基于有限元分析的管道焊接修复方法研究

焊接是打孔管道的常见修复方法,主要采用接管、补板、套管3种方式。焊接修复方法的选用和了解焊接产生的应力对油气管道安全运营具有重要意义。为了掌握不同焊接修复方法的修复效果和适用范围,运用非线性有限元方法进行管道在内压作用下的受力分析,研究屈服压力与极限载荷评估修复结构承载能力的优异性,得出相对较优的管道焊接修复方法,并比较各焊接修复管道中几何效应对承压能力的影响。结果表明,应采用屈服应力评估焊接构件的承载效果; 3种焊接修复方法中,采用套管修复方法后的管道承载效果最好,套管的几何尺寸对管道承载效果影响较小; 补板修复管道的承载效果位于中间,补板的几何尺寸越小,管道的承载效果越好; 接管修复管道的承载效果最次,接管的直径越小、厚度越大,管道的承载效果越好。     

焊接修复打孔管道试验研究

输油管道被打孔后将严重影响正常的石油运输,孔洞焊接修复时产生的残余应力以及修补结构等所造成的应力集中都将大大降低管道的承载能力,输油管道的损伤也将给安全生产带来巨大隐患。通过对某段打孔管道进行压力试验,测试了其在内压下应力应变的分布情况,为综合分析打孔管道的剩余强度、确定孔洞及其修复结构对管道安全性能所造成的影响提供了依据。     

含腐蚀凹坑缺陷管道的极限载荷研究

腐蚀凹坑是石油与天然气输送及石化管道常见的缺陷之一 ,会使管道产生应力集中 ,抗疲劳载荷能力降低。为寻求腐蚀球形凹坑对压力管道极限载荷的影响 ,用有限元弹塑性分析法和试验方法 ,对含腐蚀球形凹坑缺陷的压力管道进行研究 ,得到了含不同球形腐蚀凹坑缺陷压力管道在内压和弯矩联合作用下的极限载荷。试验研究证明 ,在内压和外弯矩作用下 ,腐蚀球形凹坑底部应变值最大 ,并首先屈服 ,试验测定载荷 -应变曲线与有限元计算的基本一致 ,最大误差为 7 3 2 %。腐蚀凹坑半径相同时 ,管道的极限载荷随凹坑深度的增加而降低 ;而凹坑深度相同时 ,极限载荷随凹坑半径的加大而降低。     

压力管道开孔中极限载荷分析法的应用

在压力管道设计中,对于主管焊接非标准的分支管需要进行分析计算,计算方法主要有等面积补强法和有限元应力分析法等。本文针对实际工程中不能满足规范标准的支管连接方式,采用弹性应力分类法和极限载荷分析法分别进行计算校核,并通过爆破试验验证了极限载荷分析计算的可靠性。     

咬边缺陷对压力管道焊接接头应力集中的研究

从数值模拟入手,采用大型有限元软件ANSYS研究了不同尺寸、不同位置的咬边缺陷对压力管道焊接接头应力集中系数的影响.计算结果表明,咬边缺陷对压力管道焊接接头产生了十分明显的应力集中,其影响程度与咬边的深度、宽度和位置有关,锐度越大应力集中系数就越大.     

环焊缝根部内凹缺陷对管道内压承载性能的影响

环焊缝是工业钢质管道的重要结构,管道的环焊缝中常常存在一些焊接缺陷。环焊缝根部内凹缺陷是管道环焊过程中产生的一种体积型缺陷,该缺陷可引起较大的应力集中,降低焊接接头的承载性能。基于弹塑性有限元理论,建立了含内凹缺陷管道应力仿真模型,分析了服役压力和极限爆破状态两种典型工况下管道缺陷局部区域及管体应力分布规律,研究了内凹缺陷尺寸参数对管道结构完整性及极限内压承载性能的影响。结果表明,在正常服役压力下,内凹缺陷端部的等效应力最大约为18.59 MPa,而距离内凹缺陷区域较远的管体所承受的应力约为13.18 MPa。在极限爆破工况下,内凹缺陷区域出现较大面积的塑性区,该区域的最大等效应力约为469.5 MPa,超过了焊缝的抗拉强度451 MPa。另外,内凹缺陷径向深度、环向长度和轴向宽度尺寸会引起正常运行工况下管道的最大等效应力发生变化,等效应力变化幅度可达到25%,管道极限内压承载性能随内凹深度的增大而减小。     

