含凹痕缺陷管道的有限元分析研究

采用有限元分析软件ANSYS对含有凹痕缺陷的管道应力分布进行了研究,建立了压力管道有限元模型.研究基于VON M ISES准则,分析了凹痕对管道应力值的影响。本文结合现场实际对数学模拟进行了数值计算,在不考虑管道运行范围的前提下,研究了凹痕对压力管道的疲劳寿命影响的主要因素,并对施工及管理现场提供理论指导及解决方案。     

Ⅱ型凹痕管道的有限元计算及其强度分析

管道上的凹痕缺陷是影响管道强度的重要因素之一。国际上通用的管道设计标准普遍采用凹痕深度对管道凹痕是否需要修复进行评估,但是,许多满足标准要求的凹痕仍会失效。因此还需要深入分析更多参数与凹痕管道强度的关系。针对管道上的Ⅱ型典型凹痕缺陷,建立不同情况下的有限元模型;对大量计算结果进行整理、归纳并绘图,在此基础上,对结果进行单因素和多因素分析;采用非线性回归分析方法对计算结果进行分析,经过大量的计算和类比,得到具有一定适用范围下凹痕管道最大应力与凹痕深度、管径、壁厚以及凹痕纵向长度之间的关系表达式。     

管道含外表面裂纹时的疲劳寿命预测研究

为有效预测含外表面裂纹管道的疲劳裂纹扩展寿命,基于扩展有限元方法,计算了不同管道半径厚度比、裂纹形状参数、裂纹相对深度下的管道外表面裂纹的应力强度因子。研究结果表明:管道外表面裂纹形状因子随裂纹相对深度的增加而增大,且随着裂纹形状参数的增大,其增加趋势更加显著;裂纹相对深度相同时,裂纹形状参数越大,裂纹形状因子越大;管道半径厚度比对管道外表面半椭圆裂纹形状因子的影响较小。在此基础上,建立了管道外表面裂纹应力强度因子的工程计算模型及基于Forman方程的含外表面裂纹管道的疲劳寿命预测模型。同时,开展了0Cr18Ni10Ti材料管道的三点弯曲疲劳试验,试验结果验证了所建含外表面裂纹管道疲劳寿命预测模型的有效性。该疲劳寿命预测模型可为管道结构工程设计提供参考。     

含双裂纹缺陷海底管道疲劳寿命的分析

裂纹缺陷是制约海底油气管道正常运行的关键因素,裂纹会引起管道运行期间的泄漏、断裂,双裂纹共同作用对管道的破坏更为严重。该文研究了含双裂纹缺陷管道的疲劳寿命变化规律,计算了裂纹与管道轴线夹角的变化,双裂纹之间夹角和距离变化对管道疲劳寿命的影响,并对其进行敏感性分析。结果表明,双裂纹之间夹角和距离固定,疲劳寿命随着裂纹与管道轴线夹角的增加而降低,但是变化率逐渐增加;裂纹与管道轴线夹角固定,双裂纹之间夹角和距离变化时,疲劳寿命曲线会出现多个极值点,极小值多出现在夹角为90°时。分析结果可以为海洋工程的实际情况提供参考。     

油气管道多凹痕缺陷相互作用有限元分析

文章系统分析了同类凹痕缺陷同轴分布情况下,缺陷深度与油气管道壁厚之比从20%变化至80%条件下最大凹痕作用间距问题。结合现场机械损伤的具体情况,利用有限元分析软件ANSYS100,同时以现场试验数据为基础,分析了相邻凹痕在不同间距下的相互作用情况及对油气管道应力分布的影响规律。突破了传统油气管道安全可靠性评价中,缺乏考虑缺陷深度、缺陷长度和操作压力等多因素影响下多缺陷间相互作用的情况。     

X65钢级海洋管道全尺寸疲劳性能试验研究

文章针对X65钢级海洋管道,综合考虑焊接残余应力、应力集中、焊接初始缺陷、管道停输及内部介质压力波动等多因素影响,在国内首次开展了管道四点弯曲+内压联合的全尺寸疲劳试验研究。通过管道全尺寸疲劳性能试验,得到不同规格管道在不同应力幅下的疲劳循环次数,而后依据国际通用的标准规范BS 7608与DNV C203对全尺寸疲劳试验结果进行了量化的评定分析。该研究不仅有利于积累海洋管道全尺寸疲劳性能试验数据,且可为评价海洋管道后续的全尺寸疲劳试验寿命及服役期间的安全运行周期提供定量依据。     

