0引言许多大中城市都具有庞大的燃气管网，随着燃气管道使用年限的增加，管道腐蚀现象日益严重，造成壁厚减薄，管道承压能力下降，甚至会导致管体局部腐蚀穿孔泄漏或破裂事故的发生.为了预测整个管道的腐蚀情况，确定腐蚀对管道结构完整性的危害程度，有必要评估管道的剩余强度，确保管道在服役期限内的安全使用［1］.采用有限元方法对含体积型缺陷燃气管道的剩余强度做了分析研究，并通过和现有ASME B31G标准规范，以及水压爆破实验所得到的结论进行比较，证明了有限元方法计算燃气管道剩余强度的可行性.可为管道评估人员的评价提供参考，同时提供决策来确定含缺陷管道是否继续服役、维修或更换.1极限载荷的有限元分析1.1有限元模型分析采用三维弹塑性模型，用规则的矩形槽来模拟腐蚀缺陷，如图1所示.根据结构和载荷的对称性，取腐蚀管段区域的1/4建立有限元网格模型，单元采用20节点的六面体等参元solid95，由于最终的失效发生在腐蚀区域，所以在腐蚀区域以及周围细划了单元，以保证计算的准确性.在筒体内壁施加内压，对称端面施加对称约束，另一端面施加轴向平衡力.有限元模型如图2所示.图1含腐蚀缺陷的燃气管道
Fig.1Corroded defects fuel gas pipelines图2有限元网格模型
Fig.2Finite element mesh model由于腐蚀缺陷的尺寸对含有腐蚀缺陷燃气管道的极限载荷有很大的影响.研究中主要讨论了缺陷的长度、深度、宽度对极限载荷的影响.这三个参数的具体取值如表1所示.
表1有限元计算结果与B31G准则和试验结果的比较
Table.1Comparisons among experimental result， B31G result and Element analysis results
编号缺陷
长度
L/mm缺陷
宽度
c/mm缺陷
深度
a/mm有限元
结果
pt/ MPaB31G
结果
pa/ MPa水压实
验结果
pb/ MPa1200504.423.7521.324.112200508.820.6518.1721.7632005013.115.4513.7217.154100508.823.1021.0424.305300508.817.8516.7119.0862001008.821.5518.1723.4272002008.820.6018.1722.081.2材料的性能实验为了得到材料真实的应力应变曲线，对X65钢管（D=762，t=17.5）进行了拉伸实验.试件按照《金属拉伸试验试样》（GB 639786）所规定的尺寸加工制造.用氧割从管材下料，为防止受热影响金属的机械性能，边缘留有足够的机加工余量（20 mm），在机床上经过铣、磨、除毛刺、校平等工序，做成矩形试件.由于实际管材的厚度及其表面腐蚀的情况，其大小与标准试件有一定的差别（其标距为90 mm），尺寸大小如图3所示.实验得到管道材料的最小屈服强度为448 MPa，拉伸强度为672 MPa，材料的真实应力（σ真）应变（ε真）曲线如图4所示.图3拉伸试件的尺寸大小
Fig.3Experimental test sample size图4X65钢管的真实应力应变曲线
Fig.4True stressstain curve of X65 steel1.3计算结果及分析采用NewtonRaphson叠代算法计算，在管道内逐步施加增加的压力载荷，每个载荷子步为0.05 MPa，采用VonMise屈服准则，对管道进行非线性分析，得到管道的应力云图如图5所示.并根据计算结果做出含腐蚀缺陷燃气管道的应力载荷曲线，如图6所示取强度极限的80%为参考应力［2］，当腐蚀缺陷区域的应力强度达到参考应力时管道失效，其对应的载荷为极限载荷.经过计算，得到含不同缺陷尺寸燃气管道的极限载荷，结果列于表1.图5管道的应力云图
Fig.5Plot of pipelines stress图6参考应力准则
Fig.6Reference stress criteria第2期舒安庆，等：含腐蚀缺陷燃气管道极限载荷的有限元分析
