西部管道公司

摘要：為了研究內壓作用下管道裂紋應力場分布規律，以含有表面裂紋的X80管道為研究對象，對不同形狀、不同方向、不同內壓、不同尺寸的含裂紋管道進行仿真分析和實驗驗證。結果表明：裂紋尖端處應力遠大于裂紋中心應力。裂紋形狀對應力影響作用較小，隨著裂紋方向與管道軸向夾角增大，裂紋尖端應力先增大后減小，隨著管道內壓、裂紋深度、裂紋長度的增大，裂紋尖端處應力隨之線性增大。其中，裂紋長度對裂紋尖端應力的影響小于管道內壓和裂紋深度。

關鍵詞：內壓載荷；管道裂紋；應力分布

長輸管道在建設施工和運行過程中，由于管材制造缺陷、焊接缺陷、內外部載荷、應力集中及腐蝕缺陷等因素的影響，管道會產生裂紋并擴展[1-5]。裂紋是長輸管道最危險的一種缺陷，也是導致管道失效的主要原因。目前，管道裂紋主要通過內檢測和開挖后的無損檢測確定，其中，超聲裂紋內檢測對于長度25 mm以上，母材中深度1 mm以上或焊縫中深度2 mm以上的裂紋有較好的識別率；漏磁內檢測對開口0.25 mm以上的裂紋有一定的檢出率，但識別和量化[6]較為困難。無損檢測中磁粉、滲透、渦流和射線等檢測方法有較高的檢出識別率。裂紋的產生和擴展會造成管道局部應力集中，容易出現脆斷、疲勞破壞和腐蝕破壞等失效現象，嚴重影響長輸管道的使用性能和可靠性能。本文通過研究管道裂紋的應力場分布規律，分析裂紋形狀、方向及尺寸對裂紋尖端應力的影響，為管道裂紋的預防和管控提供參考。

1 管道裂紋應力分布模型

以含有表面裂紋的高強度管線鋼材X80管道為研究對象。在管道中心部位，模擬一個三維表面裂紋，裂紋長度40 mm、深度4 mm、寬度1 mm，采用ANSYS 軟件建立有限元模型。由于上述研究對象具有嚴格的對稱性，為了減少計算量，加快計算速度，取研究對象的四分之一作為分析模型。所建有限元模型如圖 1所示。仿真時，在模型兩側平面分別施加位移約束，即模型兩側位移為0，施加10 MPa內壓后對仿真結果進行應力云圖查看，裂紋處應力云圖如圖 2所示。從圖 2中可以看出應力的最大值出現在裂紋尖端，提取裂紋處及其附近應力值，如圖 3所示， j為距裂紋尖端的距離。可以看出，沿著裂紋方向，隨著距裂紋尖端的距離不斷增大，應力值越來越小。

2 不同參數對裂紋應力場的影響

2.1 裂紋形狀對應力場的影響

圖4  不同斷面形狀裂紋尖端應力分布

通過ANSYS分別建立橢圓形裂紋和矩形裂紋模型，裂紋尺寸為長30 mm、深3 mm、寬1 mm，施加3 MPa內壓，為增加長徑比，消除端部效應，管道長度設為5 000 mm。對不同斷面形狀裂紋進行仿真得到的應力云圖如圖 4所示。提取各仿真過程中的裂紋尖端應力值見表 1。

由表 1可知，當裂紋深度、長度、寬度一定時，不同形狀的裂紋尖端應力變化不大。

2.2 裂紋方向對應力場的影響

通過ANSYS建立含不同方向裂紋的X80管道應力場模型，管道長5 000 mm，裂紋深3 mm、長3 mm、寬1 mm，管道內壓3 MPa。當裂紋方向不同時，即裂紋與管道軸向方向夾角不斷增大時， X80管道裂紋應力分布如圖 5所示。提取各仿真過程中的裂紋尖端應力值見表 2。

