摘 要

近十年来，我国天然气行业进入高速发展阶段，尤其是西气东输主体工程的完成，国内天然气的运输量迅猛提升，整个行业对输气管道各方面的性能要求也随之提高。高强钢管道具备有屈服强度高，管径大，管壁薄，耐腐蚀等特点，因此已经逐步取代普通级钢材管道，成为世界主要的输气建设管道。由于高强钢管道的运行压力高，加上相对普通钢管更薄的管壁，管道内部细小的体积缺陷对管道的安全运行和剩余寿命的影响不可忽视。目前，国内外高强钢管道剩余寿命的评估仍然比较片面，大多忽略了管内高压流体的流动。所以考虑管内流动作用下，分析管内体积型缺陷对高强钢管道剩余寿命的影响有着非常重要的作用和指导意义。

本论文结合现有的理论研究成果，在考虑管内流动的情况下，分析管内体积型缺陷处的应力集中情况，对含体积型缺陷的高强钢管道剩余强度进行评价，为高强钢长输管道重点位置的内体积型缺陷强度评价提供理论指导与技术支持。论文的主要内容分为以下几个方面:

首先，本论文介绍了关于含体积型缺陷管道剩余寿命评估的研究背景和近些年来国内外的相关研究成果，分析不同研究的特点，总结出几个比较有代表性的理论与评估方法。提出现有研究的不足，阐明本论文在现有文献结果上的创新之处，即考虑到管道流动存在的情况下的缺陷应力分析。

其次，本论文选取了陕京输气管道二线的某管段作为三维建模的实例，该管段采用标号为X70的高强钢输气管道。采用软件模拟仿真的方法，逐步说明运用ANSYS建模和分析计算的主要操作。探究考虑管内流动情况下管道缺陷的深度、长度和宽度对管道剩余强度的影响。通过图表的方式具体展示分析的过程和本论文最终得到的分析数据和结果。

最后，根据不同缺陷参数对于高强钢管道剩余寿命的影响，分析比较高强钢管到在不同缺陷参数存在下失效方式的差异，并结合现有的管道剩余寿命评价方法，为管道的实际运营提出理论指导。

关键词：高强钢；ANSYS；有限元；流固耦合；剩余强度评价

Abstract

Over the past decade, China's natural gas industry has entered a stage of rapid development, especially the completion of the main destruction of west-east national gas transmission project, the transport volume of the rapid increase of domestic gas, the pipeline industry in all aspects of performance increases. High-strength steel pipe with high yield strength, large diameter, thin wall, corrosion resistance and other characteristics, and therefore has gradually replaced the normal grade steel pipes, to become the world's major gas pipeline. Since the operating pressure of the high-strength steel pipe is high, coupled with relatively thinner ordinary steel pipe wall, effects of small volume defects in the internal pipeline to safe operation of pipelines residual life can not be ignored. At present, domestic and foreign high-strength steel pipe assess the remaining life is still relatively one-sided, largely ignored the high-pressure fluid flow within the pipe. So consider pipe flow under the effect of the impact analysis within the cylinder volume type defects remaining life of high-strength steel pipe has a very important role and significance.

This paper combine with the existing theoretical research results, in consideration of pipe flow situation, stress concentration in the analysis tube volumetric defect and evaluating containing volumetric defects of high-strength steel pipe strength residual strength, to provide theoretical guidance and technical support to high-strength steel pipeline key positions within the volumetric defect strength evaluation. The main contents are divided into the following areas:

First, this paper introduces the background in recent years on related research including volumetric defects of remaining life assessment of high-strength steel at home and abroad, and analyzes the characteristics of different studies, summed up a few more representative of the theoretical model. Presenting insufficiency of existing researches, innovation of this paper is to clarify that consideration of a defect in the pipe flow in case of stress analysis.

Secondly, this paper chooses a pipe of Shaanxi-Beijing Gas Pipeline tier as a three-dimensional modeling example, the pipe section with reference to the X70 high-strength steel gas pipeline. This paper uses software to introduce major operations of ANSYS modeling and calculations. Explore how the length, depth and width of defects affect the residual strength of pipeline. Specific analysis process shows by way of charts and present paper resulting analytical data and results.

