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在役埋地原油管道機(jī)械撞擊損傷缺陷安全評定

文檔作者：李秀峰何仁洋劉長征孟濤孫亮趙世佳文檔來源：中國特種設(shè)備檢測研究中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月27日
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第43卷第2期
2006年4月
化工設(shè)備與管道
PROCESS EQUIPMENT＆PIPING
Ve1．43 No．2
Apr．2006
在役埋地原油管道機(jī)械撞擊損傷缺陷安全評定
李秀峰，何仁洋，劉長征，孟 濤，孫 亮，趙世佳
(中國特種設(shè)備檢測研究中心，北京100013)
摘要：對某段含局部撞擊缺陷原油管線進(jìn)行了彈性和彈塑性有限元數(shù)值計算，重點對焊縫附近兩個撞擊損傷嚴(yán)
重的部位進(jìn)行了極限分析和安定性分析，并根據(jù)“合乎使用”的原則，按國家“九五”、“十五”科研成果對含撞擊缺
陷的管道進(jìn)行了安全評定，結(jié)果表明此管道在今后一年內(nèi)可以安全運行。
關(guān)鍵詞：壓力管道； 缺陷； 有限元； 極限分析； 安定性分析
中圖分類號：TQo55．8+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009—3281(2006)02-0050-04
Safety Assessment for Defects Caused by M echanical Impact in
In—service Buried Crude Oil Piping
Li Xiufeng，He Renyang，Liu Changzheng
(China Inspection and Research Center of Special Equipment Beijing，100013)
Abstract In this paper．one section of a crude 0il pipeline with local impact damage defects was calculated by using elastic and elastic-plastic numeri—
cat simulation method Two serious defects close to the weld joint Were analyzed by limit analysis method and shake—down analysis method．The safety as一
~ssment of this section，then，wa8 carried out based on the principle of”fit for use’’and the scientific research results of”the ninth-five plan’’and”the
tenth—five plan” It has showed that the pipeline run safely in one year．
Keywords pressure piping，defect，finite element，limit analysis，shake—down analysis
我國目前對壓力管道缺陷評定還處于研究階
段，相應(yīng)的缺陷評定規(guī)程尚不完備。隨著人們對壓
力管道安全工作越來越重視，利用有限元數(shù)值分析
方法對含超標(biāo)缺陷管道進(jìn)行強度校核，根據(jù)“合乎
使用”原則來評定超標(biāo)缺陷，越來越被人們所接受，
這種評定方法是在保證管道使用安全的前提條件
下，明確了超標(biāo)缺陷能否在一定條件下安全使用，從
而使得壓力管道的缺陷處理更加科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)
實用 ， 。
受某管道公司委托，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總
局中國特種設(shè)備檢測研究中心于2005年6月對其
所屬的某原油輸送管道因高速公路施工而受機(jī)械撞
擊的凹陷部位進(jìn)行了雙非線性有限元應(yīng)力分析(幾
何非線性、材料非線性)。本次分析以現(xiàn)場實測數(shù)
據(jù)為基礎(chǔ)，利用大型通用有限元軟件ANSYS，建立
被撞凹陷管段三維實體模型，應(yīng)用彈性及彈塑性有
限元法進(jìn)行了安定性分析和極限分析，獲得了被撞
凹陷管段在內(nèi)壓載荷作用下的彈性、彈塑性應(yīng)力分
布和位移分布，并以國家“九五”、“十五”階段性科
研成果為基礎(chǔ)，給出了管道“合乎使用”的條件 。
1 被撞凹陷管道的有限元模型
1．1 有限元實體建模
