凹陷管道建模方法及其力学性能影响参数研究

利用三维扫描仪对凹陷管道进行数据采集及建模,评价了凹陷管道处的剩余强度;在建立模型的基础上,运用ABAQUS软件对三维建模的含凹陷管道进行有限元分析,采用数值模拟的方法进行了应力应变分析;通过几何变形检测方法对凹陷管道进行检测,计算并分析凹陷管道处的应力应变,对凹陷管道的承载能力进行了评估;对管道有/无内压两种情况进行了对比分析。结果表明,在有/无内压两种情况下,凹陷处的最大Von Mises应力相差较大;在有内压情况下,最大Von Mises应力位于管线凹陷处的周边,而不是凹陷处;在有内压情况下,凹陷附近区域的最大等效应力为22.6 MPa,而无内压情况下的最大等效应力为14.8 MPa;压头设置50 mm的向下位移约束,管道所受的最大Von Mises应力分布在凹陷最深处,其值为710.3 MPa,最大等效应变为8.99%,分布在凹陷管道的内侧。在工程应用中,采用三维扫描技术可以更快捷地得到管道凹陷的轮廓,利用输出数据为后续的应力应变分析、管道评价以及修复提供技术支持。

含凹陷管道的适用性评价

凹陷作为管道缺陷的一种常见形式,严重威胁着管道的安全运行,甚至引发管体失效。对比国内外管道凹陷评价准则,分析各评价方法的优缺点和科学性,并提出基于深度的评价准则已不能满足工程应用,对于深度大于6%管道直径的凹陷,应进行有限元分析。针对中国石化现场的2处管道凹陷进行几何形状检测,采用有限元方法对管道进行适用性评估,获得管道的应力应变。结果表明,2处管道凹陷的深度、应力和应变均超出许用值,建议进行换管及B套筒修复。

影响凹陷管道安全因素分析

为了分析管道上凹陷对其安全性的影响,以非线性接触模型为基础,应用ABAQUS有限元软件,建立矩形状压头作用于管道的三维模型。通过求解模型,探讨了凹陷深度、凹陷位置、凹陷尺寸、管道内压对管道轴向应变和韧性失效损伤因子的影响。结果表明:管道的轴向应变随着内压的增大而增大,然而内压的存在却对管道韧性失效起到一定的抑制作用。当韧性失效损伤因子D=1时可以通过韧性断裂准则预测其临界失效应变;当凹陷深度超过一定范围内压会使损伤程度增大;当凹陷位置为垂直于管道正上方时,其对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子的影响较大;当管道内压一定时,随着凹陷变形量的增加,与凹陷轴向长度相比,凹陷宽度的变化对管道的轴向应变及韧性失效损伤因子程度影响更显著,而增大凹陷长度和宽度均可有效降低其对管道安全性的影响。

含凹陷管道的完整性评价

针对凹陷引起的管道应力集中问题,基于深度的评价准则已不能满足工程应用,提出包含内检测、噪声处理、几何插值和应变求解的基于应变的评价流程。单纯凹陷对管道的剩余强度影响不大,但与焊缝、裂纹及划伤等其他种类缺陷联合作用时,则可能加快管道的断裂失效,可以采用弹塑性断裂理论对含裂纹和划伤凹陷进行剩余强度计算,当凹陷位于焊缝时,建议直接修复或替换。在内压波动影响下,无约束凹陷的疲劳问题较为严重,提出采用雨流计数法对管道的压力历程进行循环计数,根据疲劳累积损伤理论确定管道的疲劳寿命或检修周期。通过对目前国外主要标准的分析和比较,结合凹陷的自身特性,提出了更加合理的管道凹陷完整性评价体系。

凹陷管道的工程评定方法

提出了用三次样条插值计算管道凹陷轴向和环向轮廓曲线的方法,用此方法可以根据凹陷检测数据计算管道应变,采用基于应变的准则评价管道凹陷。研究表明,在应变小于9%时,计算结果与有限元数值结果吻合较好,可以满足工程评定要求。根据计算结果,建议在利用管道变形检测数据计算应变时,管道凹陷的计算长度取1/2凹陷深度对应的长度。对不同深度管道凹陷的评价结果表明,只考虑深度的评价是不合适的,应结合基于应变和基于深度的两种标准评价管道凹陷。

