纤维复合材料修复缺陷管道的失效分析

为准确预测纤维复合材料修复缺陷管道的极限失效压力,基于管道钢材料、填充胶层和复合材料的极限失效状态,建立修复后缺陷管道的极限失效数值模型.以缺陷深度、轴向长度、环向长度以及修复层数来表征不同的修复工况,对不同的修复工况进行非线性数值分析.结果表明:对于未修复缺陷管道在单调递增内压力作用下,缺陷区域等效应力曲线可分为线弹性、塑性屈服和刚度退化三个阶段,且腐蚀程度对管道极限承压能力的影响极为显著;复合材料修复层在管道缺陷区域屈服后均能很好地抑制缺陷处的径向膨胀,起到加固修复作用,但对于同一缺陷工况,不同修复层数呈现出不同的失效模式,修复层数对复合材料修复性能具有显著影响;在相同修复层数下,修复后缺陷管道的极限承压能力随缺陷深度的增大呈较大的下降趋势,缺陷轴向长度和环向长度对复合材料修复性能的影响极为有限,但轴向和环向长度较大的缺陷管道其修复后的极限承压能力增量较大.     

含缺陷管道剩余强度和剩余寿命的研究

结合某采油厂实际数据,借助ANSYS软件平台建立了平底方形缺陷、椭圆平底缺陷、圆柱平底缺陷3种腐蚀缺陷,分别研究了其长度、宽度、深度、压力等因素对其剩余强度的影响,并对其进行寿命预测.结果表明,3种缺陷的几何尺寸对等效应力均存在临界值;在几何尺寸相同情况下,3种缺陷等效应力均随内压的增加而增大,平底椭圆形缺陷危害形最小,平底方形缺陷危害性最大.所得结论对于腐蚀管道的安全评价有一定的指导意义.     

拉应力作用下含缺陷埋地管道应变与裂纹扩展行为分析

采用数值模拟和宽板拉伸实验相结合的方法,研究单点缺陷与双点缺陷对含螺旋焊缝缺陷管道应力应变及裂纹扩展行为. 基于管材的力学性能和标准等确定缺陷尺寸位置参数,利用ABAQUS建立含不同参数缺陷的宽板及全尺寸管道模型分析拉外力下的应力分布特点,研究不同缺陷长度与深度对管道焊缝处裂纹萌生的规律;设计3组含焊缝处缺陷管道宽板拉伸实验,研究管道应变与裂纹扩展情况. 结果表明：拉应力下管道宽板模型具有可靠性;随着缺陷尺寸的增大,相对长度为0.79、相对深度为45.98的缺陷对裂纹萌生影响最大. 对比宽板试验发现,宽板焊缝上、下侧截面点位的应力应变在轴向拉力作用下,均呈现出先缓慢增加后快速上升的趋势,且相对单点缺陷,双点缺陷的相互作用对裂纹的萌生和扩展产生较大影响.     

拉应力作用下含缺陷埋地管道应变与裂纹扩展行为分析

本文基于数值模拟和宽板拉伸实验方法,研究了单点缺陷与双点缺陷对含螺旋焊缝缺陷管道应力应变及裂纹扩展行为。首先基于管材的力学性能和标准等确定缺陷尺寸,然后利用ABAQUS建立含不同参数缺陷的宽板及全尺寸管道模型,通过分析外力下的应力分布特点,验证了管道宽板模型的可靠性；其次采用有限元软件研究不同缺陷长度与深度对管道焊缝处裂纹萌生的规律,结果表明相对长度0.79(实际长度为20mm)和相对深度为45.98(实际深度4mm)的缺陷对裂纹萌生影响较大。最后通过设计3组含焊缝处缺陷管道宽板拉伸实验,结果表明宽板焊缝上、下侧截面点位的应力应变在轴向拉力作用下,均呈现出先缓慢增加后快速上升的趋势,且相对单点缺陷,双点缺陷的相互作用对裂纹的萌生和扩展产生了较大影响。     

