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在役埋地原油管道机械撞击损伤缺陷安全评定

文档作者：李秀峰何仁洋刘长征孟涛孙亮赵世佳文档来源：中国特种设备检测研究中心		点击数：	更新时间： 2021年02月27日
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第43卷第2期
2006年4月
化工设备与管道
PROCESS EQUIPMENT＆PIPING
Ve1．43 No．2
Apr．2006
在役埋地原油管道机械撞击损伤缺陷安全评定
李秀峰，何仁洋，刘长征，孟 涛，孙 亮，赵世佳
(中国特种设备检测研究中心，北京100013)
摘要：对某段含局部撞击缺陷原油管线进行了弹性和弹塑性有限元数值计算，重点对焊缝附近两个撞击损伤严
重的部位进行了极限分析和安定性分析，并根据“合乎使用”的原则，按国家“九五”、“十五”科研成果对含撞击缺
陷的管道进行了安全评定，结果表明此管道在今后一年内可以安全运行。
关键词：压力管道； 缺陷； 有限元； 极限分析； 安定性分析
中图分类号：TQo55．8+1 文献标识码：A 文章编号：1009—3281(2006)02-0050-04
Safety Assessment for Defects Caused by M echanical Impact in
In—service Buried Crude Oil Piping
Li Xiufeng，He Renyang，Liu Changzheng
(China Inspection and Research Center of Special Equipment Beijing，100013)
Abstract In this paper．one section of a crude 0il pipeline with local impact damage defects was calculated by using elastic and elastic-plastic numeri—
cat simulation method Two serious defects close to the weld joint Were analyzed by limit analysis method and shake—down analysis method．The safety as一
~ssment of this section，then，wa8 carried out based on the principle of”fit for use’’and the scientific research results of”the ninth-five plan’’and”the
tenth—five plan” It has showed that the pipeline run safely in one year．
Keywords pressure piping，defect，finite element，limit analysis，shake—down analysis
我国目前对压力管道缺陷评定还处于研究阶
段，相应的缺陷评定规程尚不完备。随着人们对压
力管道安全工作越来越重视，利用有限元数值分析
方法对含超标缺陷管道进行强度校核，根据“合乎
使用”原则来评定超标缺陷，越来越被人们所接受，
这种评定方法是在保证管道使用安全的前提条件
下，明确了超标缺陷能否在一定条件下安全使用，从
而使得压力管道的缺陷处理更加科学合理、经济
实用 ， 。
受某管道公司委托，国家质量监督检验检疫总
局中国特种设备检测研究中心于2005年6月对其
所属的某原油输送管道因高速公路施工而受机械撞
击的凹陷部位进行了双非线性有限元应力分析(几
何非线性、材料非线性)。本次分析以现场实测数
据为基础，利用大型通用有限元软件ANSYS，建立
被撞凹陷管段三维实体模型，应用弹性及弹塑性有
限元法进行了安定性分析和极限分析，获得了被撞
凹陷管段在内压载荷作用下的弹性、弹塑性应力分
布和位移分布，并以国家“九五”、“十五”阶段性科
研成果为基础，给出了管道“合乎使用”的条件 。
1 被撞凹陷管道的有限元模型
1．1 有限元实体建模
根据原始设计资料，管道规格为 l41mm×
5．6ram，无腐蚀减薄，经计算最大均匀腐蚀率小于
0．1mm／a。下次检测周期为一年，在壁厚的基础上
减去2倍腐蚀量，则取计算壁厚为5．4ram。为消除
边缘效应，取管道长度方向的计算区域为凹陷部位
及其两侧各延长480mm的管段。
对距焊口分别为2mm、30ram的两处机械损伤
最严重的凹陷进行分析，凹陷处管段总长为
收稿日期：2005-10-24； 修回日期：2005-11-28
作者简介：李秀峰(1978一)，男，硕士。主要从事埋地压力管道
检测。
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第43卷 李秀峰等，在役埋地原油管道机械撞击损伤缺陷安全评定 ·51·
144mm，最大凹陷深度为5ram；两处凹陷根据其外
部形状，一处假设为椭圆和另一处为圆形。利用
ANSYS对凹陷处管段建模。被撞凹陷管道的有限
元实体模型如图1所示。
图1 被撞凹陷管道有限元实体模型圈
1．2 有限元单元模型
被撞凹陷管道的有限元单元模型如图2所示，
共划分2640个solid95单元、有14732个节点。