由表 2可知，隨著裂紋方向與管道軸向方向夾角增大，裂紋尖端應力值先增大后減小。相同內壓下，同樣尺寸的周向裂紋尖端應力值遠小于軸向裂紋尖端應力值，約為軸向的一半。

2.3 管道內壓對應力場的影響

保持上述含裂紋X80管道應力場模型不變，改變內壓大小，內壓選值為1～5 MPa，間隔為1 MPa。采用線彈性方法進行仿真，仿真結果應力云圖與3 MPa類似，隨著內壓增大，等效應力分布趨勢一致。提取各仿真過程中的裂紋尖端應力值見表 3。

由表 3可知，隨著管道內壓增大，裂紋尖端應力值隨之線性增大。

2.4 裂紋尺寸對應力場的影響

保持上述含裂紋X80管道應力場模型不變，依次改變裂紋深度和裂紋長度，裂紋深度選值為1～5 mm，間隔為1 mm；裂紋長度選值為20～40 mm，間隔為5 mm。采用線彈性方法進行仿真，隨著裂紋深度和裂紋長度增加，等效應力分布趨勢一致。提取各仿真過程中的裂紋尖端應力值見表 4和表 5。

由表 4和表 5可知，隨著裂紋深度的增加，管道裂紋尖端應力值隨之線性增大；隨著裂紋長度的增加，管道裂紋尖端應力值也隨之線性增大。但裂紋長度對裂紋尖端應力的影響小于管道內壓和裂紋深度。

3 實驗與結果分析

為 驗 證 仿 真 結 果 的 準 確 性 ， 選 取 某 X 8 0 、18.4 mm壁厚的管道上預制長30 mm、寬1.5 mm、深2 mm的矩形槽裂紋，實際加工裂紋中間深、兩邊淺。利用ANSYS建立管道模型，并在管道表面中心處建立同形狀裂紋，仿真數據完全按照真實實驗的管道尺寸及裂紋尺寸設置，如圖 6和圖 7所示。采取貼應變片的方式測量，應變片貼在裂紋尖端部位。記錄0～ 3 MPa升壓過程中的應力換算值，每升壓0.5 MPa，保壓15 min，記錄一次數據。

由表 6可知，仿真數據與實驗數據相比誤差較小，說明仿真結果具有一定的準確性和適用性。

4 結論

（1）含裂紋的X80管道應力的最大值出現在裂紋尖端，并且裂紋尖端處應力遠大于裂紋中心。相同內壓、相同尺寸但形狀不同的裂紋應力分布云圖基本一致。

（2）隨著裂紋方向與管道軸向方向夾角增大，裂紋尖端應力值先增大后減小。相同內壓下，同樣尺寸的周向裂紋尖端應力值遠小于軸向裂紋尖端應力值，約為軸向的一半。

（3）隨著管道內壓、裂紋深度及裂紋長度增大，裂紋尖端應力值隨之線性增大。但裂紋長度對裂紋尖端應力的影響小于管道內壓和裂紋深度。

（4）真實實驗中，含裂紋的X80管道階梯保壓期間采集到的裂紋尖端應力值與仿真值誤差較小，仿真結果具有準確性和適用性。

參考文獻：

[1] 田野.在役管道焊縫缺陷檢測評價技術[J].油氣田地面工程， 2017， 36(09)： 97-99.

[2] 羅寧，劉斌，何璐瑤，陳翠翠，高富超.基于弱磁法的管道裂紋內檢測技術探索[J].石油規劃設計，2019， 30(02)： 11-15.

[3] 賈心怡，馬廷霞，劉維洋.波動載荷下X80管道軸向表面裂紋疲勞擴展研究[J].塑性工程學報，2018， 25(04)： 262-268.

[4] 潘林鋒，孫振國.含裂紋的壓力管道的非概率可靠度研究[J].石油和化工設備， 2017， 0(06)： 28-32.

[5] 牛江,梁瑞,鄭運虎.含裂紋的壓力管道疲勞壽命數值計算[J].甘肅科學學報， 2015， 27(06)： 64-67+78.

[6] 田野，高濤，許光達，丁融.長輸管道漏磁內檢測缺陷識別量化技術研究[J].油氣田地面工程，2018， 37(10)： 51-54+59. 

作者：田野， 1987年生，工程師， 2009年畢業于華中科技大學，自動化專業，現主要從事管道完整性研究工作。