局部减薄水电站光面管失效模式研究

张 阳，陈嘉其，王嘉伟，彭友文

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西 南昌 330099；3.成都基准方中建筑设计有限公司南宁分公司，广西 南宁 530012；4.江西省市政工程设计研究院有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

水电站压力钢管在高压水挟带的砂石冲刷及外界物质腐蚀作用下，管壁常发生局部减薄现象[1]，出现承载力降低、疲劳裂纹萌生、局部膨胀等问题。因此，预测局部减薄水电站压力管道的失效模式对其安全运行非常重要。

目前，国内外研究者对局部减薄管道失效模式开展了一些研究[2～5]。陈钢等[6]讨论了内压和面内弯矩共同作用下局部减薄弯头的典型塑性失效模式，指出局部减薄参数是影响失效模式的关键因素；Choi等[7]通过爆破试验研究了不同减薄参数对X65钢管失效机理和失效压力的影响，并结合数值模拟预测了失效危险区域；Lee等[8]针对含有点蚀和槽形减薄两种缺陷形式的压力管道展开了弹塑性有限元分析，发现局部减薄几何形状对管道失效模式有较大的影响；Roy等[9]针对弯曲荷载和轴向荷载联合作用下的局部减薄压力管道开展了实验和数值分析，总结了局部减薄深度、局部减薄环向长度以及减薄位置对管道失效模式的影响规律。上述研究表明局部减薄管道的失效模式受多种因素影响，然而目前研究仍未给出失效模式的判定方法。

鉴于此，本文针对采用中高强度钢材的局部减薄水电站光面管开展了失效模式研究，选取局部减薄光面管与相应无缺陷管道失效时塑性区体积比为失效模式量化指标，提出了该类管道失效模式的两级判定标准，从而建立了采用中高强度钢材的局部减薄水电站光面管的失效模式判定方法。

1 局部减薄光面管失效机理分析方法与验证

1.1 失效机理判定方法

采用弹塑性增量法（Elastic-plastic Incremental Analysis，简记EPIA）开展局部减薄水电站光面管的失效机理研究，从而确定该管道失效模式的判定关系式。文中选取局部减薄管道失效时塑性区体积与相应无缺陷管道失效时塑性区体积比为失效模式量化指标，采用式（1）、（2）判定局部减薄水电站光面管失效模式类型：

式中，VL为局部减薄管道失效时塑性区体积，m3；V为无缺陷管道失效时塑性区体积，m3。

1.2 分析方法验证

1.2.1 Benjamin爆破试验

选取Benjamin[10]试验的IDTS2试件，管材采用API X80钢，材料屈服强度和抗拉强度分别为534.1MPa和713.8MPa，弹性模量为 2.0×105MPa，泊松比为 0.3。采用EPIA法得到极限承载力结果见表1，管道失效时的破坏模式和应力分布如图1。

表1 Benjamin试验IDTS2试件[10]的极限承载力结果

由表1可知，本文极限承载力计算结果与实验结果符合良好，误差为3.18%。同时由图1可知，各计算方法的最大应力均出现在平行于管道轴线的近无减薄区域，与试验的破坏区域和破坏模式基本一致。研究表明，失效区域限于减薄区的部分小范围内，管道VL/V为12.1%小于20%，属于局部破坏，危险点出现在平行于轴线的近无减薄区域附近。

图1 IDTS2试件失效的应力分布和失效模式

1.2.2 Choi爆破试验

选取Choi[7]试验的LA试件，管材采用APIX 65钢，材料屈服强度和抗拉强度分别为465MPa和565MPa，弹性模量为 2.06×105MPa，泊松比为 0.3。采用EPIA法得到极限承载力结果见表2，管道失效时的应力分布和破坏模式如图2所示。

由表2可知，本文极限承载力计算结果与试验结果符合良好，误差为0.82%。同时由图2可知，各计算方法的最大应力出现在减薄中心的部分区域，与实验的破坏区域和破坏模式基本一致。研究表明，失效区域沿减薄环向和轴向不断发展从而导致管道失效爆裂，管道VL/V为91.2%大于60%，属于整体破坏，危险点出现在减薄区域中心。

表2 Choi试验LA试件[7]的极限承载力计算结果

图2 LA试件失效时的应力分布和失效模式

2 计算模型与参数

图3为两端埋设在镇墩中的采用中高强度钢材的局部减薄水电站光面管示意图，其管跨为L，减薄轴向长度为2A、减薄环向长度为2B（对应2θ）和减薄深度为C。管材采用Q345D钢材，其应力应变关系[12]如图4所示，管道尺寸和材料参数如表3所示。采用ANSYS有限元软件进行结构建模，采用20节点的SOLID95单元模拟管壁，同时采用槽形凹坑模拟局部减薄区域，图5为根据对称性取1/4管段建立的有限元计算模型，对无缺陷区域管壁沿厚度方向划分4层单元、存在局部减薄的区域划分2层单元，并在减薄部位沿管轴向和环向精细划分单元。