基于断裂力学的海洋管道焊接接头疲劳寿命计算

在复杂的海洋环境中,海洋管道焊接接头是管道结构中容易发生疲劳失效的薄弱环节,对焊接接头的疲劳寿命进行预先计算和评估关乎整个管道系统的安全性和经济性。应用断裂力学方法分析了海洋管道焊接接头疲劳失效的规律,根据疲劳裂纹形成机理,推导出了疲劳裂纹扩展的萌生阶段、稳定扩展阶段的疲劳寿命数学计算表达式,进而计算出焊接接头的疲劳寿命。以X65海洋管道为例,对其进行了全尺寸疲劳寿命试验,并通过理论公式和试验结果相结合,得到了不同应力水平下海洋管道焊接接头疲劳寿命计算式。通过验证得出公式能够较准确得出疲劳寿命值,且能很好地预测X65海洋管道焊接接头疲劳寿命。为海洋管道焊接接头疲劳寿命判断提供了理论基础,同时为海洋管道焊接接头的检修工程安排提供了时间参考。     

海洋立管涡激振动与疲劳寿命影响因素分析

大尺寸的立管涡激振动三维数值模拟的代价大,计算效率低,为此,采用一种基于弹簧-质量模型的等效二维模型,通过二维数值模拟求解三维问题中管道的振幅和频率,进而对立管疲劳寿命的影响因素进行分析。二维模型中,应用弹簧-质量模型,利用胡克定律和简支梁的挠度方程对弹性系数进行推导;数值模拟中,利用ANSYS软件对流体与结构进行耦合求解,对不同海流流速、管长、壁厚条件下的立管中点的振幅和频率进行计算;基于Miner疲劳损伤累积理论和S-N曲线对立管疲劳寿命进行计算,对疲劳寿命的影响因素进行分析。分析结果表明,在2.5×10~4≤Re≤2.5×10~5范围内,随着海洋流速的增加,立管振幅和频率增大,疲劳寿命缩短;随着立管长度的增加,振幅增大,疲劳寿命缩短;随着管道壁厚增加,立管振幅减小,疲劳寿命延长。研究结果可为立管的疲劳寿命预测与抑振设计提供指导。     

原油顺序输送管道寿命的分析研究

分析了冷热油顺序输送工艺中冷热油交替、管道停启、压力波动对管道产生的交变应力。针对原油顺序输送埋地直管道的嵌固段,采用名义应力法和累计损伤理论进行管道疲劳寿命分析,得出埋地直管道交变热应力对管道寿命的影响较小,停启对管道寿命影响较大。采用名义应力法进行顺序输送管道寿命分析应做好3项工作:(1)实测管道的载荷谱,找出年周期内的管道应力变化规律;(2)对现有新型管材做疲劳试验,总结出比较准确的管材S-N曲线;(3)找出管道腐蚀和管道初始裂纹在管道交变应力作用下对管道寿命的影响规律。     

深水混合立管基础跨接管设计中的关键问题

总结了立管基础跨接管设计需要考虑的关键问题,包括几何形状、静态极限强度和疲劳寿命等。研究了静态极限强度的载荷种类、边界条件和校核标准。探讨了立管涡激振动、海底底流涡激振动、段塞流、循环热载荷等对跨接管疲劳寿命的影响。在此基础上,提出了立管基础跨接管优化设计的数学模型。     

凹陷立管的极限强度和疲劳寿命分析

用MSC.Patran建立三维模型,然后用ABAQUS计算立管的极限强度,用MSC.Fatigue进行全寿命分析。计算与分析结果表明:最大凹陷深度的增加使立管的极限强度和疲劳寿命减少;凹陷区域长度的变化对立管极限强度的影响不大,对疲劳寿命的影响较大;增加立管管壁厚度会提高立管的极限强度,但管壁越厚,凹陷损伤对立管极限强度的影响越大;立管在轴向拉伸力和纵向弯矩共同作用下,只要轴向拉伸力在合适的范围内,凹陷对立管极限强度的影响非常小。     

凹陷管道的工程评定方法

提出了用三次样条插值计算管道凹陷轴向和环向轮廓曲线的方法,用此方法可以根据凹陷检测数据计算管道应变,采用基于应变的准则评价管道凹陷。研究表明,在应变小于9%时,计算结果与有限元数值结果吻合较好,可以满足工程评定要求。根据计算结果,建议在利用管道变形检测数据计算应变时,管道凹陷的计算长度取1/2凹陷深度对应的长度。对不同深度管道凹陷的评价结果表明,只考虑深度的评价是不合适的,应结合基于应变和基于深度的两种标准评价管道凹陷。     

