摘 要

本文借助ANSYS有限元分析软件针对含体积型缺陷的油气管道进行热应力分析来模拟实际情况下的管道条件，本文中选取含表面不完全破坏近似椭圆形缺陷管道为研究对象来建立模型，分别考虑不同温度、内压及缺陷尺寸（长度、宽度、深度）条件下管道的应力分布情况，并根据所得结果依照管道材料属性对管道进行剩余寿命的评估，判断其是否失效。

研究结果表明：管道体积型缺陷的存在对管道应力分布有明显的影响，其中温度条件、内压条件、缺陷深度、缺陷长度与管道最大等效热应力成正相关关系，而缺陷宽度与管道最大等效热应力成负相关关系。同时举出一缺陷管道工程实例，依照国内外现有的评价管道剩余强度的方法对该实例做出分析，并与本文的ANSYS有限元分析方法作比较，最后得出，本文中对管道的剩余寿命评估的方法是可行的，对于管道安全评估具有十分重要的意义。

关键词：油气管道；体积型缺陷；应力；剩余强度；有限元

Abstract

In this paper, I simulate the volume defects of oil and gas pipelines in thermal stress analysis to simulate the actual situation of pipeline condition with the help of ANSYS finite element analysis software. This article choose surface which isn't completely destroyed and the approximate elliptic defect pipe as the research object to establish the model, considering different temperature, inner pressure and defect size (length, width, depth) under the condition of stress distribution of the pipeline, and according to the results obtained in accordance with the piping material properties of pipeline residual life evaluation, whether its failure.

The results show that the pipe type volume defects exist has obvious influence on pipeline stress distribution, the temperature condition, internal pressure condition, defect depth and defect length are positively correlated with the maximum equivalent thermal stress, and defect width and the maximum equivalent thermal stress negative correlation relationship. One important flaw pipeline engineering instance at the same time, in accordance with the existing method of evaluation of pipeline residual strength both at home and abroad on the instance analysis, and comparing with the ANSYS finite element analysis method, finally it is concluded that, the method of this article to the pipeline residual life assessment is feasible, and it is of great significance to the pipeline safety assessment.

Key Words: oil and gas pipeline；Volume defect；stress；residual intensity；finite element

目 录

第一章 绪论 - 1 -

1.1 研究背景 - 1 -

1.2 研究现状 - 2 -

1.3 本文的研究内容 - 3 -

1.4 本章小结 - 3 -

第二章 适用性评价概论 - 4 -

2.1 剩余强度评价 - 4 -

2.2 剩余寿命评价 - 5 -

2.3 本章小结 - 5 -

第三章 含体积缺陷管道热-应力模型的建立 - 7 -

3.1 ANSYS有限元方法简介 - 7 -

3.2 管道模型参数 - 7 -

3.2.1 管材参数选择 - 7 -

3.2.2 缺陷参数确定 - 8 -

3.2.3 温度载荷的计算及确定 - 8 -

3.3 ANSYS建立缺陷管道模型 - 9 -

3.3.1 绘制管道模型 - 9 -

3.3.2 绘制缺陷 - 9 -

3.3.3 管道网格划分 - 10 -

3.4管道温度条件加载 - 11 -

3.5 管道内部压力条件加载 - 13 -

3.6 本章小结 - 15 -

第四章 含体积缺陷管道热应力剩余寿命分析 - 16 -

4.1温度参数对管道缺陷的影响及规律 - 16 -

4.2不同缺陷几何尺寸对管道缺陷的影响及规律 - 18 -

4.2.1 改变缺陷的长度 - 18 -

4.2.2 改变缺陷的宽度 - 19 -

4.2.3 改变缺陷的深度 - 21 -

4.2.4 缺陷尺寸对管道剩余强度影响分析 - 23 -

4.3内压力参数对管道缺陷的影响及规律 - 24 -

4.4 本章小结 - 25 -

第五章 含体积型缺陷管道剩余强度评价方法 - 27 -

5.1 剩余强度评价方法简介 - 27 -

5.2 ANSI/ASME -B 31G标准评价法 - 27 -

5.3 DNV RP-F 101标准评价法 - 28 -

5.4 SY/T 6151-2009标准评价法 - 29 -

5.5 APIRP 579- 2000标准评价法 - 29 -

5.6 工程实例分析 - 29 -

第六章 结论与展望 - 31 -

6.1结论 - 31 -

6.2 展望 - 31 -

参考文献 - 33 -

致谢 - 34 -

第一章 绪论

1.1 研究背景

在当今，随着工业的发展以及人类生活中的需求，石油、天然气资源的利用和开发已经越来越广泛，并得到了足够的重视，使得石油工业和能源工业行业都得到了迅猛的发展，由此也给管道运输行业带来了积极蓬勃的发展^[1]。管道运输作为新型运输方式，与传统的公路、铁路、水运运输方式相比，其有着独特的方面和突出的优越性，这些优势使得管道输送这一方式逐渐取代其他方式，并逐渐成为产品输送的最佳方式。通过比较可以得出管道运输方式优点有：（1）管道运输输送量非常大，需要的转运换装环节较少，运输过程的连续性更强；（2）管道运输在与其它方式相比而言，其占用的土地更少。在管道运行过程，对于地面上的建筑施工条件和人员的活动几乎不会产生任何影响；（3）现以石油的运输作为例子,管道运输、水路运输、铁路运输、公路运输的运输成本之比可以表示为1:1.2:1.7:17.5,由此看出管道运输的成本相对低得多；（4）管道运输不仅消耗能量少,而且效益还十分好。经过理论和实践的证明,当管道管径和传送距离都增加时,运载量越大,此时耗能会随之减少，进而也证明了运输成本低的特性^[2]。

近年来，油气输送管道的长度逐步在增加，这就使得油气管道在制造以及安装过程中都有可能会产生各种缺陷^[3]。另外，随着油气管道使用时间的增长，管线中会存在各式各样的不同潜在危险，从而进入到事故的多发期，因此油气管道要定期进行检查、维修及更换，以免发生危险事故。油气管道事故发生的原因有很多，其中管道在制作、安装和使用中都有可能会产生各种形式的缺陷，分为平面型缺陷和体积型缺陷两大类。其中，平面型缺陷主要包括有裂纹、存在尖锐夹角的分层等等，体积型缺陷主要包括有腐蚀坑、划槽、局部减薄以及外力造成的凹坑等形式^[4]。