根據(jù)原始設(shè)計資料，管道規(guī)格為 l41mm×
5．6ram，無腐蝕減薄，經(jīng)計算最大均勻腐蝕率小于
0．1mm／a。下次檢測周期為一年，在壁厚的基礎(chǔ)上
減去2倍腐蝕量，則取計算壁厚為5．4ram。為消除
邊緣效應(yīng)，取管道長度方向的計算區(qū)域為凹陷部位
及其兩側(cè)各延長480mm的管段。
對距焊口分別為2mm、30ram的兩處機(jī)械損傷
最嚴(yán)重的凹陷進(jìn)行分析，凹陷處管段總長為
收稿日期：2005-10-24； 修回日期：2005-11-28
作者簡介：李秀峰(1978一)，男，碩士。主要從事埋地壓力管道
檢測。
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第43卷 李秀峰等，在役埋地原油管道機(jī)械撞擊損傷缺陷安全評定 ·51·
144mm，最大凹陷深度為5ram；兩處凹陷根據(jù)其外
部形狀，一處假設(shè)為橢圓和另一處為圓形。利用
ANSYS對凹陷處管段建模。被撞凹陷管道的有限
元實體模型如圖1所示。
圖1 被撞凹陷管道有限元實體模型圈
1．2 有限元單元模型
被撞凹陷管道的有限元單元模型如圖2所示，
共劃分2640個solid95單元、有14732個節(jié)點。
圖2 被撞凹陷管道有限元單元模型圖
1．3 載荷
本次分析僅考慮內(nèi)壓載荷，在管道模型內(nèi)壁施
加與內(nèi)壓值相等的均布壓應(yīng)力，在管道模型的右端
面施加與內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力等效的拉應(yīng)力。根據(jù)
原始資料審查，取計算內(nèi)壓為設(shè)計壓力6．4MPa。
1．4 約束
消除剛體位移，在管道模型左端面施加固定
約束。
1．5 材料
根據(jù)原始資料審查，管道主體材料為API 5L×
42，管材屈服限為290MPa，許用應(yīng)力為208．8MPa
(GB50253-2003)。取楊氏模量E=203390MPa、泊
松比 =0．292進(jìn)行彈性分析；考慮到兩處凹陷之間
存在焊縫的影響，取焊縫系數(shù) ：0．9，屈服限 =
275MPa，并作出了相應(yīng)的材料模型假設(shè)。材料應(yīng)力
應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。
O0
圖3 材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線
2 彈性分析
2．1 彈性計算結(jié)果
彈性有限元分析解的應(yīng)力分布如圖4所示。
N0DAL SOLUrfON
302 08 784E+08 1 27 09 1 75E+09 223E+09
543E+08 103E+09 151E-09 199E+O9 247E+O9
(a) 外表面Mises等效應(yīng)力分布
STEP=1
SUB 1
TIM E=l
SEQV (AvG1
DM)c=010093
SMN一302E+o8
SM )(=247E+09
SM xR= 297E+09
302E+08 784E+08 127E+09 175E+09 223E+09
543E+08 l∞ E十09 151E+09 199E+09 247E+09
(b) 內(nèi)表面Mises等效應(yīng)力分布
圖4 彈性應(yīng)力分析計算結(jié)果
2．2 結(jié)果分析
由圖4(a)、(b)可以看出：右側(cè)凹陷的彈性應(yīng)
力最大。在內(nèi)壓為6．4MPa時，該處的外表面局部
Mises等效應(yīng)力為247MPa，內(nèi)表面局部Mises等效
應(yīng)力約為151MPa?？梢姽艿辣蛔残纬砂枷莺螅渚?
部最大應(yīng)力沒有達(dá)到管道材料的屈服極限，但已達(dá)
到許用應(yīng)力的1．2倍，不滿足基于彈性理論的一般
壓力容器設(shè)計規(guī)范要求。
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· 52· 化工設(shè)備與管道 2006年第2期
3 彈塑性分析
彈塑性有限元分析解的Mises等效應(yīng)力分布如
圖5所示。
~26E+08 l 25E+09 l 68E+09 2l】E+09 253E+09
l04E+09 1d7E+09 189E+09 232E+09 275E+09
(a) 內(nèi)壓15．4MPa Mises等效應(yīng)力分布
黧NODAL SOLUTI 一
由圖5(e)可以看出：當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到21．2MPa時，
凹陷部位的Mises等效應(yīng)力達(dá)到材料屈服限。由于
屈服區(qū)域較大，此時隨載荷的增加，屈服區(qū)域外圍未
屈服的材料已無法限制屈服區(qū)中心部位的變形。因
