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基于分形处理的油气管道点蚀缺陷应力分析

上传者:宋海刚
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上传时间:2015-05-08
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基于分形处理的油气管道点蚀缺陷应力分析

22

油气田地面工程第27卷第5期(2008.5)

基于分形处理的油气管道点蚀缺陷应力分析*

廖柯熹1

颜力2

叶健3

(1.西南石油大学;2.中国石油西南油气田分公司输气处;3.中原油田设计院)

摘要:由于输送介质和环境的影响,油

内壁形状。先假设平面上有一单位线段(d一2),

用迭代方法构造出一种基于梯形的理想Koch曲线。将单位线段三等分,中间部分用两条长1/3的

气管线常常发生各种腐蚀,其中以点蚀缺陷

为主。采用分形几何技术建立管道点蚀缺陷的分形特征描述方法,构造出最能反应,点蚀

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缺陷形貌特征的梯形构造Koch曲线,采用

折线来替代,并将折线线段各取其1/2,然后相

连,再去掉连线以外的一部分就构造出了一个梯

三维六面体单元建立点蚀缺陷有限元分析实体模型。结合实例管线分析表明,在点蚀坑尺寸较小阶段V01"1Mises应力最大值集中

于点蚀坑两侧区域最狭窄处;当点蚀坑达到一定尺寸后,VorlMises应力最大值将慢慢向最深处集中,直到最深处应力最大。

关键词:点蚀;分形几何;有限元;应力

形。不断重复这样的迭代作法,无穷次迭代后就生成了具有无穷多弯曲、处处连续、处处不可微商的

Koch曲线。

建立腐蚀剖面曲线分形模型来模拟管道腐蚀坑剖面线,并且各段的长度取为相等,就能得出该模

型迭代两次的结果。

腐蚀剖面曲线分形模型的相似维数

D—l095/l093—1.465

前言

点蚀是一种很常见的局部腐蚀形态,集中发生

有限元应力分析模型的建立

(1)模型建立假设条件。根据水平直管的结构

在金属表面上的某些特定点域,并且在这些特定点域发生自催化酸化作用,形成面积不太大的往深处

特点,简化模型,做如下假设[3_4]:①管道材料具塑性应力——应变特性,考虑几何非线性与材料非线性;②假定缺陷为轴向腐蚀区;③只考虑内压对内管壁的作用。

发展的腐蚀孔或腐蚀小坑。腐蚀缺陷表面呈现凹凸不平的特点,点蚀扩展总体上具有加速发展的趋

势,部分点蚀缺陷可视为具有某种随机或统计意义上的自相似性的分形结构。沿着管道轴向截取这一

(2)实体模型。管线上某处发生腐蚀,只对其周

围部分的应力产生影响,所以只对带有腐蚀缺陷的管

类点蚀缺陷的腐蚀坑剖面,可以发现该剖面曲线是十分弯折的,并且在大的弯折中嵌套着小的弯折。取-/b段剖面观察,会发现放大后与整个曲线具有

相似的形状,即具有分形的特征,因此可以用分形

段进行分析。分析的分形腐蚀缺陷有限元模型可采用三维六面体单元,构建的实体模型见图1。

几何来定量刻向腐蚀缺陷u-z]。2

点蚀缺陷形状描述

实际的点蚀坑剖面曲线的分形结构并不具备严

格的自相似性,它是近似的和统计的自相似分形,

它的迭代层次也是有限的。一般认为,点蚀坑剖面

围1

腐蚀缺陷的有限元分析模型

曲线是微米层次上的分形结构,对于长度确定的腐蚀坑剖面曲线,它的分形迭代次数可以确定。对于宽度、深度确定的腐蚀缺陷,运用分形几何迭代方法可计算出此分形曲线与管道内壁所组成的不规则

图形的面积A。

Koch曲线是具有严格自相似性的分形曲线,可采用基于梯形的一种理想Koch曲线构造点蚀坑

基金论,文:四川省重点学科建设项目(SZD0416)

由于管道很长,而腐蚀区管段很短,故可不考虑轴向位移;又由于是对称结构,被纵向剖开的管壁面上的垂直位移也为零。在管段非对称面上加Z

方向约束(“:=0),对称面上边界条件为对称约束(“,一0,“:一o);在模型节点上附加x方向约束(U,一o),以约束整个模型在“:方向不发生刚

体位移,此点约束对整个模型的应力、应变没有影

万方数据 

油气田地面工程第27卷第5期(Z008.5)