油田压力管道碳纤维补强技术

复合材料修复技术是利用树脂基纤维增强复合材料在管道外形成复合材料修补层,分担管道承受的载荷,降低管壁的应力并且限制管道缺陷处的应力集中,从而达到对管道补强的目的,恢复管道的正常承压能力。复合材料修复技术具有修复施工方便、高性能、适用性广等特点,在油田生产维修中能够得到广泛应用。     

输油管道盗孔结构修复应力分析及结构优化设计

为了有效快速地修复输油管道盗油孔,建立了长距离油气管道有限元模型,利用ANSYS有限元分析软件对盗孔修复整体结构进行优化设计、耦合场分析及修复等系统化的仿真模拟。结果显示,盗孔及焊帽修复主要对盗油孔局部存在影响,结构改变造成应力集中,最大应力发生在孔的内边缘;补板修复方法最大应力发生管体开孔边缘处。研究结果表明,对于单一的盗孔,在相同压力下,补板修复方式产生的焊接残余应力最小,危险区数量最少,结构最为安全,是相对较好的盗孔缺陷修复方法。     

高钢级天然气管道站场三通孔锥形坡口优化分析

坡口形式是变壁厚焊接焊缝质量的重要影响因素。针对天然气站场大口径、高压力工艺管道和三通的焊接,提出一种新型孔锥形坡口连接形式,基于直径1 422 mm×1 219 mm的X80孔锥形坡口三通组合件结构,采用基于响应曲面的参数优化方法,分析坡口深度、坡口角度及主管短节厚度对焊接坡口区域应力集中的影响。应用弹塑性有限元分析方法,论证孔锥形坡口对三通承压能力的影响。研究结果表明,增加短节厚度可降低连接坡口位置的应力集中,增加坡口深度可降低坡口内表面的应力集中,减小坡口角度可减小焊缝根部的应力集中,孔锥形坡口降低了三通承压能力,支管孔锥形坡口对三通承压能力的影响比主管孔锥形坡口的大。     

管道盗油孔缺陷焊接应力分析及修复方法优化

经济利益驱动下频繁发生的不法分子打孔盗油现象,已严重威胁到输油管道的正常运营,盗油孔缺陷焊接修复产生的应力及缺陷修复方法的选用对输油管道长期平稳运行产生重要影响。为掌握管道盗油孔焊接修复后应力变化情况,并合理地选择缺陷修复方法,通过模拟盗油孔管道应力分布,分析焊接以及应力集中对管道强度造成的影响,采用有限元方法计算出不同缺陷修复方法下管道的应力变化,得出相对最优的盗油孔缺陷修复方法,为管道的安全运行提供了依据。     

基于有限元模拟的压力管道轴向裂纹应力强度因子计算

基于有限元软件ANSYS对一种新型的管道断裂行为研究试样进行了三维建模与数值分析。对用于模拟实际工况的无加载孔模型和用于实验研究的有加载孔模型分别建模,并计算了裂纹尖端应力强度因子。对比研究发现,有加载孔模型可以较好地反应工程实际,并可用于管道断裂力学行为的研究。通过改变断裂试样厚度与裂纹长度发现:应力强度因子K随着试样厚度的增大而减小,而裂纹长度增大时K值也有减小的趋势。     

复合材料缠绕修复管道的应力分析

非金属缠绕管道修复是在役管道受损后的一种主要修复方式,对于保障油气管道的平稳安全运行具有十分重要的意义。基于组合薄壁圆筒的力学分析理论,推导出了管道修复厚度的计算公式,并考虑缠绕材料的各向异性建立了缠绕修复管道的有限元分析模型。分析结果表明,缠绕层对附近管体的应力状态影响不大,只要修复厚度和修复长度合适,就能够完全恢复管道的承压能力。缠绕层在管道缺陷区域屈服以后能起到明显的承载作用。增大缠绕层厚度,可降低管道和缠绕层中的环向应力;而当缠绕层厚度小于最小修复厚度时,即使加大修复长度也无法完全恢复管道的承压能力。最后,对基于有限元法和解析方法得到的缠绕层厚度和长度进行了对比,结果表明,缠绕层厚度的计算公式偏于安全,可用于管道修复缠绕层的设计计算。     