武汉工程大学学报第30卷
经过分析，管道的失效模式为塑性垮塌失效，当VonMise应力到达贯穿整个腐蚀区域的参照应力时管道发生失效.从表1计算结果可以看出，当腐蚀缺陷的其余条件相同，单独考虑一个因素的影响时，宽度的变化对管道极限载荷的影响较小，长度和深度对管道极限载荷的影响较大.这主要是由于在内压作用下，燃气管道的环向应力远大于轴向应力，而缺陷深度和长度的变化对环向应力影响较大，所以缺陷长度和深度的变化对极限载荷的影响明显，宽度的变化对极限载荷的影响不明显.同时发现，缺陷长度和深度对管道极限载荷的影响并不完全相同，随着缺陷长度的增加，管道的极限载荷呈下降趋势，但当腐蚀缺陷的长度达到一定时，缺陷长度的增加对管道极限载荷的影响不明显.但缺陷深度则不同，随着缺陷深度的增加，管道极限载荷不断减少.腐蚀宽度对腐蚀管道的极限载荷还是有一定的影响的，特别是腐蚀缺陷深度较大时，宽度变化对腐蚀管道的极限载荷有明显的影响，随着宽度的增加，管道的极限载荷减小，但当宽度达到一定时，缺陷宽度的增加对管道极限载荷的影响不明显.当腐蚀缺陷深度较小时，宽度变化对腐蚀管道的极限载荷几乎不影响.2ASME B31G标准ASME B31G标准［3］是评估腐蚀管道最基本的方法，它基于大量实验数据的经验公式，是目前应用广泛的腐蚀缺陷评定规范.管道失效爆破压力为：
p=σflow2tD1-AA01-AA01M（1）其中流变应力σflow=σs+10 000 psi
σs+68.95 MPa
M=0.032L2Dt+3.3（L2/Dt>50）
M=1+2.51（L/2）2Dt-0.054（L/2）4（Dt）2（L2/Dt≤50）
式中：p——失效爆破压力，MPa
A——缺陷轴向投影面积，mm2
A0——原始面积，A0=L·t
L——缺陷轴向长度，mm
t——管道壁厚，mm
D——管道直径，mm
M——Folias膨胀系数
σs——材料的最小屈服强度
σflow——材料流变应力，MPa.标准规定：缺陷最大深度超过名义壁厚的80％，则需及时更换；最大深度小于名义壁厚的10％的缺陷可以忽略不计；在两个限度之间的用式（1）进行评价.3水压试验验证全尺寸实物爆破试验是最直观的，也是最具有说服力的一种方法，但往往由于试验费用偏高等原因而不能进行大量实验.而三维有限元具有方便，快捷等优点，能够较真实的模拟管道的失效，所以在当今评价腐蚀管道剩余强度方面有着很广泛的应用.收集了国外的水压爆破试验压力数据［4］后，后分别采用有限元和ASME B31G准则两种评价方法进行了腐蚀管道失效压力的计算，以水压爆破试验压力数据为基础，比较这两种方法的准确性和可靠度，计算结果见表1.通过图7可以看出，利用有限元计算得到的结果低于实际值.这主要是由于用有限元方法进行建模和计算时，不可避免地要引入一定的假设，而材料的屈服强度和抗拉强度又取的是平均值，因而计算结果一般要低于水压试验值.通过比较还发现，利用有限元方法计算得到的极限载荷与B31G准则的极限载荷相比，更接近试验载荷，用B31G标准计算的结果相对显得保守.通过计算得到，当采用有限元方法对含体积型缺陷燃气管道计算剩余强度时，和真实的水压试验结果相比，误差不到10%.而采用B31G准则进行计算，误差较大.所以采用有限元方法对含体积型缺陷燃气管道计算剩余强度是可行的.
图7结果比较
Fig.7Result comparision

4结语a. 通过上述分析计算表明，利用有限元方法计算含有腐蚀缺陷燃气管道的极限载荷是可行的.b. 当von Mise应力到达贯穿整个腐蚀区域的参照应力时管道将发生失效.分析表明，当参照应力取强度极限的80%时，利用有限元方法计算得到的结果跟试验结果较接近.c. 基于全尺寸爆破实验结果的验证，可以看出，对于中、高强度等级钢管的缺陷评定，ASME B31G标准规范方法有一定的保守性，有改进的余地.而利用有限元方法计算得到的结果跟水压试验得到的结果比较接近，误差都在10%以内.