西部管道公司

摘要：为了研究内压作用下管道裂纹应力场分布规律，以含有表面裂纹的X80管道为研究对象，对不同形状、不同方向、不同内压、不同尺寸的含裂纹管道进行仿真分析和实验验证。结果表明：裂纹尖端处应力远大于裂纹中心应力。裂纹形状对应力影响作用较小，随着裂纹方向与管道轴向夹角增大，裂纹尖端应力先增大后减小，随着管道内压、裂纹深度、裂纹长度的增大，裂纹尖端处应力随之线性增大。其中，裂纹长度对裂纹尖端应力的影响小于管道内压和裂纹深度。

关键词：内压载荷；管道裂纹；应力分布

长输管道在建设施工和运行过程中，由于管材制造缺陷、焊接缺陷、内外部载荷、应力集中及腐蚀缺陷等因素的影响，管道会产生裂纹并扩展[1-5]。裂纹是长输管道最危险的一种缺陷，也是导致管道失效的主要原因。目前，管道裂纹主要通过内检测和开挖后的无损检测确定，其中，超声裂纹内检测对于长度25 mm以上，母材中深度1 mm以上或焊缝中深度2 mm以上的裂纹有较好的识别率；漏磁内检测对开口0.25 mm以上的裂纹有一定的检出率，但识别和量化[6]较为困难。无损检测中磁粉、渗透、涡流和射线等检测方法有较高的检出识别率。裂纹的产生和扩展会造成管道局部应力集中，容易出现脆断、疲劳破坏和腐蚀破坏等失效现象，严重影响长输管道的使用性能和可靠性能。本文通过研究管道裂纹的应力场分布规律，分析裂纹形状、方向及尺寸对裂纹尖端应力的影响，为管道裂纹的预防和管控提供参考。

1 管道裂纹应力分布模型

以含有表面裂纹的高强度管线钢材X80管道为研究对象。在管道中心部位，模拟一个三维表面裂纹，裂纹长度40 mm、深度4 mm、宽度1 mm，采用ANSYS 软件建立有限元模型。由于上述研究对象具有严格的对称性，为了减少计算量，加快计算速度，取研究对象的四分之一作为分析模型。所建有限元模型如图 1所示。仿真时，在模型两侧平面分别施加位移约束，即模型两侧位移为0，施加10 MPa内压后对仿真结果进行应力云图查看，裂纹处应力云图如图 2所示。从图 2中可以看出应力的最大值出现在裂纹尖端，提取裂纹处及其附近应力值，如图 3所示， j为距裂纹尖端的距离。可以看出，沿着裂纹方向，随着距裂纹尖端的距离不断增大，应力值越来越小。

2 不同参数对裂纹应力场的影响

2.1 裂纹形状对应力场的影响

图4  不同断面形状裂纹尖端应力分布

通过ANSYS分别建立椭圆形裂纹和矩形裂纹模型，裂纹尺寸为长30 mm、深3 mm、宽1 mm，施加3 MPa内压，为增加长径比，消除端部效应，管道长度设为5 000 mm。对不同断面形状裂纹进行仿真得到的应力云图如图 4所示。提取各仿真过程中的裂纹尖端应力值见表 1。

由表 1可知，当裂纹深度、长度、宽度一定时，不同形状的裂纹尖端应力变化不大。

2.2 裂纹方向对应力场的影响

通过ANSYS建立含不同方向裂纹的X80管道应力场模型，管道长5 000 mm，裂纹深3 mm、长3 mm、宽1 mm，管道内压3 MPa。当裂纹方向不同时，即裂纹与管道轴向方向夹角不断增大时， X80管道裂纹应力分布如图 5所示。提取各仿真过程中的裂纹尖端应力值见表 2。