Finally, depending on the defect parameters for high-strength steel pipe remaining life impact, comparative analysis of high-strength steel pipe difference failure mode in the presence of different defect parameters, combined with the existing evaluation methods of the pipeline remaining life, proposed theoretical guidance for the actual operation of the pipeline.

Key Words: high-strength steel; ANSYS; Finite element method; Fluid-Structure coupling; residual strength evaluation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 高强钢管道的定义 1

1.3 管道剩余寿命评估的国内外研究现状及分析 2

1.3.1 常用管道剩余强度评估方法 2

1.3.2 目前研究中存在的不足 3

1.4 论文的主要研究内容 3

1.5 本章小结 3

第2章 工程弹塑性力学与腐蚀缺陷理论简介 5

2.1 工程弹塑性力学理论基础 5

2.1.1 弹塑性力学简介 5

2.1.2 受内压作用的薄壁管道 5

2.2 腐蚀缺陷理论简介 7

2.2.1 腐蚀缺陷的类型 7

2.2.2 腐蚀缺陷面积的近似求解方法 8

2.3 本章小结 8

第3章 含体积型缺陷管道建模与流固耦合分析 10

3.1 ANSYS Workbench 15.0简介 10

3.2 有限元方法简介 10

3.3 ANSYS软件建模 10

3.4 流体网格划分 13

3.4.1 网格划分简介 13

3.4.2 流体网格划分 13

3.5 流固耦合控制方程 15

3.5.1 流体控制方程 15

3.5.2 固体控制方程 16

3.6 流体参数设定与流体计算分析 16

3.7 固体管道应力加载 17

3.7.1 基本假定 17

3.7.2 管道网格划分 17

3.7.3 设定固定约束 18

3.7.4 加载流体应力 19

3.8 本章小结 20

第4章 流固耦合下含体积型缺陷管道剩余强度评估分析 21

4.1 腐蚀缺陷特征参数对输气管道剩余强度分析 21

4.1.1 腐蚀缺陷深度对输气管道剩余强度影响 21

4.1.2 腐蚀缺陷宽度对输气管道剩余强度影响 23

4.1.3 腐蚀缺陷长度对输气管道剩余强度影响 24

4.1.4 缺陷参数对含腐蚀缺陷管道剩余强度影响分析对比 26

4.2 管道内气体流动对输气管道剩余强度分析 27

4.3 管内气体流动速度对输气管道剩余强度分析 28

4.4 管道内压对输气管道剩余强度分析 30

4.5 含体积型缺陷管道剩余强度计算模块 31

4.6 本章小结 33

第5章 含体积型缺陷管道剩余寿命评价方法 34

5.1 含体积型缺陷管道剩余寿命评价标准 34

5.1.1 ASME B31G标准评价方法 34

5.1.2 DNV RP-F101评价标准 36

5.1.3 PCORRC方法 37

5.2 评价方法的横向比较分析 37

5.3 工程实例分析与有限元方法正确性验证 37

5.4 本章小结 38

第6章 结论与展望 40

6.1 结论 40

6.2 展望 41

参考文献 42

致谢 44

第1章 绪论

1.1 引言

随着人们对于环保观念认识的提升，最近几年清洁能源概念引起了人们极大地讨论和关注。加之近几年来石油市场的持续低迷和衰退，人们一直在寻找能替代石油的良好燃料。天然气的主要成分是甲烷，而甲烷具有单位热值高，燃烧产物无污染的优点，因此，天然气可以作为替代石油的一种选择。自新中国成立以来，我国对于天然气勘探和开发的脚步逐步加快，同时随着我国天然气消费市场的不断扩大，也为天然气行业的发展创造了美好的前景。2016年是我国“十三五”规划的元年，“十三五”期间天然气在我国一次消费能源中的比例将继续提升^[1]，国家也将继续大力支持和鼓励发展天然气市场，并正在逐步建立完善的配套基础设施。

在我国，管道运输是天然气运输的最主要和最有效的运输方式。随着我国输气量的迅猛增加，整个行业对输气用管线钢材的要求也不断提高。高强钢输气管道因具备耐腐蚀、大口径及耐高压等特点，正在成为我国现有的在役和即将规划建设的燃气运输工程的主力管道。高强钢管道具有口径大、管壁薄的特点，在实际运用中可以减少生产成本，提高管道的安全系数^[2]。然而，随着高强度管线钢在输气管线中的应用日渐广泛，高强钢管道的一些缺点也愈发显著。