基于逆向工程技术的含凹陷管道极限强度分析

凹陷作为常见的管道几何缺陷形式,可能会引起管道局部应力集中,进而导致其承载能力下降,同时也为管道的正常运行带来巨大的安全隐患。基于变形检测技术和3D扫描技术分别获得含凹陷管道的真实内外表面轮廓,利用逆向工程技术构建凹陷管道的三维实体模型,导入ABAQUS有限元软件模拟运行状态下凹陷管道的应力分布特征,准确地判断含凹陷管体的最危险位置,最后依据Mises屈服准则进行含凹陷管道的安全评估。结果表明,通过上述2种方法获得的凹陷管道应力模拟结果基本吻合,从而有效地验证了基于变形检测技术开展凹陷管道极限强度分析的可行性和精确性,该方法可以有效地避免开展3D扫描前的管道开挖工作。

内外腐蚀对凹陷管道剩余强度影响分析

以长输油气管道作为研究对象,采用球形压头对管道腐蚀区域展开位移加载,以实现管道局部区域的塑性变形,使管道出现腐蚀缺陷、凹陷缺陷、外腐蚀缺陷共存的组合缺陷,并围绕此展开研究分析。用ABAQUS有限元软件分析了管道内外腐蚀深度、长度以及凹陷深度分别对组合缺陷作用下管道剩余强度的影响。研究表明,凹陷深度对管道剩余强度影响最大,且内腐蚀缺陷对剩余强度的影响比外腐蚀缺陷大,对工程实际情况有一定的指导意义。

凹陷管道水压爆破实验分析

为了研究凹陷管道的失效行为与机理,进行了含凹陷管道的水压爆破实验,对整个爆破过程凹陷管道的变形情况、裂口特征以及应变响应进行了分析。结果表明:实验所制6%OD深度的凹陷不影响管道的承载能力,管道爆破方式为直焊缝撕裂,屈服压力34.2 MPa,爆破压力36.8 MPa;远离凹陷中心超过200 mm的区域,应变响应与凹陷无关;凹陷的存在改变了凹陷以及周围的应变响应状态,产生了较大的应变,容易导致管道疲劳。

油气管道无凹角凹陷计算模型研究

管道机械损伤中最常见的类型是凹陷,这些缺陷是导致管道失效的主要原因,为深入研究其对管道安全的影响,建立符合实际工况的计算模型是有必要的。前人通过棍压模型和球压模型重点对有凹角的凹陷进行了较为全面的分析研究。本文在给出有凹角和无凹角凹陷的尺寸判别方法后,分析管道上实际检测数据发现无凹角凹陷在管道上分布较多,提出无凹角凹陷的计算模型—环向棍压模型。通过有限元软件模拟检测的凹陷尺寸验证了模型的准确性。最后,分析环向棍参数对模拟凹陷的尺寸影响,结果表明:同一深度的凹陷,可以通过改变环向棍的曲率半径去改变凹陷的长宽尺寸,以满足对实际工况中随机尺寸凹陷的模拟;进一步研究发现,无凹角凹陷对管道安全的影响有着不可忽视的作用。

波动内压作用下油气管道凹陷再圆分析

油气管道正常运行的实际工况中,管道工作内压存在波动。分析波动内压作用下油气管道凹陷的再圆过程对于保证管道凹陷安全性评价结果至关重要。鉴于此,利用ABAQUS有限元软件,分析了管道壁厚、压头几何形状、管道初始凹陷深度等对管道凹陷弹性回弹以及在不同波动内压载荷作用下管道凹陷再圆的影响,并借助MATLAB非线性拟合功能得到了无内压作用时,管道凹陷回弹系数计算经验公式和在波动内压作用下管道凹陷再圆系数的计算经验公式。研究结果表明:管道壁厚越大、凹陷深度越深、凹陷沿轴向区域增大时,管道凹陷的回弹系数随之增大,管道凹陷发生弹性回弹愈加困难;管道波动内压峰值压力越大,管道凹陷再圆越明显;当管道波动内压确定时,管道凹陷越深、凹陷轴向区域越大和管道壁厚越大时,在遭受管道波动内压的作用下,管道凹陷不容易发生周期性的再圆,从而具有较强的抗疲劳损伤与抗失效能力。所得结果可为油气管道凹陷的安全评估提供参考。

