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摘要：為了研究內(nèi)壓作用下管道裂紋應(yīng)力場分布規(guī)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(nèi)壓、不同尺寸的含裂紋管道進(jìn)行仿真分析和實驗驗證。結(jié)果表明：裂紋尖端處應(yīng)力遠(yuǎn)大于裂紋中心應(yīng)力。裂紋形狀對應(yīng)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(yīng)力先增大后減小，隨著管道內(nèi)壓、裂紋深度、裂紋長度的增大，裂紋尖端處應(yīng)力隨之線性增大。其中，裂紋長度對裂紋尖端應(yīng)力的影響小于管道內(nèi)壓和裂紋深度。

關(guān)鍵詞：內(nèi)壓載荷；管道裂紋；應(yīng)力分布

長輸管道在建設(shè)施工和運行過程中，由于管材制造缺陷、焊接缺陷、內(nèi)外部載荷、應(yīng)力集中及腐蝕缺陷等因素的影響，管道會產(chǎn)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(dǎo)致管道失效的主要原因。目前，管道裂紋主要通過內(nèi)檢測和開挖后的無損檢測確定，其中，超聲裂紋內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生和擴展會造成管道局部應(yīng)力集中，容易出現(xiàn)脆斷、疲勞破壞和腐蝕破壞等失效現(xiàn)象，嚴(yán)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(yīng)力場分布規(guī)律，分析裂紋形狀、方向及尺寸對裂紋尖端應(yīng)力的影響，為管道裂紋的預(yù)防和管控提供參考。

1 管道裂紋應(yīng)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(yán)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(cè)平面分別施加位移約束，即模型兩側(cè)位移為0，施加10 MPa內(nèi)壓后對仿真結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力云圖查看，裂紋處應(yīng)力云圖如圖 2所示。從圖 2中可以看出應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在裂紋尖端，提取裂紋處及其附近應(yīng)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(yīng)力值越來越小。

2 不同參數(shù)對裂紋應(yīng)力場的影響

2.1 裂紋形狀對應(yīng)力場的影響

圖4  不同斷面形狀裂紋尖端應(yīng)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(nèi)壓，為增加長徑比，消除端部效應(yīng)，管道長度設(shè)為5 000 mm。對不同斷面形狀裂紋進(jìn)行仿真得到的應(yīng)力云圖如圖 4所示。提取各仿真過程中的裂紋尖端應(yīng)力值見表 1。

由表 1可知，當(dāng)裂紋深度、長度、寬度一定時，不同形狀的裂紋尖端應(yīng)力變化不大。

2.2 裂紋方向?qū)��?yīng)力場的影響

通過ANSYS建立含不同方向裂紋的X80管道應(yīng)力場模型，管道長5 000 mm，裂紋深3 mm、長3 mm、寬1 mm，管道內(nèi)壓3 MPa。當(dāng)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(yīng)力分布如圖 5所示。提取各仿真過程中的裂紋尖端應(yīng)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(yīng)力值先增大后減小。相同內(nèi)壓下，同樣尺寸的周向裂紋尖端應(yīng)力值遠(yuǎn)小于軸向裂紋尖端應(yīng)力值，約為軸向的一半。

2.3 管道內(nèi)壓對應(yīng)力場的影響

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

由表 3可知，隨著管道內(nèi)壓增大，裂紋尖端應(yīng)力值隨之線性增大。

2.4 裂紋尺寸對應(yīng)力場的影響

保持上述含裂紋X80管道應(yīng)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(jìn)行仿真，隨著裂紋深度和裂紋長度增加，等效應(yīng)力分布趨勢一致。提取各仿真過程中的裂紋尖端應(yīng)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(yīng)力值隨之線性增大；隨著裂紋長度的增加，管道裂紋尖端應(yīng)力值也隨之線性增大。但裂紋長度對裂紋尖端應(yīng)力的影響小于管道內(nèi)壓和裂紋深度。

3 實驗與結(jié)果分析

為 驗 證 仿 真 結(jié) 果 的 準(zhǔn) 確 性 ， 選 取 某 X 8 0 、18.4 mm壁厚的管道上預(yù)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(shù)據(jù)完全按照真實實驗的管道尺寸及裂紋尺寸設(shè)置，如圖 6和圖 7所示。采取貼應(yīng)變片的方式測量，應(yīng)變片貼在裂紋尖端部位。記錄0～ 3 MPa升壓過程中的應(yīng)力換算值，每升壓0.5 MPa，保壓15 min，記錄一次數(shù)據(jù)。

由表 6可知，仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)相比誤差較小，說明仿真結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和適用性。

4 結(jié)論

（1）含裂紋的X80管道應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在裂紋尖端，并且裂紋尖端處應(yīng)力遠(yuǎn)大于裂紋中心。相同內(nèi)壓、相同尺寸但形狀不同的裂紋應(yīng)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(yīng)力值先增大后減小。相同內(nèi)壓下，同樣尺寸的周向裂紋尖端應(yīng)力值遠(yuǎn)小于軸向裂紋尖端應(yīng)力值，約為軸向的一半。

（3）隨著管道內(nèi)壓、裂紋深度及裂紋長度增大，裂紋尖端應(yīng)力值隨之線性增大。但裂紋長度對裂紋尖端應(yīng)力的影響小于管道內(nèi)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(yīng)力值與仿真值誤差較小，仿真結(jié)果具有準(zhǔn)確性和適用性。

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