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1、大庆石油学院学报第33卷第4期2009年8月JOURNALOFDAQINGPETROLEUMINSTITUTEVol.33No.4Aug.2009水流作用下含双裂纹悬空输油管道数值分析1213龙飞飞,刘鹏,于永亮,陈跃(1.大庆石油学院机械科学与工程学院,黑龙江大庆163318;2.安徽省特种设备检测院,安徽合肥230051;3.大庆油田有限责任公司公共汽车公司,黑龙江大庆163453)摘要:计算2个相互影响裂纹的距离,并划分裂纹周围网格;经过数值分析,得到两端铰支、两端固支和一端铰
2、支一端固支情况下,悬空管道峰值应力和疲劳循环次数随裂纹相互位置变化规律;对比环向裂纹、轴向裂纹对管道强度和疲劳寿命的影响.结果表明,穿越管道含环向裂纹要比含轴向裂纹危险;管道含有2个相互影响裂纹时,管道峰值应力容易超出材料拉伸极限而导致破坏.关键词:悬空输油管道;绕流;裂纹;相数值分析;疲劳寿命中图分类号:TQ055.8文献标识码:A文章编号:10001891(2009)04013503当悬空管道含有2个或多个裂纹时,对管道的强度影响很大.若裂纹距离较远,则可以单独计算含裂[1-2
3、]纹的管段强度和寿命,根据含环向裂纹和含轴向裂纹悬空管道的评价方法进行安全性评估.若裂纹距离较近,裂纹之间会产生影响,削弱管道的强度,降低管道寿命.拟对含一个轴向裂纹缺陷和一个环向裂纹缺陷的悬空管道进行应力分析和寿命分析,研究2个相互影响裂纹对管道安全性的影响.1有限元模型[3]单个缺陷是指不与邻近缺陷相互作用的缺陷.以庆哈管道为例,外直径D=377mm,壁厚t=8[4]mm,计算得出环向夹角=52.44,轴向距离s=109.84mm.当满足>52.44或s>109.84mm时,2个裂纹不产生影
4、响,当计算含双裂纹的管道峰值应力和疲劳循环次数时,可以分别计算其中单个缺陷的峰值应力和循环次数,然后比较得出应力的较大者和循环次数的较小者即为管道的峰值应力和循环次数.对一段含一个轴向裂纹和一个环向裂纹的管道进行分析,见图1.有限元模型采用Solid45,裂纹类型[5]选取椭圆形缺陷.由于管道很长,缺陷区很短,假设缺陷区管道没有轴向位移.缺陷区管道的有限元网格见图2.图1轴向和环向裂纹距离图2裂纹区管道的有限元网格收稿日期:20090416;审稿人:罗敏;编辑:任志平作者简介:龙飞飞(19
5、78-),男,博士,讲师,主要从事设备无损检测及完整性评价方面的研究.!135!大庆石油学院学报第33卷2009年2结果分析选取管道跨度20m,裂纹位于管道弯矩最大处,长度为16mm,深度为3mm,内压为2MPa,水流载[1]荷峰值50N作为条件,分析环向裂纹和轴向裂纹处于相互影响位置时,环向夹角()和轴向距离(s)对管道峰值应力的影响,结果见图3.图32个裂纹相对位置变化时峰值应力分布由图3可见:(1)在两端铰支、两端固支和一端铰支一端固支的支撑方
6、式下,当2个裂纹轴向距离为80mm,环向夹角为52.44时,管道峰值应力达到最大,且大小近似相等;在2个裂纹轴向距离为110mm,环向夹角为52.44时,管道峰值应力达到最小.(2)在3种支撑方式下,均在s=110mm,=26和s=110mm,=39出现第2和第3极值点,而且3种支撑下应力近似相等.(3)管道两端铰支,且两裂纹环向夹角为0时,随裂纹轴向距离的增加,管道峰值应力下降.(4)除应力极小值点外,在3种支撑方式下,当2个裂纹不管是轴向距离增加还是环向夹角增大,应力都呈上升趋势.(5)与管道极
7、限拉伸载荷455MPa相比,管道中含有2个相互影响裂纹时,管道处于极不安全状态,管道峰值应力会超出管道拉伸极限.3疲劳分析4选取循环基数为1∀10,分析环向裂纹和轴向裂纹处于相互影响位置时,环向夹角()和轴向距离(s)对管道循环次数的影响结果见图4.图42个裂纹相对位置变化时管道疲劳循环次数由图4可见,在两种极限条件,即:(1)2个裂纹轴向距离为20mm,环向夹角为0;(2)2个裂纹轴向8距离为110mm,环向夹角为52.44下,管道循环次数都为1∀10,而在其他情况下循环次数一致,达到极5小
8、值2∀10.4裂纹方向在3种支撑方式下,轴向裂纹和环向裂纹对管道应力的影响见图5.由图5可见,含环向裂纹管道峰!136!第4期龙飞飞等:水流作用下含双裂纹悬空输油管道数值分析值应力受裂纹深度影响较小,在相同外部条件下,含轴向裂纹管道峰值应力比含环向裂纹管道低.图5轴向裂纹和环向裂纹管道应力曲线在3种支撑方式下,轴向裂纹和环向裂纹对管道疲劳循环次数影响曲线见图6.由图6可见,含环向裂纹管道疲劳循环次数受裂纹