含凹陷管道全尺寸爆破试验

为了准确评定凹陷管道的承压能力,开展了含凹陷管道全尺寸爆破试验。试验得出凹陷管道的变形、凹陷区域应变及裂口特征等信息,从而分析凹陷管道失效行为与机理。结果表明:管道存在的凹陷,在提压后凹陷区域相比远场发生了较大应变,加剧了凹陷周围的应力集中。通过全尺寸爆破试验,确定了管道的屈服压力为10.1 MPa,爆破压力为10.5 MPa,结合相关标准与设计规范,确定试验用管段的许可承载压力为3.88 MPa,为保障管道的安全运行与工程决策提供了技术参考。

管道凹陷有限元模拟与安全评价

由于外部接触、碰撞和地层变形,管道在施工及运营期间难免出现凹陷,而评估管道是否安全或确定相应的维修方案需要依托合理有效的凹陷评价方法。本文根据现有管道凹陷评价方法,结合管道凹陷有限元接触分析,评估了管道凹陷应变计算公式的合理性。同时,通过凹陷分析研究了X65、X80管道凹陷处等效应力、应变随凹陷深度的变化规律,对比了现行的基于应力、应变以及凹陷深度的管道凹陷安全评价方法的适用性。分析发现,对于X65以上钢级管道,极限凹陷深度接近6%外径,基于应力的凹陷评价方法偏于保守,而基于6%外径的临界凹陷深度方法偏于危险,建议采用基于应变(临界应变6%)的设计方法。

基于应变和疲劳的管道凹陷适用性评价技术

通过对某管道内检测数据进行滤波降噪、插值拟合,精确描述凹陷的轮廓信息,计算管道凹陷截面处的最大应变,评估凹陷的安全状况。针对无约束凹陷和约束型凹陷的疲劳寿命,分别采用EPRG经验模型和有限元仿真方法,得到凹陷深度与疲劳寿命关系曲线。结果表明:相同深度的凹陷,有约束的凹陷比无约束的凹陷疲劳寿命要大。在低周疲劳情况下,无约束凹陷深度在2%OD以内,有约束凹陷深度在6%OD以内满足设计寿命要求。

管道凹陷安全评价方法研究现状及展望

凹陷已成为管道失效的重要原因。针对管道腐蚀缺陷及剩余强度研究较成熟,但凹陷评价尚不统一。国内较多采用基于深度的凹陷评价准则。为指导针对凹陷进行合理、有效评价,分析不同类型凹陷的危害以及凹陷检测技术,文章阐述了基于深度和基于应变的凹陷评价准则的应用条件,介绍了凹陷应变临界值、数学分析方法、非约束凹陷疲劳失效等方面的研究进展。最后提出了管道凹陷评价技术研究的建议。

管道柔性测径清管器的设计及测径盘性能分析

常规铝盘测径清管器不能对管道内多个变形进行检测,且测径盘不可重复利用。为此,设计了一种柔性测径清管器,其将铝制测径盘改用超弹性的聚氨酯材料,基于应变效应在测径清管器超弹性聚氨酯层中置入应变片,通过测量测径盘遇阻时的应变变化,即可实现管道变形处的柔性检测和量化。以聚氨酯材料测径盘为研究对象,采用ABAQUS 2016有限元仿真软件对其通过管道凹陷的过程进行模拟,从放置面、纵向分布和横向分布等3个方面确定应变片的优选位置,分析测径盘的厚度、瓣数及聚氨酯材料硬度对应变片所处位置应力与应变的影响。分析结果表明:测径盘正面每瓣根部中心位置放置应变片最为合适;在通过管道凹陷过程中,测径盘的厚度对其应力和应变影响最大。研究结果可为智能化、高效化管道测径技术的研究提供理论参考。

