响

从图6、7中可知，内腐蚀和外腐蚀的最大等效应力随腐蚀尺寸的变化规律基本相同，深和长的影响更大，宽的影响稍小[6-7]。腐蚀区域的最大等效应力的增大与腐蚀长度成正比，增加到一定程度，应力值的增幅变小且趋于稳定；腐蚀区域宽度对最大等效应力的作用和长度的影响作用相同[8]。腐蚀区域的深度对最大等效应力的影响非常大，腐蚀深度小的情况下，最大等效应力随着腐蚀长度的变化稍缓，增幅较小；当腐蚀加深，最大等效应力随长度的变化率增大，曲线变陡。

3.3 内腐蚀和外腐蚀影响规律比较

图8 内外腐蚀宽度对等效应力的影响比较

图9 内外腐蚀深度对等效应力的影响比较

由图8、9可知，内腐蚀和外腐蚀影响规律相同，相同尺寸的腐蚀缺陷的最大等效应力相差不大，曲线基本重合。对于相同腐蚀尺寸而言，外腐蚀的最大应力稍大，即外腐蚀更加危险，现场更应该注意外腐蚀的影响，加强保护[9]。

4 结语

（1）腐蚀管道最大等效应力出现在腐蚀区域与未腐蚀区连接缝处，该处容易产生应力集中，危险性较大。

（2）内腐蚀和外腐蚀的影响规律基本一致，对于相同的腐蚀尺寸而言，外腐蚀更加危险。

（3）总体说来，影响腐蚀应力的关键指标是长度和深度，宽度的影响较小。