此管道此時已完全達(dá)到其塑性極限狀態(tài)。
2。
8
：
線
，l／2 i性斜j 線 21 2 Pa
J
． ． ．／l J【P a 一一
塑性j 限內(nèi) 匪
{l
r
最大主應(yīng)變／mm
圖6 內(nèi)壓一最大主應(yīng)變曲線
葉
、
．1 5 ,'1E+09
7 ^ 、 (b ) 內(nèi)壓17 tfD 194E+09 ．235E+09 5 極限分析與安定性分析
．5MPa Mises等效應(yīng)力分布 一? ”。 一 。一 ”。
5．1 分析準(zhǔn)則的確定
(c) 內(nèi)壓21．2MPaMises等效應(yīng)力分布
圖5 彈塑性應(yīng)力分析計算結(jié)果
4 彈塑性分析
由于彈性計算結(jié)果證明該管道被撞后已不滿足
常規(guī)設(shè)計規(guī)范要求，故需按“合乎使用”的原則進(jìn)行
塑性極限分析，以確定現(xiàn)有條件下管道能否繼續(xù)
運行。
由圖5可以看出：當(dāng)內(nèi)壓增大到15．4MPa時，
管道凹陷處局部材料開始進(jìn)入屈服狀態(tài)，但其屈服
區(qū)域很小。此時屈服區(qū)域外圍未屈服的材料可限制
屈服區(qū)材料的變形，隨載荷的增加，管道不會無限制
地變形，因此管道還有進(jìn)一步承載的能力。
由圖5 (b)、圖6可以看出：當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到
17．5MPa時，材料的彈性段結(jié)束，應(yīng)力的增長從此點
開始變得緩慢，但此應(yīng)力點對應(yīng)的屈服區(qū)域并沒有
明顯的擴(kuò)大，因此管道仍有進(jìn)一步承載的能力。
由上述分析，管道的彈性極限載荷P 可取圖5
(a)所求得的15．4MPa，根據(jù)JB-4732分析設(shè)計標(biāo)．
準(zhǔn)，此時的安定載荷控制值為2P ，即30．8MPa。圖
5(c)所示的21．2MPa為塑性極限載荷。此時，安定
載荷控制值要小于塑性極限載荷，因此在進(jìn)行安全
評定時應(yīng)以塑性極限載荷控制的失效方式為準(zhǔn) J，
當(dāng)管道滿足極限要求時也是安定的。
圖6為凹陷部位最大主應(yīng)變與內(nèi)壓載荷的關(guān)系
曲線。按照偏安全但不保守的原則，根據(jù)ASME推
薦的1／2彈性斜率法，可取被撞凹陷管道的塑性極
限內(nèi)壓為16．4MPa。取安全系數(shù)為1．5，則其許用
塑性極限內(nèi)壓為10．93MP。
5．2 其它載荷的影響
本文所作分析均假設(shè)管道只受單一內(nèi)壓作用，
實際上此段管道為地下長輸管道，其承受的載荷種
類比單一內(nèi)壓復(fù)雜得多。通常使用設(shè)計系數(shù)，來
反映地面狀況、往來車輛、土壤性質(zhì)等不確定因素對
埋地管道的影響。設(shè)計系數(shù)F是一個小于1．0的系
數(shù)，可以理解為操作內(nèi)壓與等效內(nèi)壓之比。按照
GB50253—2003的規(guī)定，此管道為一級地區(qū)，設(shè)計系
數(shù)可取為0．72。則等效內(nèi)壓P為：
(下轉(zhuǎn)第61頁)
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第43巷 朱利平．塑料閥門在工業(yè)管道中的要求與應(yīng)用 ·61-
(PEIO0)，目前正在研制生產(chǎn)12．5MPa(PE125)的
聚乙烯管道專用料。所以塑料閥門的設(shè)計壁厚隨著
原料的發(fā)展而逐漸可以減薄。
3 注意事項
(1)因為閥門是管路中的功能執(zhí)行部件，所以
選擇閥門產(chǎn)品應(yīng)注意首先是比較其應(yīng)用價值，而不
要單純地比較其價格，一些劣質(zhì)閥門產(chǎn)品的銷售價
格還不夠其它相同規(guī)格合格產(chǎn)品原料的價格。
(2)一些閥門的最小通徑小于標(biāo)準(zhǔn)要求，所以
與相同規(guī)格的合格產(chǎn)品相比結(jié)構(gòu)就顯得緊湊，但造
成管路系統(tǒng)局部阻力增大。
(3)塑料閥門與塑料管材均存在隨著使用溫度
的升高而使用壓力下降的問題，所以要用溫度折減
系數(shù)． 來選擇使用溫度和壓力。此處需要注意。
(4)在保證密封要求的前提下，閥門的扭矩越
小越好。因為閥門的扭矩越大，其密封處的摩擦力
也就越大，閥門的使用壽命也就越短。
(5)只要選擇閥門的生產(chǎn)原料和產(chǎn)品控制都按
照國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，塑料閥門是能夠
滿足在工業(yè)輸送水和輸送其它流體塑料管路中使用
的功能要求。
參考文獻(xiàn)
1 ISO 15493：20 3，Plastics piping systems for industrial applications-
