直接电加热过程海底管道热力学特性研究

针对直接电加热引起的海底管道热力学问题,以管道停输工况为例,采用有限元软件ABAQUS建立海底管道稳态传热有限元模型,在此基础上,基于管土相互作用建立海底管道整体有限元模型,开展海底管道整体热应力与热屈曲分析。研究结果表明:在直接电加热过程中,半埋管道的温度略高于悬跨管道;直接电加热会增加管道的整体应力水平,但远小于管道屈服应力;当初始缺陷过大时,管道会在直接电加热过程中产生热屈曲现象。     

含体积型缺陷管道的剩余强度分析

随着油气管道输送技术的进一步发展,对管道的剩余强度分析愈发重要。为研究缺陷参数对管道剩余强度的影响规律,将ABAQUS有限元分析方法与响应曲面法相结合,根据剩余强度有限元分析结果回归出一个精度较高的二次模型,建立了剩余强度与各缺陷参数的关系方程。得出结论:长轴夹角、缺陷深度、缺陷长度三个因素影响效果明显,而缺陷宽度的影响效果较为细微;同时,缺陷长度和缺陷深度、缺陷长度和长轴夹角之间的交互作用影响效果较为显著。     

外表面体积型缺陷对高压管件剩余强度的影响

应用ANSYS软件研究了高压管件在105 MPa内压作用下外表面体积型缺陷的类型、缺陷深度、轴向长度和缺陷宽度等形状参数对高压管件Mises应力的影响规律。研究结果表明,对于矩形缺陷,轴向长度对管件强度的影响较大,轴向长度与最大应力呈二次函数关系;Mises应力随着缺陷宽度的增加逐渐减小,当宽度达到一定值后应力趋于一稳定值,在缺陷深度小于2 mm时,缺陷宽度对缺陷处应力的影响很小,深度大于2 mm时,缺陷宽度对缺陷处应力的影响逐渐增大。缺陷深度是影响管件剩余强度的最重要因素,随着深度的增加,缺陷处Mises应力均明显增加;孔径对缺陷处最大应力的影响规律与孔的深度有关。通过计算给出了缺陷尺寸参数的临界值,为高压管件安全评价提供了参考依据。     

含双腐蚀缺陷高钢级油气管道剩余强度研究

为了加强含双腐蚀缺陷高钢级管道的安全评价,基于塑性失效准则,利用Workbench有限元分析软件对缺陷处的等效应力和剩余强度进行了模拟,考察了缺陷长度、缺陷深度和缺陷间距等参数对剩余强度的影响,利用99%相互作用准则确定极限作用距离,形成双腐蚀缺陷剩余强度评价方法,并进行数据验证。结果表明,随着内压的增加,管道先后经历弹性阶段、屈服阶段和强化阶段;在缺陷深度较深时,轴向间距对缺陷轴向分布时的最大等效应力影响较大,不同环向间距下的最大等效应力几乎不发生变化。当相邻腐蚀轴向间距系数n小于2.5、相邻腐蚀环向间距系数c小于1.26时,需考虑缺陷间的相互作用和影响;修正后公式可用于计算含双点腐蚀缺陷的高等级钢剩余强度,结果较DNV-RP-F101规范更接近有限元分析结果,最大相对误差不超过1.74%。研究结果可为提高管道完整性管理水平提供理论依据和实际参考。     

海底管道腐蚀剩余强度评价方法

海底油气管道在内外环境下会不可避免地造成腐蚀,严重威胁海上生产的安全性。从海底管道腐蚀成因入手,展开对管道腐蚀剩余强度评价方法研究。验证了有限单元法判断管道剩余强度的可靠性,并找出影响管道强度的因素。通过建立海底管道内腐蚀有限元模型,分析了在无外部载荷的环境下均匀腐蚀坑长度、宽度和深度对管道强度影响的大小,以及点蚀的孔径与孔深对管道强度影响的大小。讨论了在内外压联合作用下,海洋拖曳力对腐蚀管道受力的影响以及外部集中载荷下腐蚀管道极限应力。所得结果与ASME B31G、DNV RP-F101、PCORRC方法进行比较,得出了有限元仿真海底管道腐蚀剩余强度评价方法是可靠的,腐蚀深度是影响管道强度的主要因素。     