油气管道凹坑缺陷研究分析

通过对六条已建管线,3724余公里管线的凹陷变形进行统计分析,表明单纯采用凹坑深度不小于2%OD这一评判标准来确定是否对凹坑缺陷进行修复是不全面的,以国际相关标准为基准,引出了二级评价指标——应变,分别对液体管道、气体管道提出了凹坑缺陷极限修复要求。

内压与海床联合作用下海底管道撞击数值研究

为了研究海床和管道内压对坠物撞击管道的影响,采用ABAQUS有限元软件建立了坠物撞击海底管道的有限元模型,分析了撞击过程中海底管道的动态响应。采用摩尔库伦模型模拟海床的非线性特性,并引入罚函数处理坠物、管道和海床三者的接触关系。分析结果表明:海床和管道内压对坠物撞击管道起到了保护作用。黏土海床对管道撞击的保护作用比砂土海床大,砂土海床对管道撞击的保护作用比刚性海床大;随着内压的增大,管道变形最大凹陷值减小;同时考虑内压和海床作用时管道受坠物撞击后的最大凹陷值比2个因素均不考虑时小,相差最大处达到了9.6%。所得结果对海底管道抗坠物撞击设计和管道的安全服役具有指导意义。

沟槽状凹陷应力集中区域的有限元分析

管道凹陷是影响管道强度的重要因素之一,利用非线性有限元仿真模拟了不同情况下凹陷的形成及回弹过程,分析等效应力云图得出管道凹陷的应力分布情况。结果表明,沟槽状凹陷边缘处的等效应力值大于中心处的等效应力值。当运行压力增大时,凹陷周围应力集中区域增大,影响管道的安全运行。针对直径为610mm的管道,当凹陷深度小于7mm时管道的承载能力不变,深度大于7mm时,管道的承载能力随深度的增加而减小;针对直径为273mm的管道,凹陷深度3mm时为临界值。

基于有限元的长输管道凹陷回弹系数研究

目前大多利用经验公式来估算内压卸载后的凹陷深度,并且没有估算外载荷卸载后凹陷深度的公式。以长输管线上常见的X52、X60、X70钢制管道为工程背景,运用ABAQUS软件进行管道结构力学的非线性分析,模拟了管道凹陷的形成及回弹过程。通过对比试验与数值模拟数据,验证了有限元仿真方法的可靠性。分别在外载卸载及内压卸载的情况下分析了各参数(加载深度、压头尺寸、管道尺寸、操作压力、管材性能)对凹陷回弹系数的影响。运用Matlab软件对计算结果进行非线性回归分析,得到回弹系数与各参数的关系表达式。结果表明:外载作用下凹陷的回弹系数变化范围较大,约在0.4~0.8之间;而内压卸载后凹陷的回弹系数变化范围相对较小,约在1.05~1.3之间。该研究工作有助于管道维护人员对凹陷的回弹量做出合理的估算。

考虑流体作用的清管器翻越凹陷通过性研究

针对清管器在经过含凹陷管段时的通过性研究鲜有涉及。为此,以ø168管道清管器为研究对象,分别建立其翻越凹陷管道的三维准静态和流固耦合仿真模型并进行对比,进一步再分别基于驱动皮碗接触摩擦力学和清管器动力学特性参数的变化规律,对清管器翻越管道凹陷过程的通过性进行定量分析。研究结果表明:清管器驱动皮碗在通过管道凹陷段时,运行速度不稳定可能会降低相应管段检测的准确率;清管器翻越凹陷过程的速度变化敏感性随过盈量的增加而增大;为提高清管器对于含凹陷管道的通过性能,ø168清管器皮碗过盈量应小于4%,密封皮碗夹持率应在55%~65%之间,皮碗结构分界面相对位置应不小于2%。研究结论可为清管器优化设计及工程应用提供理论指导。