图3 局部减薄压力钢管计算模型

表3 管道尺寸和材料参数

图4 Q345D的应力应变关系

图5 局部减薄压力钢管有限元网格

为方便下文开展研究，将管道部分体型参数和局部减薄参数进行无量纲化：

式中，l为无量纲化的管道跨度；a、b和c分别为无量纲化的局部减薄轴向半长、环向半长和深度。

3 局部减薄水电站光面管失效模式判定

3.1 局部减薄几何参数对失效模式的影响

为揭示单个局部减薄参数对局部减薄光面钢失效模式的影响规律，取以下无量纲化局部减薄几何参数计算方案：a=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，b=0.2，c=0.5；a=5，b=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，c=0.5；a=5，b=0.2，c=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，结果如图6所示，其中点划线为整体失效量化指标下限，虚线为局部失效量化指标上限。

图6 单个局部减薄参数对失效模式的影响规律

由图6（a）可知，无量纲化局部减薄轴向宽度a的变化对失效时有一定影响，随着a的增加逐渐降低，当a增大到10时为73.1%，仍高于整体失效量化指标下限，则管道总体上为整体失效模式。由图6（b）可知，无量纲化局部减薄环向宽度b的变化对失效时的影响较小影响可忽略，均约为95.2%，高于整体失效量化指标下限，为整体失效模式。由图6（c）可知，无量纲化局部减薄深度c≤0.5时，c对失效时VL/V的影响基本可忽略，VL/V高于整体失效量化指标下限，均为整体失效模式；c>0.5时，VL/V将迅速下降，且低于局部失效量化指标上限，则失效模式由整体失效模式转变为局部失效模式。

3.2 管道跨度l对失效模式的影响

考虑到管道设计相关规范[13]对跨度与弯曲应力的要求，无量纲化管道跨度l应不大于4.0，故无量纲化管道跨度l分别取1、2、3和4，同时考虑到减薄环向长度b对失效模式的影响不大，故计算中b仅取0.2，局部减薄轴向长度a分别取0.6、2.0、5.0和7.0，局部减薄深度c分别取0.3、0.5和0.7，结果如图7所示。

图7 管道跨度l对失效模式的影响规律

由图7可知，随着无量纲化管道跨度l的增大，VL/V呈降低趋势，尤其图7（c）所示c达0.7时，有一定的降幅。总体而言，l变化未改变管道的失效模式，其原因是在有限管长下跨中水重产生的弯曲应力远小于由内压产生的拉应力对局部减薄管道应力分布和失效模式的影响，所以可不考虑光面管跨度对局部减薄管道失效模式的影响。

3.3 局部减薄几何参数联合作用对失效模式的影响

根据前述影响规律研究，光面管的失效模式仅考虑a、c的联合作用。取以下计算方案：a=0.6、1、2、3、4、5、6、7、8、9和10，b=0.2，c=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9，结果如图8和表4所示。

结合图8和表4可知，局部减薄参数联合作用下的失效模式规律为：当c≤0.5时，管道失效模式仅由局部减薄厚度控制，否则管道失效模式由局部减薄厚度和局部减薄轴向长度共同控制。以上研究表明，为了保障在役管道结构运行安全，需要及时检查管道减薄c值和a值是否超标，以预防发生局部失效问题。

表4 局部减薄参数与失效模式的对应关系

图8 局部减薄参数联合作用下压力钢管的失效模式

表5 局部减薄水电站光面管的失效预测

4 局部减薄水电站光面管的失效预测

为验证本文对减薄管失效模式判定的可靠性，将本文预测结果与现有试验结果进行对比。由表5可知，本文方法能较好地预测局部减薄压力管道的失效模式，可为局部减薄压力管道安全评估提供参考。

5 结论

本文开展了采用中高强度钢材的局部减薄水电站光面管失效模式判定研究，研究表明：

（1）局部减薄环向长度和管道跨度对局部减薄水电站光面管失效模式的影响很小，可以忽略。

（2）局部减薄轴向长度和局部减薄深度是影响局部减薄水电站光面管失效模式的2个关键参数，文中给出了失效模式与2个关键参数间的对应关系。

（3）为了保障在役管道的安全运行，需要及时检查管道减薄轴向长度和深度是否超标。