Acrylonitrile- butadiene styrene(ABS)，unplasticized poly(vinyl
chloride)(PVC-U)and chlorinated poly(vinyl chloride)(PVC—C)一
Specifications for components and the system-Metric series[S]
2 ISO 15494：20 3，Plastics piping systems for industrial applications-
Polybutene(PB)，polyethylene(PE)and polypropylene(PP)-Speci—
fieations for components and the system-Metric series[s]
3 ISO 10931—1：1997，Plastics piping systems for industrial applications-
Poly(vinylidene fluoride)(PVDF)～Panl：General[S]
4 ISO／D／S 16135．2：2004．Industrial valves— Ball valves of thermo．
plastic materials[S]
5 ISO／DIS 16136．2：2004，Industrial valves- Butterfly valves of thermoplastic
materials[S]
6 ISO／DIS 16137．2：2004．Industrial valves- Check valves of thermo—
plastic materials[S]
7 ISO 9393—2：1997．Thermoplastics valves- Pressure test methods
and requirements- Part 2：Test conditions and basic requirements for
PE，PP，PVC—U and PVDF valves[S]
8 ISO 8659：1989， Thermoplastics v',dves- Fatigue strength- Test
method[S]
9 1SO 8233：1988，Thermoplastics ValVes—Torque—Test method[S]
10 EN 12570：200 ，Industrial valves- Method for sizing the operating
element[S]
(上接第52頁)
P =P。／F=6．4／0．72=8．9 MPa
可見管道的等效內(nèi)壓小于其塑性極限內(nèi)壓，此
處被撞管段是滿足“合乎使用”要求的。但由于該
管段地處阿北高速路旁，距高速路基3—4／m，若被
撞凹陷管道長期埋于地下使用，有可能因偶然事件
而發(fā)生危險。
6 結(jié)論
通過對此管線上撞擊凹坑缺陷的有限元應(yīng)
力分析、數(shù)值計算及安全評定，可以得出如下
結(jié)論：
(1)彈性有限元分析結(jié)果表明被撞管段凹陷處
存在應(yīng)力集中效應(yīng)，設(shè)計內(nèi)壓引起的應(yīng)力已超出
GB50253_2003所規(guī)定的許用應(yīng)力。
(2)彈塑性有限元分析結(jié)果表明，作為埋地管
道，考慮到腐蝕速率和設(shè)計系數(shù)的影響后，在今后一
年內(nèi)，6．4MPa的設(shè)計內(nèi)壓未達(dá)到被撞凹陷管道本身
的塑性極限內(nèi)壓和安定載荷控制值，所以此段管道
仍滿足“合乎使用”的要求。
(3)此段管道位于某高速公路路基3～4m
內(nèi)，考慮到可能發(fā)生的意外因素，此處含缺陷管
道不宜長期帶傷運行，應(yīng)更換或采用補強等保護(hù)
措施。
實踐證明，采用數(shù)值分析的方法對管件、凹陷等
無評定標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)缺陷進(jìn)行安全評定是可行的，這
樣即可以保證管道的安全運行，又可以避免不必要
的更換以降低運行成本。
參考文獻(xiàn)
1 中國特檢中心等34個單位．“十五”國家重點科技攻關(guān)項目《城
市埋地燃?xì)夤艿兰肮I(yè)特殊承壓設(shè)備安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究》
[R]．2005，5
2 范賢振，劉益東．在役氨系統(tǒng)管線缺陷評定的應(yīng)用[J]．化工設(shè)備
與管道．2005，42(3)：32～34
3 中國特檢中心．“八五”國家重點科技攻關(guān)項目《含凹坑缺陷壓
力容器安全評定方法研究報告》[R]．1995，12

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