海底输油管道在服役过程中，由于输送介质中腐蚀性物质的存在，管道内壁上不可避免地会出现大量的腐蚀缺陷。管道表面存在的腐蚀缺陷直接关系到管道能否正常安全运行，而且，随着时间的延长，腐蚀缺陷将进一步发展，管壁处于不断减薄状态，这一过程给管道安全运行带来了极大的危害。统计表明，内腐蚀是造成石油管道破坏失效的主要原因，占管道破坏失效事故的30%~50%。正确地评价管道剩余强度，以便在管道未发生事故前及时做出正确的决策-继续服役或修复或更换，以避免资源的浪费和环境的污染。
      实践证明有限元分析方法是预测腐蚀管线剩余强度的一种有效工具。本文利用非线性有限元法对带轴向腐蚀缺陷管道剩余强度进行计算，与实验数据对比，并研究了分析了缺陷尺寸剩余强度的影响，为工程应用提供参考。
      根据对称性可取完整管道模型的四分之一建立三维管道模型。由于缺陷形状复杂，为了准确地模拟腐蚀缺陷，同时考虑到建模的方便建模时将其简化为规则的均匀壁厚陷，缺陷端部以光滑圆弧面过渡。在管道对称面上施加对称约束，纵向剖开的管壁截面上的垂直位移为零。假设管道无限长，腐蚀区管段相对很短，不考虑管道水平方向的位移，则管道无缺陷的一端的轴向位移为零。单元采用三维20节点六面体等参单元。模型中只考虑内压对管壁的作用，忽略其他载荷的作用。划分网格时缺陷处的线条相对缺陷远处设置较多的划分份数，保证缺陷及附近区域网格划分较细密，避免过大的应力集中。同时在管壁厚度方向上划分两层网格，保证计算的准确性。划分网格后的几何模型如图所示。
      计算模型中采用Ramberg-Osgood幂硬化应力-应变法则代替材料的真实应力应变曲线，可以较好地反映材料屈服后的硬化性能。
      失效准则采用Bin fu在1995年提出的基于塑性失效的准则，即屈服强化阶段结束时，或者缺陷处的最小Von Mises应力达到极限抗拉强度（UTS）时，管道发生塑性失效，否则是安全的。该准则经试验验证，具有较高的精度，采用这一准则比较合理。在三维主应力空间，Von Mises条件表示。
      模拟过程中，对内压载荷划分一系列的增量，在管道内部逐步施加压力载荷。管道处于弹性阶段时施加较大的载荷步，开始屈服时以较小的载荷步施加载荷。当缺陷处的等效应力接近拉伸强度时，载荷步更小，直至Von Mises等效应力达到拉伸强度时结束加载，此时的内压即为管道的失效压力。
      利用文献中缺陷管道的失效压力数据，采用非线性有限元方法计算缺陷管道的极限失效压力，与实验数据进行对比验证。
      通过对比发现，非线性有限元求解的极限失效压力与实验爆破结果较接近，预测值误差较小，最大误差为4.8%。除6号管道出现不安全预测值外，其余结果均偏于安全，证明有限元分析方法是评估腐蚀管线的极限强度的一种可行方法。
      利用有限元分析缺陷管道的失效压力与缺陷长度、深度和宽度的关系。图中l表示缺陷长度，d为缺陷深度，c为缺陷宽度，t为管道壁厚。管道参数：管径323.9 mm，壁厚9.8 mm。
      当腐蚀长度和宽度不变时，随着深度的增加，管道的失效压力明显地减小。腐蚀深度越大，失效压力减小的速度越快。可以看出深度与失效压力之间存在着一定的非线性关系，近似成二次曲线关系。图中深度增加10%时，失效压力减小值高达4.6 MPa，因此深度对失效压力的影响很大。当缺陷较长时，随着深度的增加，失效压力变化很大，下降的非常快。从图3中可以看出，对于同一深度和宽度的腐蚀缺陷，当长度增加时失效压力不断减小，且随着缺陷长度的增大，失效压力减小的速度变慢。当长度增加到400 mm左右时，长度的增加对失效压力的影响很小。长度相同时，深度较大的缺陷失效压力较小，同时也验证了图的结论。

                                                                                专业从事机械产品设计│有限元分析│CAE分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      hjc222黄金城官网
                                                                              本文出自hjc222黄金城官网www.nataid.com，转载请注明出处和相关链接！