在役油气管道管体凹陷深度检测数据差异性原因分析

韩 涛，刘 宇，杨柳青，尹长华，赵忠刚，姜晓红，温晓峰

1.中国石油天然气管道科学研究院有限公司油气管道输送安全国家工程实验室，河北廊坊 065000

2.中油管道检测技术有限责任公司，河北廊坊 065000

3.中国石油管道分公司，河北廊坊 065000

埋地管道由于受到石块等外部硬物的挤压，管体上可能会产生不同形状和深度的凹陷变形，给油气管道的安全运行带来不利影响[1-2]。Dawson等[3]对欧洲7 000 km管道的内检测数据进行统计后，发现了近万处凹陷，平均1.4个/km；而国内某条运行30余年的管道在内检测中也发现了100多处凹陷，且深度达到维修标准，即深度≥6%OD（OD为管道外径）的有70多处[4]。我国目前长输油气管道总里程达11.7万km，基本形成了贯穿全国、连通海外的油气输送管网[5]，管体凹陷的大量存在对管道安全造成威胁，因此开展凹陷变形的检测和处置十分重要。

根据美国机械工程师学会ASME B31.4/B31.8标准要求，在役管道的管体平滑凹陷深度大于6%OD时须换管修复[6-7]。在实际的工程检测中，发现管道内检测数据与开挖后测量数据间有时存在一定差异，即内检测的凹陷深度超过了标准要求，但在开挖后管道去除了土壤或硬物等约束，使凹陷发生了回弹，此时测量的凹陷深度小于内检测数据，这就导致在决定该凹陷管体是否需要修复，以及修复方式的选择方面存在争议。基于此，在考虑管体凹陷形成后几何、应力、应变的基础上，结合开挖后凹陷约束状态的变化，借助ABAQUS强大的非线性分析功能，建立了管体凹陷形成和开挖回弹的有限元模型，分析开挖前、后管体凹陷深度的变化规律，为管体凹陷变形检测数据的分析，以及合理制订凹陷处置方案提供技术依据。

1 管道管体凹陷有限元模型建立

根据约束类型，管体平滑凹陷可分为非约束型凹陷和约束型凹陷两类，其中非约束型凹陷通常位于管道顶部，凹陷形成后无硬物持续约束，只存在土壤约束；约束型凹陷通常是由沟底石块等硬物挤压形成，一般位于管道底部，硬物的约束作用持续存在。

管体凹陷区域的管材发生大应变（弹塑性）而形成永久性凹陷，这一过程涉及动力学、大应变、材料和接触非线性问题。对于此类延性金属的变形问题，ABAQUS/explicit模块具有良好的适应性；开挖后管道凹陷的约束外力逐渐解除，凹陷开始回弹，为了消除凹陷回弹过程中质量力对凹陷回弹量的影响，凹陷回弹计算以凹陷形成后的动力学计算结果为初始条件，进行ABAQUS/explicit和ABAQUS/standard模块之间的数据传递，利用ABAQUS/standard对凹陷进行静态回弹分析，得到绝对收敛解[8-9]。

1.1 材料本构模型及参数

管体凹陷的形成和回弹过程中存在材料的正、反向加载，考虑材料大应变过程中屈服面的变化，以及材料正、反向加载过程中由于包辛格效应而出现的硬化和软化现象，模型中的材料本构采用弹塑性多线性随动强化模型，有：

式中：εT为真应变；ε为工程应变；σT为真应力，MPa；σ为工程应力，MPa。

有限元分析对象为X80、D1 219 mm×18.4 mm管道，材料参数为圆棒拉伸的实测数据，利用式（1）和式（2）将工程应力、工程应变数据转换为真应力、真应变数据[10]。模型选取材料基本参数见表1，拉伸应力/应变曲线见图1。

表1 模型材料参数

图1 应力/应变曲线

1.2 凹陷管体的几何和网格模型

考虑到凹陷处应力影响区范围及大应变过程，管道模型选取整管进行分析（管长为12 m），网格采用六面体减缩积分单元（C3D8R）进行网格划分，厚度方向三层网格，管体与压头接触部位进行网格细化，充分保证接触的稳定性以及大应力梯度区域计算结果的准确性，几何模型见图2，网格模型见图3；压头为球面结构，对管道施压形成管体平滑凹陷，模型中处理为刚体。模型几何参数见表2。

图2 几何模型

图3 网格模型

表2 模型几何参数

1.3 有限元分析方案

首先利用ABAQUS/explicit准静态动力学分析模块，采用刚体压头对管道施压，形成一定深度的平滑凹陷。然后将动力学部分计算得到的带凹陷管道的几何、材料、应力和应变等数据作为初始状态进行数据传递，导入ABAQUS/standard进行凹陷回弹分析。

非约束型凹陷由临时性外力造成，当临时性外力撤除后，凹陷发生回弹。假设内检测数据准确，此时影响内检测凹陷深度和开挖检测凹陷深度数据一致性的因素，仅有土壤对凹陷的约束作用。所以对于非约束型凹陷的回弹分析，以外力撤除后已发生回弹凹陷的应力、应变数据为初始条件，建立管土耦合模型，分析土壤约束作用对非约束型凹陷深度的影响。

同样，约束型凹陷是由永久性外力（硬物等）造成，开挖后硬物和土壤去除，凹陷发生回弹。影响内检测凹陷深度和开挖检测凹陷深度数据一致性的因素，是硬物和土壤对凹陷的约束作用。所以对于约束型凹陷，以凹陷形成后的应力、应变数据为初始条件，建立管土耦合模型，分析硬物和土壤约束作用对约束型凹陷深度的影响。

