埋地城市燃气管道三通失效有限元分析

刘 柯，邵大伟

（沈阳市特种设备检测研究院， 辽宁 沈阳110000）

压力管道广泛应用于石油、城市天然气、化工、核能源等工业领域，担负着输送易燃、易爆、腐蚀、有毒及放射性介质的重要任务，在国民经济中占有重要地位。三通管件是城市燃气管道系统中的重要元件，与直管相比，三通的形状更加复杂，由于拐角、不等壁厚等几何不连续及开孔等原因，造成了很大的应力集中，使得即使在工作压力下，三通相贯区也有可能产生局部的屈服。

同时，在管道运行中，由于腐蚀、冲蚀、机械损伤以及对表面裂纹打磨等会引起管壁产生局部减薄缺陷。这类体积型缺陷的存在，会降低管道的承载能力，诱发破坏事故的产生，影响管道的完整性及安全运行。因此对三通的完整性研究是非常重要的。管道最常见的失效形式是塑性失效，现有的管道失效评价规范ASMEB31G-2009[1]、加拿大管道规范CSA-Z 184-M86[2]都是针对内压作用下直管管壁的局部减薄，对三通的局部减薄的安全评定没有作出规定。

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本文就使用ANSYS软件采用塑性失效有限元，考虑材料非线性和集合非线性，对钢制三通管件受内压和极限弯矩作用下失效模式的相关问题加以探讨，介绍使用 ANSYS 软件进行结构分析的思路、基本步骤及三通失效模式评价方法。

1 三通有限元分析

1.1 有限元模型的建立

三通管件公称尺寸为DN 377 mm×377 mm×254 mm，主管内径为377 mm，支管内径为254 mm，管道材质为L245MB管线钢，壁厚为6 mm，埋深1.7 m，在建模时考虑到几何结构、外载荷及约束的对称性，采用了简化形式，建立了1/2模型，如图1所示，在网格划分上采用 20节点等参单元SOLID95，为了确保计算结果的精确度，网格应尽可能规整、均匀，网格划分如图2。

图1 三通管道几何模型Fig.1 The model of three-way pipe

图2 三通管道网格划分Fig.2 The grid division of three-way pipe

1.2 材料参数的确定

查《机械设计手册》[3]得该型号钢材的弹性模量E=2. 06×105MPa，泊松比μ＝0.3，强化模量ET=0，屈服强度为245 MPa，抗拉强度为415 MPa。在计算模型中采用Ramberg-Osgood（简称R-O）幂硬化应力-应变关系，如式(1)所示，材料特性见图3所示。

式中:ss—屈服强度，MPa；

e0—初始应变，e0=ss/E；

n—幂硬化指数；

a—硬化系数；

E—初始弹性模量，MPa。

1.3 载荷及边界条件的确定

在内表面施加工作压力0.6 MPa，在支管横截面和主管横截面上施加均布应力[4]。直接在主、支管内表面施加均匀分布的压力p0，并在主、支管端面施加等效轴力Pm按式(2)计算[5]：

图3 应力-应变曲线图Fig.3 The curve of stress - strain

式中：Do—直管段外径；

Di—直管段内径；

p0—管件的内压。

若要获得三通的塑性极限弯矩，所施加的弯矩必须足够大，本文计算中，将三通主管的塑性极限弯矩载荷由式(3)[6]得。

利用式(4)将极限弯矩转化为支管端部的最大等效弯曲应力

然后利用梯度加载法沿X（面外弯矩）轴方向给支管端部施加表面载荷。

2 计算结果及分析

2.1 内压及极限面外弯矩联合作用下无缺陷三通塑性失效模式

三通位于管道转弯处，管道受面外弯矩作用时，当弯矩达到极限弯矩时三通有可能发生塑性失效，如图3、4所示。

图3 无缺陷三通失效应力分布图Fig.3 The failure stress distribution of no defect three-way pipe

由图 3(a)、(b)可知，内压和面外弯矩作用下三通塑性失效常是由于沿相贯线发生整圈塑性屈服，并形成塑性铰并且极限状态下的塑性区分布在整条相贯线的两侧区域，在此处易形成裂缝而产生泄漏，而远离三通相贯区的支、主管材料还处于弹性应力状态。

2.2 内压及极限面外弯矩联合作用下带缺陷三通塑性失效模式

在役三通不可避免地出现流体冲刷局部减薄以及第三方破坏引起的缺陷，缺陷的存在会大大降低结构承载能力，危及工业管道的安全运行。但断裂力学研究表明，设备中存在缺陷并不说明设备会立即损坏，实验也发现许多存在超标缺陷的设备却可长期安全使用，可见缺陷不是不可接受的，可通过对含缺陷三通元件的在外力作用下应力分析，来监控三通是否可继续使用。利用有限元评定局部减薄三通方法是对局部减薄区的应力场分布进行分析，三通的支、主管壁厚均较薄，其上的缺陷绝对尺寸较小，且一般是由韧性较好的碳钢或不锈钢材料制成，其失效模式常表现为极限载荷控制的塑性破坏。由式(3)求得极限弯矩，依据简化后的有限元模型，分析了内压和极限面外弯矩作用下的主管底部、主管腹部及主管肩部的局部减薄缺陷三通塑性失效模式。

图4 带缺陷三通失效应力分布图Fig.4 The failure stress distribution of with local wall-thinning three-way pipe

由图4（a）、(b)、(c）可知，内压和极限面外弯矩联合作用下，局部减薄位置在主管底部时，缺陷位于管道的低应力区，三通失效应力分布图与无缺陷三通相差很小，还是在相关区域出现塑性失效区域；局部减薄出现在主管腹部时，除了相贯区域外在局部减薄区靠近相贯区也会先出现塑性区域；局部减薄区域出现在主管肩部时，局部减薄对管道应力分布影响较小，管道塑性区域出现在相贯处。受内压和面外弯矩作用下，管道失效以相贯区塑性失效为主，局部减薄位于主管腹部时对管道失效模式影响最大。

3 结 论

（1）无缺陷三通受内压和极限面内弯矩时，沿相贯线形成塑性铰，并且在靠近相贯线的主管腹部会出现塑性区，无缺陷三通受内压和极限面外弯矩时，沿相贯线形成塑性铰，发生整圈塑性屈服，并且塑性区分布在整条相贯线的两侧区域，在此处易形成裂缝而产生泄漏；

（2）当局部减薄区位于主管底部时，由于在主管底部出现应力较小区域，三通失效模式与无缺陷三通失效模式相同。

当缺陷位于主管腹部时，除了相贯线附近出现塑性区以外，缺陷处也会进入塑性区服阶段，当缺陷位于主管肩部时，面内弯矩作用下，缺陷边缘靠近支管处会出现裂缝，而面外弯矩作用下，肩部缺陷三通失效模式影响较小。

［1］ANSI/ASME B31G-2009.Manual for determining strength of corroded pipelines [S]. ASME，New York.

［2］CAN/CSA-Z184-M86. Gas pipeline systems [S].CanadaStandards Association，1986.

［3］成大先，王德夫，姜勇,等.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

［4］王泽军．锅炉结构有限元分析［M］．北京：化学工业出版社，2005．

［5］马季红，帅健，魏化中,等．局部减薄埋地三通塑性极限内压的有限元分析[J]．管道技术与设备，2010(1)：34-36．

［6］贾慧玲.受外载作用焊制三通塑性极限载荷的有限元分析[D]. 北京:北京化工大学,2004.