油气管道缺陷漏磁检测试验

在油气管道检测中,缺陷的定量分析一直是个难题.通过试验研制了管道漏磁腐蚀检测器,在钢管(273mm,壁厚为14.3mm)上设计了系列缺陷,并采集了缺陷漏磁的相关信号.研究了管道缺陷漏磁信号的分布规律和缺陷的几何尺寸大小之间的关系,结果表明,缺陷漏磁场检测信号的两波谷间距、检测到信号的传感器数和信号峰谷值分别是缺陷长度、宽度和深度量化分析的重要特征量,并由此得出缺陷长、宽、高的计算方法.通过该方法对缺陷的漏磁信号进行量化分析,表明缺陷长度、宽度和深度的平均绝对误差分别为2.4mm、8.3mm和0.8mm.     

含缺陷蒸汽发生器管道爆破压力预测的遗传-神经网络算法

为了探讨体积型缺陷对蒸汽发生器传热管强度的影响,使用遗传-反向传播(GA-BP)算法建立了Inconel 690蒸汽发生器传热管爆破压力预测模型.利用遗传算法对误差反向传播神经网络(BP-ANN)的初始权值进行了优化,由此克服了BP网络收敛速度慢及易陷入局部极小的缺点;使用所建模型分析了管道缺陷的各类几何参数对爆破压力的影响.结果表明:蒸汽发生器传热管的缺陷深度对爆破压力的影响最大,爆破压力随着缺陷深度的增加迅速降低;当管道缺陷环向尺寸减小时,爆破压力随着缺陷轴向长度的增加而减小的趋势更加显著;管道缺陷越深,爆破压力随环向尺寸的增加而减小的趋势越明显.     

打孔管道焊接修复结构的残余应力测试

输油管道上的打孔盗油案件时有发生.对被打孔的管道,只能采用焊接方法抢修,而焊接产生的残余应力影响管道承压能力和剩余寿命.为了解管道修复中焊接残余应力对管道完整性的影响,用钻孔法分别测试了打孔管道的不同焊接修复结构的残余应力,并和管道螺旋焊缝处的残余应力进行了对比.测试结果表明,焊缝近处存在残余应力,且距焊缝越近,残余应力越大.管道修复结构中的残余应力的第一主应力多为拉应力,其最大值为管材屈服极限的70.94%;管道螺旋焊缝处的残余应力的第二主应力为压应力,其最大值约为管材屈服极限的74.66%.同时在焊接接管的根部存在较大的残余应力.     

打孔管道焊接修复结构的残余应力测试

输油管道上的打孔盗油案件时有发生。对被打孔的管道，只能采用焊接方法抢修，而焊接产生的残余应力影响管道承压能力和剩余寿命。为了解管道修复中焊接残余应力对管道完整性的影响，用钻孔法分别测试了打孔管道的不同焊接修复结构的残余应力，并和管道螺旋焊缝处的残余应力进行了对比。测试结果表明，焊缝近处存在残余应力，且距焊缝越近，残余应力越大。管道修复结构中的残余应力的第一主应力多为拉应力，其最大值为管材屈服极限的70．94％；管道螺旋焊缝处的残余应力的第二主应力为压应力，其最大值约为管材屈服极限的74.66％。同时在焊接接管的根部存在较大的残余应力。     

双点腐蚀缺陷管道剩余强度的有限元分析

以X60管线钢双点腐蚀缺陷管道作为研究对象,根据油气管道的本身特点以及腐蚀机理,借助ANSYS有限元分析软件,考察双点蚀缺陷管道应力云图分布规律,通过改变双点蚀缺陷半径、深度和腐蚀间距,考察其对剩余强度和等效应力的影响规律.结果表明,最大等效应力出现在双点腐蚀缺陷周围区域;随着内压的增大,在未达到屈服极限时,等效应力与内压呈线性关系,当等效应力达到屈服极限时,随着内压的增加,等效应力维持不变,当等效应力超过屈服极限时,随着内压的增大,等效应力增加;随着双点蚀缺陷半径的增大,剩余强度呈增加的趋势,安全性提高;随着双点蚀缺陷深度的增加,剩余强度呈减小的趋势,安全性降低.所得结论对油气管道腐蚀与防护有一定的指导意义和参考价值.     