输气管道高强度试压全尺寸爆破实验

针对国际上输气管道普遍采用高强度试压的趋势,通过含缺陷管道全尺寸爆破实验及大量统计数据,分析了高强度试压对管道塑性变形及管道承压能力逆转的影响。研究结果表明,对于新建管道,当管道试压产生的环向应力为100％～110％SMYS（规定的最小屈服强度）时,管道不会产生较大的塑性变形,高强度试压引起管道的承压能力逆转量不大。该研究成果可为我国适当提高管道试压压力提供一定的实验数据支持。     

腐蚀管道剩余强度评价方法的对比研

综述了ASME B31G-1984、ASME B31G-1991、DNV RP-F101以及PCORRC等4种腐蚀管道剩余强度的评价方法，从安全准则、适用缺陷类型、适用管材强度等级等几个方面进行了分析、比较。基于全尺寸爆破试验结果验证，指出修改后的ASME B31G的保守性有所降低，但仍然存在较大的安全裕量。PCORRC和DNV采用了基于爆破强度的安全准则，因此更适应中、高强度等级管道的缺陷评定。计算并分析了流变应力的选取、腐蚀面积的简化计算、Folias鼓胀因子等因素对腐蚀管道剩余强度评价结果的影响程度。旨在便于评定人员选取合适的评价方法，进而提升管道安全运营管理水平。     

沿坡敷设输气管道应力分析

长距离的输气管道所经过的区域地形复杂多变,在山区丘陵地带一般采用沿坡敷设的方式,由于高低位差的原因,管道受力不均,且大多沿坡敷设的管道都是根据经验参数设计,很容易发生管道失效。为了在前期设计中研究管道的受力分布,校核其是否符合设计规范和安全要求,使用应力分析软件CAESARⅡ对某沿坡敷设管道进行应力分析,研究安装、试压和运行工况下管道的受力情况,得出沿坡敷设方式的安全性较高的结论。分析结果对沿坡敷设管道的设计和施工提供了相应理论依据,具有工程价值和指导意义。     

沿海成品油输油站内管道应力释放的措施

针对浙江沿海某成品油输油管道站场站外埋地管线受到侧向和轴向推力,且管线两侧均无法移动,导致站内管线应力集中,造成部分管线位移的问题,采取了站内外管线上方降低荷载、站内管线更换可调节管托、固定墩增加混凝土方桩支护、站外管线平衡压带更换配重块等措施,释放了管线应力,保证了管线的安全运行。     

注浆法在已建油罐地基加固中的应用

在一定的压力作用下,将水泥浆注入松散的地基土中,浆液凝固后将松散的土粒固结在一起,对地基进行加固。这种方法具有省时、省工、省费用、使用简单方便等优点。特别是对已建油罐地基的处理更有其独到之处。由于钻孔可在任意角度下进行,因此可对罐基础任何区域进行加固并达到较好的效果。文章对钻孔布置、钻孔、注浆花管布置、压力灌浆、充水预压等几项关键技术进行了较详细的论述。     

裂口几何形态对输气管道小孔泄漏的影响

输气管道气相泄漏速率计算是泄漏风险评估的前提和基础。为此,通过搭建气相管道小孔泄漏实验系统,开展圆孔、周向矩形方孔、轴向矩形方孔的泄漏速率实验,获取了不同裂口几何形态的气相泄漏速率。在此基础上,建立了基于FLUENT的管道孔口泄漏CFD仿真模型,并用其研究了裂口几何形态对中低压管道小孔泄漏速率的影响机理、泄漏孔口附近的气体动力学特征量,包括速度分布、马赫数分布等。仿真结果表明:最大速度发生在泄漏孔口截面中心处,矩形方孔的最大速度明显高于圆孔,而裂口方向对其影响不显著;从临界压力比来看,孔口面积一定,矩形方孔更容易在孔口处达到临界流,圆孔、周向矩形方孔、轴向矩形方孔的临界压力比模拟值均低于理论计算值。该实验结果有助于气相管道小孔泄漏研究的深化,也为气相管道泄漏事故的应急处置提供了参考依据。