2 有限元分析结果与讨论

2.1 凹陷预制过程的应力应变

凹陷预制属于金属成型问题，建立有限元模型后运用ABAQUS/explicit模块进行有限元分析，图4和图5分别为预制6%OD凹陷的应力和位移云图。结果表明，经过刚体压头冲压，管道上形成了一个深度为6%OD的平滑凹陷。凹陷形成后其Mises应力最大值为817 MPa，最大真应变为9.84%，应力与应变最大值均出现在凹陷最底部。

图4 Mises应力云图/MPa

图5 凹陷截面位移云图/mm

2.2 基于管土耦合模型的凹陷回弹分析

考虑不同类型凹陷的形成原因，建立管土耦合模型，模拟凹陷在残余应力和运行内压作用下的回弹过程，其中土体开挖过程采用生死单元法。以上节预制的6%OD凹陷为例，建立管土耦合模型。图6为管土耦合模型，图7为凹陷处环向截面和凹陷处轴向横截面，其中红色部分为管道，蓝色为土体。土体材料采用线弹性土体模型，具体参数见表3，土体与变形管道之间的应力传递通过接触实现。

图6 管土耦合模型

图7 凹陷处横截面

表3 土体材料参数

对于非约束型凹陷，模拟临时性约束外力撤除后埋地状态下的回弹和开挖回弹；对于约束型凹陷模拟开挖回弹。考虑到质量力对回弹量计算精度的影响，回弹部分在ABAQUS/standard采用静态回弹，以提高计算精度。

埋地状态下，约束型凹陷由于硬物等造成的永久性外力持续存在，因此不发生回弹；非约束型凹陷由于临时性约束外力的撤除而发生回弹。

为了研究凹陷回弹行为，模型求解后，取凹陷部位环向和轴向的位移参数绘制成曲线进行对比分析，如图8所示。

图8 凹陷区域节点位移曲线

（1）在残余应力和管道运行内压的共同作用下，非约束型凹陷在埋地状态下发生大部分回弹，开挖后土壤的约束力解除，继续发生少量回弹。对于非约束型凹陷来说，内检测凹陷深度与开挖检测凹陷深度具有一致性，有少量差别。

（2）约束型凹陷开挖后硬物和土壤对凹陷的约束力解除，一次性产生大量回弹。约束型凹陷的内检测凹陷深度与开挖检测凹陷深度差异较大。

（3）另一方面，开挖后凹陷后边缘存在隆起现象，这主要是由凹陷形成过程引起的材料硬化造成的，使得凹陷区域材料的屈服强度高于其他区域，计算结果与实际开挖检测过程中的现象相符，见图9。

图9 现场开挖测量发现的凹陷边界区域隆起

2.3 不同深度凹陷回弹对比分析

通过对不同深度凹陷回弹的系列分析，得到不同约束状态下的凹陷深度以及回弹量和回弹率数据。为了分析不同状态时凹陷回弹后深度的变化规律，将表示不同状态下凹陷回弹后的深度绘制成曲线，如图10所示。从图中可以看出：

（1）埋地状态下，约束型凹陷由于硬物的持续约束作用，回弹率为0；非约束型凹陷，由于临时性约束外力撤除，埋地状态下凹陷已发生大量回弹，并且其回弹量随着初始凹陷深度的增大而减小。

图10 凹陷回弹规律

（2）开挖后，由于永久性约束硬物和土壤的去除，约束型凹陷一次性发生大量回弹。其回弹趋势为回弹率随着初始凹陷深度的增大而减小；非约束型凹陷，去除土壤的约束后发生少量回弹，其回弹趋势为回弹率随着初始凹陷深度的增大而增大。

（3）从内检测和开挖后检测结果方面来看，对于约束型凹陷，管道凹陷内检测深度与开挖检测深度差值很大，并且随着凹陷深度的增大，内检测凹陷深度与开挖检测数值差异增大；对于非约束型凹陷，由于土壤对凹陷的约束作用有限，管道凹陷内检测深度与开挖检测深度差值较小，其差值约为内检测深度的8.6%左右。

2.4 工程分析

截至2016年11月底，某检测公司共完成管道智能测径45段，累计检测里程3 342 km，涉及D 219～1 219 mm等十余种不同口径，共检测报告管道变形949处，最大变形深度为13.5%OD，深度≥6%OD的变形105处。根据目前我国执行标准，这105处变形管段需进行切除修复。但对不合格管体凹陷进行开挖检测发现，其凹陷深度均在5%OD以内，说明这些不合格管体凹陷均为约束型凹陷，这与本文理论分析结果一致。

3 结束语

本文运用ABAQUS/explicit和ABAQUS/standard模块数据传递耦合计算方法，采用弹塑性材料本构模型，对X80、D 1 219 mm×18.4 mm管道凹陷的形成以及不同约束状态下凹陷的回弹情况进行了系列分析，得出了长输管道缺陷检测过程中，内检测数据与开挖检测数据差异性的来源及变化规律。

（1）管道凹陷的约束状态不同是内检测数据与开挖检测数据差异较大的主要原因。

（2）管道凹陷的回弹行为是由于凹陷形成后的残余应力和管内内压作用而发生的。

（3）考虑到开挖后因管道凹陷处约束状态的改变产生的凹陷回弹，在役带凹陷管道的修复应在区分凹陷的约束状态后，以内检测数据为依据制订修复方案更为合理。

（4）通过理论分析结合某检测公司现场检测数据得出，在役管道开挖检测后凹陷深度一般在5%OD以内，此结论符合API1156[11-12]中的论述。