图2 被撞凹陷管道有限元单元模型图
1．3 载荷
本次分析仅考虑内压载荷，在管道模型内壁施
加与内压值相等的均布压应力，在管道模型的右端
面施加与内压产生的轴向应力等效的拉应力。根据
原始资料审查，取计算内压为设计压力6．4MPa。
1．4 约束
消除刚体位移，在管道模型左端面施加固定
约束。
1．5 材料
根据原始资料审查，管道主体材料为API 5L×
42，管材屈服限为290MPa，许用应力为208．8MPa
(GB50253-2003)。取杨氏模量E=203390MPa、泊
松比 =0．292进行弹性分析；考虑到两处凹陷之间
存在焊缝的影响，取焊缝系数 ：0．9，屈服限 =
275MPa，并作出了相应的材料模型假设。材料应力
应变关系曲线如图3所示。
O0
图3 材料应力应变关系曲线
2 弹性分析
2．1 弹性计算结果
弹性有限元分析解的应力分布如图4所示。
N0DAL SOLUrfON
302 08 784E+08 1 27 09 1 75E+09 223E+09
543E+08 103E+09 151E-09 199E+O9 247E+O9
(a) 外表面Mises等效应力分布
STEP=1
SUB 1
TIM E=l
SEQV (AvG1
DM)c=010093
SMN一302E+o8
SM )(=247E+09
SM xR= 297E+09
302E+08 784E+08 127E+09 175E+09 223E+09
543E+08 l∞ E十09 151E+09 199E+09 247E+09
(b) 内表面Mises等效应力分布
图4 弹性应力分析计算结果
2．2 结果分析
由图4(a)、(b)可以看出：右侧凹陷的弹性应
力最大。在内压为6．4MPa时，该处的外表面局部
Mises等效应力为247MPa，内表面局部Mises等效
应力约为151MPa。可见管道被撞形成凹陷后，其局
部最大应力没有达到管道材料的屈服极限，但已达
到许用应力的1．2倍，不满足基于弹性理论的一般
压力容器设计规范要求。
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· 52· 化工设备与管道 2006年第2期
3 弹塑性分析
弹塑性有限元分析解的Mises等效应力分布如
图5所示。
~26E+08 l 25E+09 l 68E+09 2l】E+09 253E+09
l04E+09 1d7E+09 189E+09 232E+09 275E+09
(a) 内压15．4MPa Mises等效应力分布
黧NODAL SOLUTI 一
由图5(e)可以看出：当内压达到21．2MPa时，
凹陷部位的Mises等效应力达到材料屈服限。由于
屈服区域较大，此时随载荷的增加，屈服区域外围未
屈服的材料已无法限制屈服区中心部位的变形。因
此管道此时已完全达到其塑性极限状态。
2。
8
：
线
，l／2 i性斜j 线 21 2 Pa
J
． ． ．／l J【P a 一一
塑性j 限内 匪
{l
r
最大主应变／mm
图6 内压一最大主应变曲线
叶
、
．1 5 ,'1E+09
7 ^ 、 (b ) 内压17 tfD 194E+09 ．235E+09 5 极限分析与安定性分析
．5MPa Mises等效应力分布 一⋯ ”。 一 。一 ”。
5．1 分析准则的确定
(c) 内压21．2MPaMises等效应力分布
图5 弹塑性应力分析计算结果
4 弹塑性分析
由于弹性计算结果证明该管道被撞后已不满足
常规设计规范要求，故需按“合乎使用”的原则进行
塑性极限分析，以确定现有条件下管道能否继续
运行。
由图5可以看出：当内压增大到15．4MPa时，
管道凹陷处局部材料开始进入屈服状态，但其屈服
区域很小。此时屈服区域外围未屈服的材料可限制
屈服区材料的变形，随载荷的增加，管道不会无限制
地变形，因此管道还有进一步承载的能力。
由图5 (b)、图6可以看出：当内压达到
17．5MPa时，材料的弹性段结束，应力的增长从此点
开始变得缓慢，但此应力点对应的屈服区域并没有
明显的扩大，因此管道仍有进一步承载的能力。
由上述分析，管道的弹性极限载荷P 可取图5
(a)所求得的15．4MPa，根据JB-4732分析设计标．
准，此时的安定载荷控制值为2P ，即30．8MPa。图
5(c)所示的21．2MPa为塑性极限载荷。此时，安定
载荷控制值要小于塑性极限载荷，因此在进行安全
评定时应以塑性极限载荷控制的失效方式为准 J，
当管道满足极限要求时也是安定的。
图6为凹陷部位最大主应变与内压载荷的关系
曲线。按照偏安全但不保守的原则，根据ASME推
荐的1／2弹性斜率法，可取被撞凹陷管道的塑性极
限内压为16．4MPa。取安全系数为1．5，则其许用
塑性极限内压为10．93MP。
5．2 其它载荷的影响
本文所作分析均假设管道只受单一内压作用，
实际上此段管道为地下长输管道，其承受的载荷种
类比单一内压复杂得多。通常使用设计系数，来
反映地面状况、往来车辆、土壤性质等不确定因素对
埋地管道的影响。设计系数F是一个小于1．0的系
数，可以理解为操作内压与等效内压之比。按照
GB50253—2003的规定，此管道为一级地区，设计系
数可取为0．72。则等效内压P为：
(下转第61页)
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第43巷 朱利平．塑料阀门在工业管道中的要求与应用 ·61-
(PEIO0)，目前正在研制生产12．5MPa(PE125)的