开口模型下内腐蚀缺陷管柱剩余抗内压强度

目前较少按开口模型研究缺陷管柱剩余抗内压强度,各因素对抗压强度的影响程度缺乏定量分析,较少考虑缺陷宽度、管柱径厚比等因素对强度的影响.根据非线性有限元方法,结合正交试验设计,按开口模型分析了内压载荷下缺陷管柱应力分布情况,研究了内腐蚀缺陷长度、宽度、深度、管柱外径、径厚比等参数对管柱剩余抗内压强度的影响规律.结果 表明:开口模型下含缺陷管柱抗内压强度低于端部约束模型与闭口模型.缺陷管柱无因次抗内压强度随缺陷深度增加呈线性关系降低,随缺陷长度的增加呈指数关系逐渐降低,抗内压强度随缺陷宽度增加先增大后降低;轴向沟槽形缺陷显著降低管柱的抗内压强度.缺陷深度与长度对无因次抗内压强度影响较大;管柱径厚与缺陷对无因次强度影响较小.以有限元计算结果为依据,建立了抗内压强度多因素预测模型,可为工程上含缺陷管柱抗内压强度评价提供参考.     

含腐蚀缺陷管道拉伸应变能力预测模型研究

在埋地管道的基于应变设计和评估中,准确和可靠的拉伸应变能力(TSC)预测至关重要。国际管道研究理事会和可靠能源系统中心等研究机构提出的多种TSC预测模型均不适用于具有腐蚀缺陷的管道。鉴于此,本文基于经全尺寸管道拉伸实验验证的广泛参数有限元分析,提出了一种适用于腐蚀管道的TSC预测模型。在所提出的模型中,根据TSC与影响参数之间的相关关系,构建了一个缺陷几何因子函数以描述腐蚀缺陷尺寸(缺陷深度、宽度和长度)对拉伸应变能力的影响。通过非线性回归分析和误差分析验证了所提出模型的准确性和可靠性。结果表明：与有限元结果相比,所提出模型的平均预测误差为5.78%;与实验测试结果相比,模型的最小和最大预测误差分别为3.68%和24.51%;模型的预测范围可以满足应变设计地段腐蚀管道实际安全评估的需求。     

天然气管道拘束焊缝复合加载条件下的抗裂性研究

天然气管道在服役过程中,常受到复杂的外部载荷,在金口焊缝处易发生泄露或开裂。针对天然气管道金口焊缝拘束状态,设计了一套自拘束焊接装置,模拟了金口焊缝的拘束状态;并通过复合加载试验及应力应变检测,探讨了全尺寸管道拘束焊缝在复合加载条件下的抗裂敏感性。试验结果表明:拘束焊缝管道无论在内压+静态弯曲复合加载,还是在内压+冲击弯曲复合加载条件下,其抗开裂性均比无拘束焊缝管道差,缺陷开裂敏感性高。含缺陷管道对外部冲击载荷更为敏感,外部动载更易造成含缺陷管道开裂。在复合加载过程中,拘束焊缝管道缺陷尖端的最大应变值小于无拘束焊缝管道缺陷尖端的应变,无拘束焊缝可承受更大的塑性变形。含缺陷管道对弯曲加载速率较为敏感,弯曲加载速率增大,缺陷更易开裂。     

基于LS-SVM的超声导波管道缺陷二维重构

针对当前超声导波检测中的缺陷成像技术难点,提出了基于支持向量机的缺陷轮廓重构方法.通过实验和有限元仿真相结合的方式,获得不同大小缺陷的检测信号.采用最小二乘网络学习算法,选取缺陷回波数据作为支持向量机的输入,缺陷轮廓数据作为输出.建立了缺陷回波到缺陷二维轮廓的非线性映射,实现了缺陷轴向宽度和径向深度的二维轮廓重构,并与径向基神经网络重构效果进行了对比.实验结果表明,该方法速度快、精度高、泛化能力好,是管道超声导波定量化、可视化检测的一种可行方法.     

