摘　要：依據(jù)工程中常采用的兩種預測管道極限載荷的全尺寸爆破試驗(按照密封方式的不同分為管道兩端加封頭和管道兩端密封處理)與實際埋地管道的工作條件不相符的問題，對爆破試驗預測結果的準確性提出了質疑。為此，采用有限元方法對爆破試驗預測結果的準確性進行驗證。首先收集了X80、Xl00高強度鋼腐蝕管道的爆破試驗數(shù)據(jù)，通過試驗數(shù)據(jù)與有限元計算結果對比的方法確定出適用于高強度鋼管道的失效判據(jù)；基于該失效判據(jù)，計算出管道在兩種爆破試驗和埋地等3種工況下的極限載荷，并進行了對比分析。結果表明：采用兩種爆破試驗預測高強度埋地管道極限載荷的誤差均低于5％，其中采用加封頭的爆破試驗預測埋地管道極限載荷的誤差為2.06％，建議采用。該研究結果為預測埋地管道的極限載荷提供了理論依據(jù)，對于實際工程應用以及管道選材具有重要價值。

關鍵詞：高強度鋼  管道  全尺寸爆破試驗  極限載荷  有限元  失效判據(jù)  誤差

A finite-element-based analysis of the accuracy in bursting tests predicting the ultimate load of a buried pipeline

Abstract：The vessel test and hydraulic ring expansion test are two full scale bursting testing methods of predicting the uhimate load f a buried pipeline．However，the prediction accuracy of the above two tests is in question because the testing conditions do not atch the practical working conditions in the buried pipelines．In view of this，this paper adopts the finite element(FE)method to imulate the pipeline in three working conditions：vest test，hydraulic ring expansion test，and the actual buried condition．First，the est data of X80 and Xl00 were collected and the failure criteria of high strength steel pipes were thus determined by comparing the ollected test data and the calculated results from the FE analysis．On this basis，the uhimate loads of pipelines in the above three orking conditions were obtained as well as their comparative analysis．It was found that the errors in the former two tests were both ess than 5％，the error of the vessel test was only 2.6％，so the vessel test is recommended to use．This study provides the theoretical basis for the prediction of the ultimate load of buried pipelines and is of great value to tbe practical application and tubular goods selection．

Key words：high strength steel，pipeline，full scale bursting test，finite element；failure criteria，error

在工程中常采用全尺寸爆破試驗來預測管道的極限載荷。爆破試驗按照密封方式的不同分為兩種：①管道兩端加封頭(Vessel Test)^[1-2]；②管道兩端密封處理(Hydraulic Ring Expansion Test) ^[3]。由于兩種爆破試驗與埋地管道的工況不完全相同^[4-7]。因此，筆者對爆破試驗預測結果的準確性提出了質疑，采用有限元方法對爆破試驗預測結果的準確性進行了驗證，分析了兩種工況下的爆破試驗所測出的爆破壓力區(qū)別，哪種爆破試驗更能很好地預測實際埋地管道的極限載荷。

1　3種工況下管道兩端受約束分析

1．1　加封頭的爆破試驗管道兩端受約束情況

加封頭的爆破試驗管道兩端結構是在管道兩端焊接橢圓型、與管道相同材料的封頭，使之與管道成為一體。試驗過程中由于內壓對封頭的作用，使封頭對管道兩端橫截面產生軸向反作用應力，管道兩端受軸向應力大小為pD／4t，其中p為內壓，D為管道外徑，t為壁厚。

1．2　端部密封的爆破試驗管道兩端受約束情況

端部密封的爆破試驗的管道兩端結構是密封圈置于管道兩端內側。由于密封圈的摩擦力遠小于管道由內壓引起的應力，故可以忽略管道兩端所受的摩擦力，即認為管道兩端不受約束。

1．3　埋地管道兩端受約束情況

埋地管道兩端的結構很簡單：兩端沒有封頭，故端部沒有軸向應力的約束；由于管道外壁與土壤接觸，限制了管道軸向的位移。故埋地管道兩端的軸向位移為零。

2　3種工況下管道有限元分析

2．1　力學性能和材料參數(shù)

收集了10組含腐蝕缺陷的高強度管道的爆破試驗數(shù)據(jù)，本試驗使用X80、Xl00高強度鋼材料^[8-9]，材料參數(shù)見表l。

用有限元模擬實際爆破試驗建模汁算，10組高強度管道的爆破試驗數(shù)據(jù)^[1，10]見表2。研究含腐蝕缺陷的高強度管道的有限元失效判據(jù)。

2．2　有限元模型的建立

ABAQUS有限元建模過程中，為了使模型簡化，近似認為缺陷為規(guī)則形狀，含缺陷管道既相對于經過管道軸線與缺陷中心的平面對稱，也相對于垂直于管道軸線且通過缺陷中心的平面對稱，故可以只分析管子模型的l／4。采用三維的20節(jié)點六面體二次減縮積分單元(C3D20R)及靜力學Riks算法進行計算。管道的長度要同時滿足管道外徑的2倍左右或缺陷長度5倍左右。

