基于ABAQUS的管道外壁点蚀引起的应力分析

基于ABAQUS的管道外壁点蚀引起的应力分析摘要：本文通过对在外壁分布有不同尺寸的半球形点蚀的管道引起的应力集中进行了有限元分析和计算。通过对输出的Mises应力进行分析，发现外壁上的半球形点蚀及其附近区域存在着Mises应力集中区，这个应力集中区主要沿着轴向力方向分布在点蚀嘴以及点蚀坑内，它的形状与点蚀半径无关。此外，还发现在点蚀坑最深处的Mises应力最大。此处最有利于裂纹萌生，对于管道安全的影响最大。并且存在某一临界尺寸，当点蚀半径小于该临界尺寸时，外壁点蚀引起的最大Mises应力值随着半径的增加而迅速增大，当点蚀半径大于某一临界值后，外壁点蚀引起的最大Mises应力趋向饱和。关键词：管道；点蚀；应力;有限元；中图分类号：TB301文献标识码：A1引言管道运输是一种以管道输送流体货物(通常是液体和气体)的运输方式。管道运输具有运量大、不受气候和地面其他因素限制、可连续作业以及成本低、安全性高等优点，因此管道运输在我国已成为继公路、铁路、航空、水路运输之后的第五大运输行业。管道运输在各行各业中都得到了广泛的应用，比如石油、化工、电厂、自来水、核电站、建筑等行业都少不了管道运输[1-3]。管道通常是埋在地下或在大气中进行使用。土壤和大气中都存在着腐蚀性介质，再加上管道所使用的材料通常为钢铁。因此管道外壁容易发生电化学腐蚀[4]。通常在管道外壁采取一定的防腐措施，比如涂层、阴极保护等[5]，然而很多工程实践证明这些方法并不总是有效，尤其是在长期使用或更苛刻条件下使用的情况。我国每年因腐蚀造成报废的管道、阀门等构件数量可观。这不仅带来巨大的金属资源的浪费，还给生产生活带来很大的影响。管道外壁的腐蚀形式通常有均匀腐蚀和局部腐蚀两类。均匀腐蚀是整个管道表面腐蚀速率比较均匀，一般危险性较小。局部腐蚀是腐蚀仅局限于一定区域内，或者一定区域内的腐蚀速率远大于其他区域的情况。具体而言，局部腐蚀又可分为点蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、缝隙腐蚀等[6]。点蚀是在金属管道某些部分，因腐蚀而出现小而深的孔。为了提高输送效率，通常管道中的液体是在一定压力下工作，再加上管道外壁有土壤重力的作用，因此在这些外力的作用下，点蚀坑会形成应力集中，当点蚀坑造成的应力集中超过某一极限值时，有可能在点蚀坑处萌生裂纹，从而对管道安全造成巨大的危害。因此点蚀坑造成应力集中的计算对于判断管道安全具有重大的意义，而有限元在计算含有缺陷体的应力分布方面具有很大的优势[7-8]，因此本文借助于ABAQUS有限元软件对管道外壁点蚀造成的应力集中进行了初步计算与分析。2.有限元模拟分析2.1创建部件在ABAQUSCAE前处理软件中构建了在外壁具有单个半球体点蚀的管道三维实体模型。点蚀半径分别为1mm，2mm,3mm,4mm,5mm,6mm。点蚀的深度与半径相等。管道三维实体模型的外径为260mm，壁厚为8mm，轴向长度为150mm。由于管道具有对称性，因此只创建一半的管道。2.2创建材料属性由于管道的材料通常为钢铁，因此在本次有限元模拟分析采用线弹性钢铁材料模型，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。2.3定义边界条件和载荷边界和载荷条件如图1所示。由于管道具有对称性，因此，边界条件为在径向为固定两个方向(X、Z方向)的自由度，而Y方向为自由方向；在轴向则固定X、Y方向，而Z方向为自由方向。加载情况为：内表面施加4MPa的均匀载荷，轴向施加29.5MPa的拉伸载荷。2.4网格划分为了提高计算精度，在点蚀附近采用细网格划分。同时为了节省计算时间，在其余区域采用粗网格划分。整体和局部网格划分如图2所示，网格总数约为11000个。2.5后处理因Mises应力在工程上应用广泛，因此本次有限元模拟仅输出Mises应力。3.结果分析和讨论有限元模拟得到的典型点蚀及其附近区域的Mises应力云纹图如图3所示。图3外点蚀局部区域的Mises应力云纹图,(a)半径为1mm的点蚀坑，(b)半径为6mm的点蚀坑由图3可见，Mises应力集中区的形状与点蚀半径无关。其主要沿着轴向力方向分布在点蚀嘴以及点蚀坑内。半径为6mm的外点蚀坑沿着环向路径的Mises应力分布如图4(a)所示，最大Mises应力与点蚀半径之间的关系如图4(b)所示。图4(a)半径为6mm的外点蚀坑沿着环向路径的Mises应力分布，(b)最大Mises应力与点蚀半径之间的关系由图4(a)可见，当点蚀坑半径为6mm时，在点蚀嘴处(A、B点)的Mises应力为60MPa，约为轴向应力的两倍，是径向应力的15倍。此后，随着从点蚀嘴处到点蚀坑最深处距离的增加，应力值是先减小后增加，并且在点蚀坑内最深处的Mises应力最大，约为150MPa，约为轴向应力的5倍，是径向应力的37倍。可见，对于管道而言，外壁上的点蚀坑造成了极大的应力集中，尤其是点蚀坑最深处的应力集中最为明显。点蚀坑最深处有如此显著的应力集中，则对于管道后续使用非常不利。当点蚀坑最深处的Mises应力值超过一定极度时，就有可能萌生裂纹，造成管道的剩余强度和寿命的下降。其余半径(1mm,2mm,3mm,4mm,5mm)的管道半壁的点蚀坑造成的应力分布情况和半径为6mm的点蚀坑相类似。点蚀坑及其附近的最大应力都分布在点蚀坑的最深处。仅仅最大应力值与半径有关。具体关系如图4(b)所示。由图4(b)可见，当点蚀半径小于4mm时，外壁点蚀引起的最大Mises应力值随着半径的增加而迅速增大，当点蚀半径大于4mm后，一直到6mm，外壁点蚀引起的最大Mises应力趋向饱和，饱和值约为160MPa。以上只是初步的模拟计算结果，而实际中点蚀坑的形状各异，除了有圆形点蚀坑处，还有椭圆形点蚀坑，此外，不仅在管道外壁上有点蚀坑，事实上，在管道内壁上也会出现点蚀坑。因此只有经过大量的有限元模拟和相应的实验，才能得到管道内、外壁点蚀对管道安全的评价规范。4.结论本文通过对在外壁分布有不同尺寸的半球形点蚀的管道引起的应力集中进行了有限元分析和计算，得到如下结论：1.在点蚀坑附近分布着Mises应力集中区，它的形状与点蚀半径无关。主要沿着轴向力方向分布在点蚀嘴以及点蚀坑内。2.在点蚀坑及其附近区域Mises应力集中程度不同，在点蚀坑内最深处的Mises应力最大。此处最有利于裂纹萌生，对于管道安全的影响最大。3.当点蚀半径比较小时，外壁点蚀引起的最大Mises应力值随着半径的增加而迅速增大，当点蚀半径大于某一临界值后，外壁点蚀引起的最大Mises应力趋向饱和。注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。