基于ANSYS Workbench有限元法的外腐蚀管道失效压力研究

为确定管道的服役状况、保证管道安全运行、延长管道总体使用寿命以及科学指导管道安全生产管理,需要对管道剩余强度进行准确评估。借助ANSYS Workbench软件,模拟了含有矩形、球形、圆柱形外腐蚀缺陷管道的等效应力,分析了缺陷尺寸对管道失效压力的影响规律。结果表明,不论管道外腐蚀缺陷形状如何,缺陷深度增加均会明显降低失效压力;矩形外腐蚀缺陷的轴向长度、圆柱形外腐蚀缺陷的长度均与失效压力大小呈负相关;矩形外腐蚀缺陷周向长度、球形外腐蚀缺陷半径均对失效压力影响不明显;圆柱形外腐蚀缺陷的半径与失效压力呈正相关。     

局部内缺陷套管剩余抗扭强度分析

关于含缺陷套管抗扭强度的研究较少,基于弹性失效准则分析缺陷套管强度又较为保守。为此,基于材料塑性破坏准则,运用非线性有限元方法并结合正交试验设计,对局部内缺陷套管剩余抗扭强度进行分析,探究了缺陷长度、宽度、深度、套管外径和径厚比等参数对套管剩余抗扭强度的影响规律。研究结果表明:随缺陷深度增加,抗扭强度呈线性大幅度降低;当缺陷长度小于临界长度时,抗扭强度随长度增加而增大,超过临界长度后,抗扭强度随长度增加而降低;当缺陷宽度小于临界宽度时,抗扭强度随宽度增加而增大,超过临界宽度后,抗扭强度随宽度增加而降低;随套管径厚比增加,无因次抗扭强度近似呈线性减小。缺陷深度是影响抗扭强度最重要的因素,缺陷宽度次之,缺陷长度和套管径厚比有一定的影响,而套管外径的影响可以忽略。在此基础上,拟合了抗扭强度计算公式,公式预测值与有限元分析结果误差较小,可为工程上局部内缺陷套管强度评价提供参考。     

基于超声波检测的管道内缺陷剩余强度研究

利用超声波检测装置对管道内壁的标准缺陷进行检测,将检测结果与标准缺陷的尺寸数据进行对比分析。建立管道内缺陷的三维模型,采用有限元软件ANSYS对其失效压力和等效应力进行研究,分析不同尺寸的缺陷对管道失效压力的影响;同时利用ASME B31G评价准则对缺陷数据进行分析,获得腐蚀缺陷的失效压力和剩余强度。结果表明:超声波检测技术在管道内腐蚀缺陷检测具有可行性与可靠性;当缺陷深度为壁厚的65%以上时,随着缺陷长度的增加,非线性随机有限元预测结果与ASME B31G分析结果比较接近;当缺陷深度约为壁厚的35%时,随着缺陷长度的增加,两者结果相差较大。     

含有单个腐蚀缺陷的海底管道剩余强度评估

在恶劣的海洋环境条件下,海底管道不可避免会发生腐蚀损伤,严重时将引起管道断裂,造成原油泄漏,进而导致严重的环境污染和巨大的经济损失,因此,有必要对管道剩余强度进行评估以保证其安全运营。文章介绍DNV-RP-F101规范中关于含有单个腐蚀缺陷的海底管道剩余强度的评估方法,然后利用该规范中的评估方法对某一运行了37年的在役海底管道进行剩余强度评估,发现许用应力法得到的结果比安全系数法的更保守。     

含腐蚀缺陷海底管道压溃压力计算方法

腐蚀是海底管道最常见的缺陷形式,明确腐蚀缺陷对海底管道压溃压力的影响规律,建立可靠的压溃压力计算方法对评估海底管道的安全运行具有重要意义。考虑几何非线性和材料非线性,建立了含腐蚀缺陷的海底管道数值仿真模型,通过与文献试验数据对比验证了其可靠性。在此基础上,开展了腐蚀参数敏感性分析,得到了腐蚀深度、长度和宽度对海底管道压溃压力的影响规律:腐蚀长度、宽度和深度对海底管道的压溃压力影响效果依次递增,相对于轴向短腐蚀管道,腐蚀深度和腐蚀宽度对长腐蚀管道压溃压力的影响更大。基于敏感性分析和大量数值计算结果,采用非线性回归方法得到了含腐蚀缺陷海底管道压溃压力的计算公式,将该公式计算结果与文献试验结果和现有方法计算结果进行了对比,本文回归公式与试验值的误差小于10%,与现有计算方法的误差小于3%,证明本文回归公式能较为准确地预测含腐蚀缺陷海底管道的压溃压力。相关成果为含腐蚀缺陷海底管道的完整性评价提供了参考。