筆者研究的缺陷類型主要是孤立蝕坑和溝槽型缺陷。對于缺陷長度和寬度較小視為蝕坑，用橢球形來模擬；對于修長的槽狀腐蝕缺陷，采用溝槽進行模擬，為避免槽端部的應力集中，建模時槽的端部采用橢球形、槽身采用柱面。

2．3　載荷與邊界條件

只考慮管道受均布內壓作用。對于邊界條件，由于管道的對稱性，經過缺陷中心的橫截面上的軸向位移為零；縱向剖開的管壁截面上的垂直位移也為零。另外，管子不能在水平方向上無限制地移動，所以在管子縱向截面無缺陷一端的一條直邊水平方向位移為零。除此之外，對于3種工況阿分別加上它們端部的約束。這3種工況下模型的載荷和邊界情況見圖l。

3　高強度鋼失效判據(jù)的確定

管道的失效判據(jù)與材料的失效機理密不可分。研究表明：中低強度材料的失效機理與高強度材料是不同的。中低強度材料管道腐蝕缺陷的失效主要是基于斷裂機理，它是由材料的屈服強度控制^[11-12]。造成高強度管道失效的主要機理是塑性失穩(wěn)，而缺陷的失效主要是由材料的極限拉伸強度控制^[13-14]。

本節(jié)根據(jù)實際收集到的l0組高強度鋼管道爆破試驗數(shù)據(jù)與有限元模擬計算結果進行對比分析，確定適合高強度鋼管道的失效判據(jù)。

3．1　爆破試驗有限元計算

取在內壓作用下管道腐蝕區(qū)域應力最大處沿厚度方向的3個節(jié)點，3個節(jié)點分別位于缺陷最深處沿壁厚方向的外表面、內表面和中間層面(圖2)。

圖3為l0組爆破試驗有限元計算的內壓應力曲線圖(以編號為l模型為例)，取中間節(jié)點的曲線做插值計算。分別計算當中間節(jié)點的Von Mises等效應力等于0.8UTS、0.9UTS、1.OUTS、0.5(UTS+SMYS)和塑性失穩(wěn)時的壓力值。

3．2　失效判據(jù)的確定

表3是采用5種失效判據(jù)，即當缺陷最深處沿壁厚方向中間節(jié)點的Von Mises等效應力分別等于0.8UTS、0.9UTS、1.OUTS、0.5(UTS+SMYS)和塑性失穩(wěn)狀態(tài)時的管道內表面所受壓力值為所得到的管道失效壓力。計算得出的極限載荷與真實爆破壓力進行對比分析見圖4。

從圖4可以直觀地看}H：當管道缺陷最深處的平均Von Mises等效應力達到極限拉伸強度l.0UTS時，計算出的管道極限載荷最接近真實爆破壓力值；當Von Mises等效應力等于0.8UTS、0.9UTS和0.5(UTS4-SMYS)時得到的極限載荷過于保守，都小于真實爆破壓力值；而當達到塑性失穩(wěn)時，得到的極限載荷值部分大于真實爆破壓力，具有不安全性。

通過對比分析確定適合高強度鋼含腐蝕缺陷管道的失效判據(jù)為：當腐蝕缺陷最深處沿壁厚方向中間節(jié)點Von Mises等效應力達到材料的極限拉伸強度時認為管道失效。從而進一步驗證了高強度等級鋼的失效機理是塑性失穩(wěn)，而失效主要是由材料的極限拉伸強度控制^[15]。

4　兩種爆破試驗與埋地管道失效情況對比分析

基于已確定的適合高強度管道的失效判據(jù)，采用有限元分析方法模擬3種工況下管道的失效情況。圖5對3種情況下計算出的極限載荷做了對比分析。表4為3種丁況下管道極限載荷的對比值，通過對比分析可看出：加封頭的爆破試驗與埋地管道的預測極限載荷吻合度更高，l0組誤差的標準偏差值為2.06％；兩端密封的爆破試驗比埋地管道的預測極限載荷要小，l0組誤差的標準偏差值為3.64％。在實際工程試驗中，建議用加封頭的爆破試驗來預測埋地管道的極限載荷；用兩端密封的爆破試驗來預測真實埋地管道的失效情況，得到的預測結果偏保守。

5　結論

1)經過分析可知，3種工況下管道兩端的約束各不相同：加封頭的爆破試驗管道兩端橫截面受軸向應力；端部密封的爆破試驗的管道兩端可以忽略管道兩端所受的軸向應力，近似認為不受約束；埋地長輸管道兩端沒有軸向應力的約束，管道軸向位移為零。

2)確定出適合高強度鋼管道的失效判據(jù)為：當腐蝕缺陷最深處沿壁厚方向的中間節(jié)點Von Mises等效應力達到材料的極限拉伸強度時認為管道失效。

3)通過對比分析得出：兩種爆破試驗雖然與埋地長輸管道兩端受約束情況不完全相同，但預測出的極限載荷比較接近(預測誤差低于5％)。其中，加封頭的爆破試驗對埋地長輸管道的預測極限載荷的誤差為2.06％；建議工程中采用加封頭的爆破試驗來預測埋地長輸管道的極限載荷。

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本文作者：馬彬  帥健  劉德緒  李樞一

作者單位：中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院

  中原勘察設汁研究院

  中國石化滅然氣榆濟管道分公司