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在用燃气管道中含缺陷斜接弯管安全性分析
随着埋地管道服役龄期的增加，埋地时间的增长，管道内外腐蚀、外力的作用以及环境等各种因素的影响，原有的埋地管道缺陷与存在的问题将渐渐显露出来，埋地管道的安全状况渐渐发生变化。燃气埋地管道因防腐层破损或防腐措施失效，管道腐蚀引起泄漏酿成事故的状况时有发生。因此，在对城市埋地燃气管道开展必要的检验检测的根底上，采纳有限元及风险评估方法对埋地管道进展安全性分析与评定，以确保城市埋地燃气管道的安全、经济、有效的运行显得非常必要。现针对某城市燃气公司工作人员在对一条公称直径400mm的城区埋地燃气输送主管道进展巡线检查时，检出该管道一弯头处防腐层破损，经开挖去除破损的防腐层预备修复时，发觉防腐层破损处管道已腐蚀的较严峻，打磨去除腐蚀锈层后，管道壁上消失一个长约56mm，宽32mm，最深处达4mm的弧状凹坑。该弯头系采纳钢管现场焊接而成的斜接弯管，如图1所示，缺陷消失在图中A点所示的位置。经查阅该管道原设计图纸及施工资料得到管道特性参数如下：该管道设计压力：0.4MPa；设计温度：-5℃~55℃；管道材质为Q235B；原设计要求该管段安装完毕后作特加强级防腐处理，对接焊口作5%的X射线探伤。依据上述介绍，该公司工程技术人员依据GB50316-2000《工业金属管道设计标准》，取剩余壁厚作该弯管剩余强度校核如下：查得材质Q235B的钢管许用应力[]1=113MPa，取该弯管腐蚀裕度C=1.0mm，故剩余有效壁厚tsc=7-4-1=2mm依据文献[1]多接缝斜接弯管的最大许用内压，应取以下两式中计算的较小值：式中：为管道平均半径；为管道焊接接头系数，局部探伤检验取0.8；为斜接弯管的弯曲半径。最大允许内压力取两计算公式计算结果中的较小值，即最大允许内压力仅为Pm=0.34MPa，明显该值小于原设计压力值0.4MPa。当时该燃气公司考虑到该管道属于供气的主管道，因此打算按常规做法将该弯管予以更换，由于更换弯管的施工造成了较大范围的停气。该弯管仅是局部一处产生凹坑腐蚀，是否就须更换，还能否连续使用。根据应力分类分析，构造壁厚的局部小范围的减薄与匀称减薄产生的应力状况有明显的不同，局部小范围的减薄将引起构造在缺陷周边小范围内的应力集中，从而产生高应力区，但这种应力影响范围很小，其中的峰值应力局部还带有自限性，为了判定在这样状况下构造是否安全，还能否连续使用，为今后在遇到类似状况时做出适当的打算，因此有必要对该弯管壁厚减薄后的应力状况和缺陷对构造强度的影响程度以及构造的安全状况作相关的强度分析和安全性分析。一、弯管强度有限元分析分析90斜接弯管构造，其具有两个对称面，因此对其进展有限元分析时，只需取构造的1/4进展相关分析，对于弯管壁面上腐蚀凹坑采纳弧球面拟合形成，建模时斜接弯管壁厚扣除1mm的腐蚀裕度。应用Ansys构造分析程序，采纳四周体单元，忽视弯管焊缝余高的影响，对于构造中有可能产生应力集中的区域，尤其是腐蚀凹坑及其边缘部位采纳减小单元几何尺寸，加密单元的方法，以提高有限元计算精度，经Ansys构造分析程序划分构造网格，整个模型共形成21291个节点，70759个单元。由于构造的对称性，对对称面上的单元节点进展约束，取对称面法线方向位移为0。在分析构造所受的载荷时，考虑到该管道为埋地管道，且埋深0.8m以上，此时地面温度的变化对其产生的影响很小，且现场实际在离该弯头约80m处有一阀门井，阀门的两侧均装有便于阀门装拆的柔性管接头，其可以较好的释放管道因温差变化引起的热胀冷缩，因此可以认为该弯管所受的弯矩很小，可以忽视不计。故此时构造仅受压力载荷。当构造模型在0.4MPa的设计压力作用下，经有限元法计算得到构造应力分布云纹图(如图2所示)。由图2可见该弯管构造在腐蚀凹坑处消失两处高应力区，其一在腐蚀凹坑缺陷的位置，最大应力强度(VonMises)达21.254MPa，其应力强度分布如图3，由图可清晰的看出该应力强度虽发生在腐蚀凹坑处，壁厚最小的位置，但其应力强度值很小，远小于弯管材料的许用应力值113MPa，根据应力分类原理可知该应力强度值中还包含有因构造局部薄膜不连续产生的带有自限性的峰值应力成分。因此从构造强度角度考虑该构造此时还是非常安全的。另一个高应力区发生在斜接收对接焊缝处，该区域应力强度值相对较小，仅为18.6MPa，从构造分析该处高应力是由构造总体薄膜不连续，在内压力作用下构造变形协调而产生的应力集中。二、含缺陷弯管安全性分析依据缺陷实际状况可以确定该缺陷属于管道体积缺陷，对其进展安全性评定。已知管道外径2Ro=457mm，管道内径2Ri=221.5mm，三、结论从以上的分析可见，该带有腐蚀凹坑的斜接弯管，不管依据有限元法得出应力强度，还是从安全性评定的角度分析该斜接弯管在腐蚀凹坑达4mm时