含局部减薄缺陷压力管道的塑性极限载荷数值分析和安全评定研究.pdf

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1、第54卷第2期化工设墨与誓遵vol_54No．22017年4月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGApr．2017含局部减薄缺陷压力管道的塑性极限载荷数值分析和安全评定研究秦敬芳，陈定岳，陈文飞，黄焕东，陈虎，李斌彬(宁波市特种设备检验研究院，浙江宁波315048)摘要：局部减薄是压力管道一种常见的体积型缺陷。对含体积型缺陷管道，一般采用塑性极限载荷评价其承载能力和安全性。因此准确预测含局部减薄缺陷压力管道的极限载荷，对于压力管道的安全评定具有重要意义。通过有限元分析的方法，对承受内压、弯矩及弯矩和内压组合作用下的局部减薄压力管道极限载荷开展了研究工作

2、。研究结果表明，在内压单独作用时，局部减薄缺陷的深度和轴向长度压力管道极限载荷影响显著，而周向长度的影响较小；在弯矩单独作用时，局部减薄缺陷的深度与周向长度对压力管道极限弯矩的影响显著，而轴向长度的影响较小。根据计算结果，得到了合局部减薄缺陷管道在内压和弯矩载荷联合作用下的安全评定方法。关键词：压力管道；局部减薄；塑性极限载荷；免于评定条件中图分类号：TQ055．8；TH123文献标识码：A文章编号：1009．3281(2017)02．0074．004管道运输作为五大运输方式(铁路运输、公路运输、水路运输、航空运输及管道运输)之一，在油、气、水等流体的输送方面，

3、具不可取代的突出优势。在管道运行过程中，由于输送介质的腐蚀、冲蚀、机械损伤、表面裂纹打磨，在其内、外壁产生局部减薄缺陷，将大大降低压力管道的承载能力【1]，甚至引起管道破断，并导致严重的事故。绝大部分的压力管道是采用塑性良好的钢材制成的，因此塑性载荷失效是其最常见的失效形式，即结构承受的载荷超过其极限载荷[2-3]o压力管道受的载荷主要为内压和弯矩[4】，因此本研究所计算的极限载荷是指管道在内压、弯矩单独或同时作用时的极限载荷。笔者采用弹塑性有限元法，研究缺陷尺寸对含局部减薄缺陷压力管道的塑性极限载荷的影响，根据计算结果，得到了含局部减薄缺陷管道在内压和弯矩载荷

4、联合作用下的安全评定方法，工程应用较简单。1计算模型将压力管道的局部减薄缺陷规则化为表面矩形凹坑缺陷。由于对称性，建模时取四分之一计算模型，如图1所示。管道长度三为1000InlTl，外径R。=2201Tlnl，内径Ri=200mnl，厚度t=-20mill。为真实表征局部减薄缺陷，矩形凹坑根部进行了小圆角过渡处理，倒角半径为0．2mm。为了分析方便，采用局部减薄缺陷尺寸的无因次参数，它们分别为局部减薄缺陷的相对深度(a／f)，缺陷相对周向长度(O／n)和缺陷相对轴向长度厶／／面，其中a，p，L。分别为局部减薄缺陷的深度、半周角和轴向长度；R。，f分别为管道的外

5、径和壁厚。本文所有算例均采用ABAQUS软件进行。图1给出了典型情况下的网格划分图。所有模型算例的网格类型为一次缩减积分单元C3D8R。为了找出各参数对极限载荷的影响规律，并减少计算工作量，本章采用正交试验设计方法(5】，利用正交表安排计算方案，每个因子取6个水平：(1)无量纲化局部减薄深度a／t=0．1，0．2，0．3，0．4，0．5，0．6；(2)无量纲化局部减薄环向长度饥=0．1，0．2，收稿日期：2016．07．19基金项目：国家质检总局科技计划项目(2014QKl72)。作者简介：秦敬芳(1989一)，男，山东聊城人，压力容器检验员。主要从事承压设备合

6、于用方面的研究工作。2017年4月秦敬芳，等．含局部减薄缺陷压力管道的塑性极限裁荷数值分析和安全评定研究．750．4，0．6，0．8，l：(3)无量纲化局部减薄轴向长度L。／／而=0．95，1．90，2．85，3．80，4．75，5．70：计算时，首先计算局部减薄管道在承受内压时的极限载荷，即极限内压，然后计算局部减薄管道在承受弯曲时的极限载荷，即极限弯矩，最后计算内压作r玎下的极限弯砸．图1是典型结构的整体网格划分Fig．1FEAmodelmeshofalocalwall—thinningpiping内压是压力管道的主要工作载荷，以及有土壤滑坡、地震等引起的弯

7、矩载荷。在极限载荷有限元分析中，根据局部减薄压力管道的具体情况，管道内压和弯矩以外的其余载荷都很小，因此管道的自重、静水压力等载荷均忽略不计。2结果与分析按照计算方案，针对不同内压、弯矩单独作用或者组合作用下的含局部减薄压力管道完成了大量的塑形极限载荷运算。2．1缺陷参数对局部减薄管道极限内压的影响根据计算结果，分别得出无量纲化局部减薄轴向长度厶／v厂面、无量纲化局部减薄环向长度O／n、无量纲化局部减薄深度斫与内压极限载荷的趋势图。由图2可得：内压极限载荷随着局部减薄轴向长度的增加而逐步降低，但当轴向长度增大到一定值(L。／以丽>2．85)时，内压极限载荷变化不

8、明显。局部减薄深度对管道