基于非线性有限元法的海底管道剩余强度研究-论文.pdf

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1、第43卷第3期船海工程Vo1．43No．32014年6月SHIP&0CEANENGINEERINGJun．2014DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2014．03．040基于非线性有限元法的海底管道剩余强度研究李毅，倪玲英，詹燕民，杨施颖，娄敏(1．中海石油(中国)有限公司天津分公司天津，300452；2．中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛，266580)摘要：考虑腐蚀海底管道材料非线性及几何非线性特点，基于塑性失效准则，采用非线性有限元法建立腐蚀海底管道剩余强度模型，以此预测腐蚀海底管道失效压力。基于非线性有限元法的计算结果，与失效压力

2、准则法进行对比，分析腐蚀缺陷长度、深度、角度及腐蚀位置对失效压力的影响规律。关键词：海底管道；剩余强度；腐蚀；非线性有限元法中图分类号：U674．38文献标志码：A文章编号：1671-7953(2014)03-0157-05评估海底管道剩余强度的目的是为了研究在底钢管的非线性特征和管道屈服后的硬化性某一操作压力下是否允许缺陷存在，确定当前腐能，而材料的硬化效应对管道的爆破失效影响蚀缺陷下的最大允许工作压力及在某一工作压力很大。因此，计算模型中采用Ramberg—Osgood幂下允许存在的最大腐蚀缺陷尺寸等，从而科学地硬化应力．应变法则，其表达式为指导管道的维修计划和安

3、全生产管理，既保证海旦：+for1(1)底管道运行的安全性，又保证了海底管道使用的0ors＼or／s经济性。式中：o——初始应变，0=or／E；目前对于腐蚀管道压力计算准则有改进的or——屈服应力；ASME—B31G准则j、BATTLE准则J、DNV准E——弹性模量；则及Shell一92准则。这4种失效压力准则——硬化系数；均采用了半经验的断裂力学的公式，没有考虑管n——幂硬化指数。道非线性的特点。在实际应用中，人们逐渐发现1．2含缺陷管道失效的判定准则这些过分保守，它所预测的失效压力远远低于实在含缺陷管道的数值模拟中，对于爆破失效际压力。这样的预测结果在工程使用上比

4、较安的判断提出了3种准则。全，但却造成了对管道不必要的维修或更换。由1)弹性极限准则J。只计算管道的弹性应于承受载荷、工作环境和管道材料特性的影响，有力状态，即认为当腐蚀区的Mises应力不超过管些管道发生塑性变形，表现出几何非线性和材料材的屈服强度时，管道处于安全状态。该准则将非线性。在海底管道失效压力分析中，根据结构管壁的应力完全限制在弹性范围内，比较保守。的特点和分析的需要，考虑几何非线性和材料非2)基于塑性极限状态的失效准则【7_。腐蚀线性，可以得到更精确、更符合实际的结果。管道的失效可以由腐蚀区的环向应力值来确定，1非线性有限元法当环向应力值达到材料的抗拉强

5、度时，管子发生塑性失效，否则就是安全的。该准则未考虑管道1．1材料模式材料后屈服强化的影响，仍然有些保守。Waterloo大学通过几种典型材料的实验研究3)基于塑性失效的准则[83。当腐蚀区的应表明Ramberg．Osgood本构模型能较好地模拟海力状态达到材料后屈服终点时，即腐蚀区最小等效应力达到材料抗拉强度or时，管道发生失效。收稿日期：2013—08—27本文采用塑性极限状态的失效准则，即认为修回日期：2014一ol一15腐蚀区的最小等效应力达到材料抗拉强度时第一作者简介：李毅(1975一)，男，学士，高级工程师研究方向：装备管理管线失效，此时所施加的荷载即为管

6、线的失效压E·mail：liyi4@cnooc．tom．cn力。157基于非线性有限元法的海底管道剩余强度研究——李毅，倪玲英，詹燕民，杨施颖，娄敏在相同腐蚀条件下，有限元算法的失效压力要比律。相对腐蚀长度l／D为2，腐蚀角度为3O。，腐B31G算得的失效压力大15％～20％左右，但两蚀位置为管道中心。图3为不同腐蚀深度下的失种算法下，管道失效压力与腐蚀长度的变化关系效压力，从图3可以看出：失效压力随着腐蚀深度曲线的趋势是相同的，失效压力随着腐蚀长度的的增大而减小。增大都是先减小而后趋于平稳。表4为两种不同算法算得的不同腐蚀深度时的失效压力。不同腐蚀深度下有限元算法与

7、准则算法对比，在相同腐蚀条件下，在相对腐蚀深度小于等于0．6时，有限元算法的失效压力要比B31G算得的失效压力要大，但二值之差逐渐减小；在在相对腐蚀深度大于0．7时，有限元算法的失效压力要比B31G算得的失效压力小，且二者之差增大。两种算法的管道失效压力与腐蚀长度的变化关系曲线的趋势是相同的，失效压力随着腐蚀深度的增大而减小。表3两种不同算法算得的相对腐蚀长度的失效压力图3相对腐蚀深度与失效压力变化曲线MPa40至ss爨30250I23456相对腐蚀长度图4相对腐蚀长度与失效压力变化曲线2)相对腐蚀长度对管道失效压力的影响规律。相对腐蚀深度d／t为0