基于损伤力学的HL级抽油杆疲劳分析研究

抽油杆在使用过程中受到损伤会对其安全性能造成影响。为分析损伤对HL级抽油杆安全性能的影响程度,根据损伤力学原理建立了抽油杆疲劳损伤演化模型,采用有效应力法与ANSYS有限元软件,对裂纹损伤、蚀坑损伤和偏磨损伤3种损伤形式下HL级抽油杆的剩余疲劳寿命进行了数值模拟。通过正交试验分析了3种损伤形式下深度、宽度、角度等影响因素对HL级抽油杆剩余疲劳寿命的影响,并利用多元回归方法得到了疲劳寿命与影响因素的关系式。模拟结果表明,3种损伤形式下影响抽油杆疲劳寿命的因素,按影响程度高低排列:裂纹损伤,依次为裂纹的位置、角度、深度和宽度;蚀坑损伤,依次为蚀坑的位置、深度和半径;偏磨损伤,依次为偏磨的位置、深度和长度。3种损伤形式下HL级抽油杆疲劳寿命与影响因素回归关系式的调整决定系数分别为82.0%、94.0%和90.9%。研究结果表明:损伤位置对HL级抽油杆疲劳寿命的影响极其显著;裂纹深度、角度,蚀坑深度和半径及偏磨深度的影响显著;裂纹宽度也有一定影响。3种损伤形式下HL级抽油杆疲劳寿命与影响因素的回归关系式,可为判断HL级抽油杆的剩余寿命提供依据。      

海底管道的疲劳寿命分析

分析了影响裂纹扩展寿命的多个随机因素,推导了海底管线裂纹疲劳寿命计算公式。考虑了管跨所承受栽荷、裂纹尺寸、材料断裂韧性等参数,使用Monte Carlo法疲劳寿命模型对海底管道进行疲劳寿命可靠性计算.比较了不同裂纹尺寸对疲劳寿命的影响,编写了计算机应用程序,算例表明它在疲劳寿命的可靠性估计中的应用及其工程意义。     

HFW钢管焊缝疲劳特性与疲劳寿命预测方法研究

受停输启用和供需变动的影响,油气管道的输送压力会发生周期性的变化,疲劳失效问题异常突出.特别是对于含有裂纹缺陷的管道,在疲劳载荷的作用下,若管道的应力强度因子幅超过疲劳裂纹扩展门槛值,裂纹就会发生疲劳扩展.当裂纹扩展到一定程度,超过管道运行压力下所能承受的临界缺陷极限尺寸,管道就会发生疲劳失效,从而影响到管道的使用寿命...     

缺陷管道疲劳寿命预测新模型及试验验证

传统的韧性控制单参数疲劳寿命预测方法不适用于高韧性管线钢的疲劳寿命预测。鉴 于此,根据Paris疲劳裂纹扩展速率公式da/dN=c(ΔK)n,基于失效评估图(FAD)技术,同时 考虑疲劳裂纹扩展对裂纹尖端应力强度因子和参考应力的影响,建立了对管道疲劳寿命进行预测 的新模型,并通过自行研制的一套用于油气输送管道全尺寸实物疲劳试验系统做了验证。结果表 明:新模型计算结果为试验结果的1/2左右,从疲劳寿命预测角度是完全可接受的,具有一定的 工程安全性。     

油气管道疲劳寿命预测

基于前人对管道疲劳寿命的研究，参考国内外文献，提出了在Paris公式的基础上考虑了管道的运行载荷比，并将其运用到某油气管道的疲劳寿命预测中。计算结果表明，管道的运行载荷比是影响疲劳寿命预测的一个主要原因。同时，该结果可以给管道检测、检修及更换提供依据。     

影响膨胀节疲劳寿命因素的统计分析

运用统计学的方法对影响膨胀节疲劳寿命的因素进行了分析和研究，证实了ＥＪＭ标准对多层膨胀节的应力计算，对非轴向位移的当量化处理以及对压力应力的影响系数方法都是恰当的。热处理对疲劳寿命无显著影响。指出了单波和多波膨胀节采用一个疲劳寿命预测公式是恰当的。     

西气东输二线X80钢管焊缝疲劳寿命分析

输气管道运行过程中,输气量的变化会导致管道承受一定的波动压力,造成管道发生疲劳损伤,从而威胁管道的安全。通常在管材疲劳寿命测试和分析中尚未考虑置信度和安全概率的要求,不能完全满足管道可靠性评估的需要。为此,通过对管道焊缝材料进行疲劳实验,采用单边容限分析方法,同时考虑安全概率和置信度要求,建立了不同安全概率下西气东输二线X80钢管焊缝的疲劳寿命曲线;根据管道输气量不均匀系数,建立了管道的应力谱;在此基础上利用损伤累计原理评估了西气东输二线管道焊缝疲劳可靠性寿命。计算结果表明,在设计寿命周期内,西气东输二线管道不会发生疲劳破坏。该方法可以为管道疲劳寿命分析和可靠性评估提供依据,具有一定的工程应用价值。