横向滑坡载荷作用下埋地PE管道的损伤数值模拟

埋地燃气输送管道服役环境复杂,其中滑坡地质灾害严重威胁管道的服役安全。本文以埋地聚乙烯(PE)管道为研究对象,利用ABAQUS有限元软件模拟了横向滑坡载荷作用下的管道损伤行为,探讨了滑坡参数(滑坡体位移量)、管道埋深以及内压对PE管力学性能的影响。研究结果表明:滑坡作用下埋地PE管最大偏移、最大Mises应力和最大主应变均位于管轴向横截对称面上。管道最大Mises应力随滑坡位移量的增大而增大,管底为管道最终屈服点,屈服主要原因为管横截面被压扁变形。管道未屈服时,最大Mises应力随内压的增大呈现先减小后增大的现象,最大主应变随内压的增大而增大。最大Mises应力和最大主应变均随埋深的增大而增大。     

X80管道凹痕缺陷失效准则对比分析

为了提高油气管道凹痕缺陷安全评价的准确性,将金属材料的韧性失效准则应用到管道凹痕的损伤评价中。以X80管道凹痕为例,采用有限元法计算不同工况下3种失效准则的管道损伤量并作对比分析。研究发现,管道损伤量随凹痕深度的增加而增加;当凹痕深度大于6%管道外径时,管道损伤量的增长速率减小。其中,Oyane韧性断裂准则计算出的损伤量最大,临界空穴扩张比判据理论次之,而X-W损伤失效准则计算的损伤量最小。此外,通过研究凹痕缺陷的类型对损伤量的影响发现,Oyane韧性断裂准则能更好地反映管道凹痕区域的应力集中。研究结果表明,Oyane韧性断裂准则更适合用于深度较大以及不同种类的管道凹痕缺陷的评估。为进一步研究韧性失效准则在管道凹痕评价中的应用提供参考。     

局部腐蚀油气管道失效压力计算方法

利用管道应力集中理论,以数值模拟数据为基础,建立一种局部腐蚀油气管道失效压力的计算方法。验证非线性有限元法评价局部腐蚀的可靠性,用该方法分析局部腐蚀半径及局部腐蚀深度对管道失效压力的影响;并与其他评价规范计算结果进行对比。结果表明,拟合得到的局部腐蚀油气管道失效压力计算方法的误差小,误差分布均匀,可以满足局部腐蚀油气管道失效压力的预测要求。     

地面堆载对高后果区埋地管道承载能力的影响

为了分析地面堆载对高后果区埋地管道承载能力的影响,采用ANSYS workbench有限元软件建立了堆载-土壤-管道应力状态分析三维模型,采用堆载体直接加载在地基土壤上,分析管道在堆载下的承载能力响应,采用理论计算验证了模型的可行性,分别探讨了堆载高度、管道埋深、堆载距离、管径、壁厚和土壤泊松比因素对管道承载能力的影响。结果表明,堆载下管道应力最大出现在堆载下方,并且向管道两边递减,堆载范围内的承载能力明显减弱。堆载高度和堆载距离对管道承载能力的影响最大,堆载距离的微小改变可以明显提高管道的承载能力,堆载高度的增加同时又导致管道承载能力减弱,通过堆载高度和堆载距离的变化规律可以用来判断,在管道极限承载能力范围内,不同堆载位置下的极限堆载高度。在一定堆载高度下,管道存在一个临界埋深,此时管道承载能力最大。管径、壁厚和土壤性质对管道承载能力有影响但较小。研究结果可以为判断高后果区埋地管道占压下安全状态提供指导。     

针对占压区X80输气管道的力学行为

为解决由于高钢级X80管道因地面占压而带来的安全运行问题,以实际地质参数为基础,基于ABAQUS有限元软件建立了占压工况下埋地管道三维模型。研究了管土切向摩擦因数、堆载位置、占压区尺寸(占压区域长度和占压区域宽度)等几个关键因素对占压区域下埋地管道应力的影响规律。结果表明：管道最大Von Mises应力随管土切向摩擦因数的增大线性增长;堆载距管道轴线的距离直接决定了管道应力分布;在载荷一定或合力一定时,都可以通过改变占压区域面积来降低管道应力,在载荷一定时,改变占压区长度对其应力分布影响更明显,在合力一定时,改变占压区宽度对其影响更明显。