聚乙烯管道专用料。所以塑料阀门的设计壁厚随着
原料的发展而逐渐可以减薄。
3 注意事项
(1)因为阀门是管路中的功能执行部件，所以
选择阀门产品应注意首先是比较其应用价值，而不
要单纯地比较其价格，一些劣质阀门产品的销售价
格还不够其它相同规格合格产品原料的价格。
(2)一些阀门的最小通径小于标准要求，所以
与相同规格的合格产品相比结构就显得紧凑，但造
成管路系统局部阻力增大。
(3)塑料阀门与塑料管材均存在随着使用温度
的升高而使用压力下降的问题，所以要用温度折减
系数． 来选择使用温度和压力。此处需要注意。
(4)在保证密封要求的前提下，阀门的扭矩越
小越好。因为阀门的扭矩越大，其密封处的摩擦力
也就越大，阀门的使用寿命也就越短。
(5)只要选择阀门的生产原料和产品控制都按
照国家标准或国际标准规定进行，塑料阀门是能够
满足在工业输送水和输送其它流体塑料管路中使用
的功能要求。
参考文献
1 ISO 15493：20 3，Plastics piping systems for industrial applications-
Acrylonitrile- butadiene styrene(ABS)，unplasticized poly(vinyl
chloride)(PVC-U)and chlorinated poly(vinyl chloride)(PVC—C)一
Specifications for components and the system-Metric series[S]
2 ISO 15494：20 3，Plastics piping systems for industrial applications-
Polybutene(PB)，polyethylene(PE)and polypropylene(PP)-Speci—
fieations for components and the system-Metric series[s]
3 ISO 10931—1：1997，Plastics piping systems for industrial applications-
Poly(vinylidene fluoride)(PVDF)～Panl：General[S]
4 ISO／D／S 16135．2：2004．Industrial valves— Ball valves of thermo．
plastic materials[S]
5 ISO／DIS 16136．2：2004，Industrial valves- Butterfly valves of thermoplastic
materials[S]
6 ISO／DIS 16137．2：2004．Industrial valves- Check valves of thermo—
plastic materials[S]
7 ISO 9393—2：1997．Thermoplastics valves- Pressure test methods
and requirements- Part 2：Test conditions and basic requirements for
PE，PP，PVC—U and PVDF valves[S]
8 ISO 8659：1989， Thermoplastics v',dves- Fatigue strength- Test
method[S]
9 1SO 8233：1988，Thermoplastics ValVes—Torque—Test method[S]
10 EN 12570：200 ，Industrial valves- Method for sizing the operating
element[S]
(上接第52页)
P =P。／F=6．4／0．72=8．9 MPa
可见管道的等效内压小于其塑性极限内压，此
处被撞管段是满足“合乎使用”要求的。但由于该
管段地处阿北高速路旁，距高速路基3—4／m，若被
撞凹陷管道长期埋于地下使用，有可能因偶然事件
而发生危险。
6 结论
通过对此管线上撞击凹坑缺陷的有限元应
力分析、数值计算及安全评定，可以得出如下
结论：
(1)弹性有限元分析结果表明被撞管段凹陷处
存在应力集中效应，设计内压引起的应力已超出
GB50253_2003所规定的许用应力。
(2)弹塑性有限元分析结果表明，作为埋地管
道，考虑到腐蚀速率和设计系数的影响后，在今后一
年内，6．4MPa的设计内压未达到被撞凹陷管道本身
的塑性极限内压和安定载荷控制值，所以此段管道
仍满足“合乎使用”的要求。
(3)此段管道位于某高速公路路基3～4m
内，考虑到可能发生的意外因素，此处含缺陷管
道不宜长期带伤运行，应更换或采用补强等保护
措施。
实践证明，采用数值分析的方法对管件、凹陷等
无评定标准的超标缺陷进行安全评定是可行的，这
样即可以保证管道的安全运行，又可以避免不必要
的更换以降低运行成本。
参考文献
1 中国特检中心等34个单位．“十五”国家重点科技攻关项目《城
市埋地燃气管道及工业特殊承压设备安全保障关键技术研究》
[R]．2005，5
2 范贤振，刘益东．在役氨系统管线缺陷评定的应用[J]．化工设备
与管道．2005，42(3)：32～34
3 中国特检中心．“八五”国家重点科技攻关项目《含凹坑缺陷压
力容器安全评定方法研究报告》[R]．1995，12

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