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管道運(yùn)輸是輸送石油和天然氣等產(chǎn)品的安全運(yùn)輸方式，我國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道總長(zhǎng)度在２０１４年已達(dá)１２×E４ ｋｍ，其中運(yùn)行時(shí)間在２０年以上的占６２％。由于老化和環(huán)境因素引起的腐蝕缺陷會(huì)降低管道的強(qiáng)度，減小其抗疲勞能力，造成管道局部屈曲、泄漏甚至爆破。目前，腐蝕缺陷已成為埋地油氣管道失效的主要原因，據(jù)統(tǒng)計(jì)因腐蝕缺陷導(dǎo)致管道破壞進(jìn)而發(fā)生的事故約占事故總數(shù)的５０％左右。因此，對(duì)埋地油氣管道進(jìn)行定期檢測(cè)和管道剩余強(qiáng)度評(píng)估，建立高可靠度的管線剩余強(qiáng)度分析方法，對(duì)管道的安全性評(píng)價(jià)非常重要。
從２０世紀(jì)６０年代初開始，國(guó)外學(xué)者對(duì)管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。例如，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)斷裂力學(xué)公式提出了ＡＳＭＥ Ｂ３１Ｇ—２００９準(zhǔn)則；英國(guó)燃?xì)夤竞团餐?jí)社共同完成了ＤＮＶ ＲＰ－Ｆ１０１標(biāo)準(zhǔn)；美國(guó)Ｂａｔｔｌｌｅ實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了ＰＣＯＲＲＣ方法。我國(guó)也制定了ＳＹ／Ｔ６１５１—１９９５、ＳＹ／Ｔ ６４７７—２０００、ＳＹ／Ｔ １００４８—２００３等標(biāo)準(zhǔn)。２０世紀(jì)９０年代中期，Ｂ．Ｃｈｏｕｃｈａｏｕｉ等首先提出了彈塑性有限元分析方法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元理論的不斷成熟，以有限元模擬為主、試驗(yàn)為輔的腐蝕管道研究方法被廣泛采用，并取得了豐碩成果。有限元模擬方法可以根據(jù)管道缺陷的實(shí)際形狀進(jìn)行建模，并且考慮管道材料的可塑性、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變等非線性因素。
國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者主要應(yīng)用有限元法評(píng)定平底缺陷腐蝕管道的剩余強(qiáng)度和剩余壽命，但是模擬的缺陷形狀相對(duì)單一，對(duì)橢球形等形狀缺陷進(jìn)行的研究相對(duì)較少。筆者借助大型有限元分析軟件ANSYS，采用幾何非線性和材料非線性有限元方法，針對(duì)我國(guó)某成品油管道檢測(cè)出的兩個(gè)缺陷，建立了橢球形缺陷管道模型，并計(jì)算了應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)，基于彈性極限準(zhǔn)則和塑性極限狀態(tài)失效準(zhǔn)則，在已知腐蝕速率的情況下，對(duì)腐蝕管線的剩余壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
某長(zhǎng)輸成品油管道１９９５年１０月投產(chǎn)，至今已經(jīng)運(yùn)行近２０年。管材為ＡＰＩ Ｘ５２鋼，管道直徑為３７７ｍｍ，壁厚為６ｍｍ，最小屈服強(qiáng)度為３６０ＭＰａ，抗拉強(qiáng)度為５２８ＭＰａ。從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得，材料的彈性模量Ｅ＝２１００００ＭＰａ，泊松比υ＝０.３，設(shè)計(jì)壓力和最大允許操作壓力均為６．０ＭＰａ。在管道內(nèi)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)缺陷，對(duì)其中的兩個(gè)缺陷進(jìn)行了開挖驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，內(nèi)檢測(cè)尺寸較為準(zhǔn)確。兩個(gè)腐蝕缺陷的詳細(xì)尺寸見表１。現(xiàn)以２＃腐蝕缺陷為例，介紹建模及求解過程。
外腐蝕管道有限元模型的建立在有限元分析過程中，為了能找到一定的外腐蝕安全評(píng)估規(guī)律，可將腐蝕寬度較小的缺陷簡(jiǎn)化為形狀規(guī)則的模型，即同時(shí)對(duì)稱于通過管道軸線的平面和垂直于管道軸線的平面的橢球模型。為了節(jié)省計(jì)算資源，在分析過程中取１／４的管道模型。為了消除邊界效應(yīng)，根據(jù)圣維南原理，管道長(zhǎng)度取１０００ｍｍ（大于管徑的２倍）。在建立幾何模型時(shí)，對(duì)管道模型與橢球模型進(jìn)行布爾減法運(yùn)算，即可得到橢球形缺陷。
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