23

响;内壁边界条件为均布载荷压力P。

(3)管线失效准则。在有限元分析过程中,若管道管体中的最大VonMises等效应力等于管道材料的屈服强度,则说明管道在内压的作用下进入

弹塑性阶段,如继续加压管道将出现不可恢复的塑性变形,直到最小VonMises等效应力等于最终

拉伸强度,其对应的管道操作内压即为失效压力。

按照第四强度理论进行强度校核

‰≤再m一如)2+(晚一如)2+(如飞)2]

式中口。吡、0"3分别表示三个方向的主应力。

实例应用

以某输油管线所测点蚀缺陷为分析对象,管材

11-03卫【.04

为208钢,管线规格为420×10mm,运行压力4MPa。腐蚀缺陷区为轴向沟槽,如图2所示,腐蚀

缺陷几何尺寸见表1。

图2腐蚀管段的内腐蚀有限元分析模型

表1腐蚀缺陷几何尺寸

计算模型为三维模型,采用三维六面体固体连续

单元,利用有限元分析软件对模型进行有限元离散处

理,腐蚀区让软件自由智能划分网格生成,将其划分为数千个有限元单元网格,划分结果见图3。

加【一0l加【一02HD卜Oa埘D【-04

图3不同缺陷下的VonMises应力分布

由计算结果可知,在点蚀坑尺寸较小阶段VonMises应力最大值集中于点蚀坑两侧区域最狭窄处;当点蚀坑达到一定尺寸后,VonMises应力最大值将慢慢向最深处集中,直到最深处应力最大。在管道内壁腐蚀与未腐蚀的相交区域附近出现一个应力低值区。5

尺寸较小缺陷VonMises应力最大值集中于点蚀坑两侧区域最狭窄处;对于较大腐蚀缺陷而言,腐

蚀缺陷最深处的应力值最大。参考文献

[1]杨武.金属的局部腐蚀[M].北京:化学工业出版社,1995.[z3赵艳娥,张汉谦,吉晓华.金属材料粗糙表面分形特性的研究进

展[J].太原理工大学学报,2001,32(2).

结论

(1)腐蚀缺陷表面具有复杂性和随机性,对具

[3]廖柯熹,姚安林,张淮鑫.天然气管线失效故障树分析[J].天

然气工业,2001(2).

F4]喻西崇,胡永全.赵金洲,等.腐蚀管道的剩余强度计算方法研

究[J].力学学报,2004,36(3).

有分形特征的点蚀缺陷可视为具有某种随机或统计意义上的自相似性。梯形构造的Koch曲线能反应点蚀缺陷的结构特点,其分形位数为1.465。

(2)基于分形处理的腐蚀缺陷,可采用三维六

面体单元建立相应的有限元分析实体模型。

[第一作者简介]廖柯熹:副教授,毕业于西南石油大学油气储运工程专业,获工学博士学位,现为石油工程学院油气储运研究所教师,主要从事油气储运系统结构可靠性、安全运营技术研究。

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(栏目主持杨军)

(3)不同腐蚀缺陷具有不同的应力分布特点,

万方数据 

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基于分形处理的油气管道点蚀缺陷应力分析

作者:

作者单位:

刊名:

英文刊名:

年,卷(期):廖柯熹, 颜力, 叶健廖柯熹(西南石油大学), 颜力(中国石油西南油气田分公司输气处), 叶健(中原油田设计院)油气田地面工程OIL-GASFIELD SURFACE ENGINEERING2008,27(5)

参考文献(4条)

1.喻西崇;胡永全;赵金洲 腐蚀管道的剩余强度计算方法研究[期刊论文]-力学学报 2004(03)

2.廖柯熹;姚安林;张淮鑫 天然气管线失效故障树分析[期刊论文]-天然气工业 2001(02)

3.赵艳娥;张汉谦;吉晓华 金属材料粗糙表面分形特性的研究进展[期刊论文]-太原理工大学学报 2001(02)

4.杨武 金属的局部腐蚀 1995

本文链接:http://wendang.chazidian.com/Periodical_yqtdmgc200805012.aspx

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