由表 2可知，随着裂纹方向与管道轴向方向夹角增大，裂纹尖端应力值先增大后减小。相同内压下，同样尺寸的周向裂纹尖端应力值远小于轴向裂纹尖端应力值，约为轴向的一半。

2.3 管道内压对应力场的影响

保持上述含裂纹X80管道应力场模型不变，改变内压大小，内压选值为1～5 MPa，间隔为1 MPa。采用线弹性方法进行仿真，仿真结果应力云图与3 MPa类似，随着内压增大，等效应力分布趋势一致。提取各仿真过程中的裂纹尖端应力值见表 3。

由表 3可知，随着管道内压增大，裂纹尖端应力值随之线性增大。

2.4 裂纹尺寸对应力场的影响

保持上述含裂纹X80管道应力场模型不变，依次改变裂纹深度和裂纹长度，裂纹深度选值为1～5 mm，间隔为1 mm；裂纹长度选值为20～40 mm，间隔为5 mm。采用线弹性方法进行仿真，随着裂纹深度和裂纹长度增加，等效应力分布趋势一致。提取各仿真过程中的裂纹尖端应力值见表 4和表 5。

由表 4和表 5可知，随着裂纹深度的增加，管道裂纹尖端应力值随之线性增大；随着裂纹长度的增加，管道裂纹尖端应力值也随之线性增大。但裂纹长度对裂纹尖端应力的影响小于管道内压和裂纹深度。

3 实验与结果分析

为 验 证 仿 真 结 果 的 准 确 性 ， 选 取 某 X 8 0 、18.4 mm壁厚的管道上预制长30 mm、宽1.5 mm、深2 mm的矩形槽裂纹，实际加工裂纹中间深、两边浅。利用ANSYS建立管道模型，并在管道表面中心处建立同形状裂纹，仿真数据完全按照真实实验的管道尺寸及裂纹尺寸设置，如图 6和图 7所示。采取贴应变片的方式测量，应变片贴在裂纹尖端部位。记录0～ 3 MPa升压过程中的应力换算值，每升压0.5 MPa，保压15 min，记录一次数据。

由表 6可知，仿真数据与实验数据相比误差较小，说明仿真结果具有一定的准确性和适用性。

4 结论

（1）含裂纹的X80管道应力的最大值出现在裂纹尖端，并且裂纹尖端处应力远大于裂纹中心。相同内压、相同尺寸但形状不同的裂纹应力分布云图基本一致。

（2）随着裂纹方向与管道轴向方向夹角增大，裂纹尖端应力值先增大后减小。相同内压下，同样尺寸的周向裂纹尖端应力值远小于轴向裂纹尖端应力值，约为轴向的一半。

（3）随着管道内压、裂纹深度及裂纹长度增大，裂纹尖端应力值随之线性增大。但裂纹长度对裂纹尖端应力的影响小于管道内压和裂纹深度。

（4）真实实验中，含裂纹的X80管道阶梯保压期间采集到的裂纹尖端应力值与仿真值误差较小，仿真结果具有准确性和适用性。

参考文献：

[1] 田野.在役管道焊缝缺陷检测评价技术[J].油气田地面工程， 2017， 36(09)： 97-99.

[2] 罗宁，刘斌，何璐瑶，陈翠翠，高富超.基于弱磁法的管道裂纹内检测技术探索[J].石油规划设计，2019， 30(02)： 11-15.

[3] 贾心怡，马廷霞，刘维洋.波动载荷下X80管道轴向表面裂纹疲劳扩展研究[J].塑性工程学报，2018， 25(04)： 262-268.

[4] 潘林锋，孙振国.含裂纹的压力管道的非概率可靠度研究[J].石油和化工设备， 2017， 0(06)： 28-32.

[5] 牛江,梁瑞,郑运虎.含裂纹的压力管道疲劳寿命数值计算[J].甘肃科学学报， 2015， 27(06)： 64-67+78.

[6] 田野，高涛，许光达，丁融.长输管道漏磁内检测缺陷识别量化技术研究[J].油气田地面工程，2018， 37(10)： 51-54+59. 

作者：田野， 1987年生，工程师， 2009年毕业于华中科技大学，自动化专业，现主要从事管道完整性研究工作。