在役油氣管道管體凹陷深度檢測數據差異性原因分析

韓 濤，劉 宇，楊柳青，尹長華，趙忠剛，姜曉紅，溫曉峰

1.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北廊坊 065000

2.中油管道檢測技術有限責任公司，河北廊坊 065000

3.中國石油管道分公司，河北廊坊 065000

埋地管道由于受到石塊等外部硬物的擠壓，管體上可能會產生不同形狀和深度的凹陷變形，給油氣管道的安全運行帶來不利影響[1-2]。Dawson等[3]對歐洲7 000 km管道的內檢測數據進行統計后，發現了近萬處凹陷，平均1.4個/km；而國內某條運行30余年的管道在內檢測中也發現了100多處凹陷，且深度達到維修標準，即深度≥6%OD（OD為管道外徑）的有70多處[4]。我國目前長輸油氣管道總里程達11.7萬km，基本形成了貫穿全國、連通海外的油氣輸送管網[5]，管體凹陷的大量存在對管道安全造成威脅，因此開展凹陷變形的檢測和處置十分重要。

根據美國機械工程師學會ASME B31.4/B31.8標準要求，在役管道的管體平滑凹陷深度大于6%OD時須換管修復[6-7]。在實際的工程檢測中，發現管道內檢測數據與開挖后測量數據間有時存在一定差異，即內檢測的凹陷深度超過了標準要求，但在開挖后管道去除了土壤或硬物等約束，使凹陷發生了回彈，此時測量的凹陷深度小于內檢測數據，這就導致在決定該凹陷管體是否需要修復，以及修復方式的選擇方面存在爭議?；诖?，在考慮管體凹陷形成后幾何、應力、應變的基礎上，結合開挖后凹陷約束狀態的變化，借助ABAQUS強大的非線性分析功能，建立了管體凹陷形成和開挖回彈的有限元模型，分析開挖前、后管體凹陷深度的變化規律，為管體凹陷變形檢測數據的分析，以及合理制訂凹陷處置方案提供技術依據。

1 管道管體凹陷有限元模型建立

根據約束類型，管體平滑凹陷可分為非約束型凹陷和約束型凹陷兩類，其中非約束型凹陷通常位于管道頂部，凹陷形成后無硬物持續約束，只存在土壤約束；約束型凹陷通常是由溝底石塊等硬物擠壓形成，一般位于管道底部，硬物的約束作用持續存在。

管體凹陷區域的管材發生大應變（彈塑性）而形成永久性凹陷，這一過程涉及動力學、大應變、材料和接觸非線性問題。對于此類延性金屬的變形問題，ABAQUS/explicit模塊具有良好的適應性；開挖后管道凹陷的約束外力逐漸解除，凹陷開始回彈，為了消除凹陷回彈過程中質量力對凹陷回彈量的影響，凹陷回彈計算以凹陷形成后的動力學計算結果為初始條件，進行ABAQUS/explicit和ABAQUS/standard模塊之間的數據傳遞，利用ABAQUS/standard對凹陷進行靜態回彈分析，得到絕對收斂解[8-9]。

1.1 材料本構模型及參數

管體凹陷的形成和回彈過程中存在材料的正、反向加載，考慮材料大應變過程中屈服面的變化，以及材料正、反向加載過程中由于包辛格效應而出現的硬化和軟化現象，模型中的材料本構采用彈塑性多線性隨動強化模型，有：

式中：εT為真應變；ε為工程應變；σT為真應力，MPa；σ為工程應力，MPa。

有限元分析對象為X80、D1 219 mm×18.4 mm管道，材料參數為圓棒拉伸的實測數據，利用式（1）和式（2）將工程應力、工程應變數據轉換為真應力、真應變數據[10]。模型選取材料基本參數見表1，拉伸應力/應變曲線見圖1。

表1 模型材料參數

圖1 應力/應變曲線

1.2 凹陷管體的幾何和網格模型

考慮到凹陷處應力影響區范圍及大應變過程，管道模型選取整管進行分析（管長為12 m），網格采用六面體減縮積分單元（C3D8R）進行網格劃分，厚度方向三層網格，管體與壓頭接觸部位進行網格細化，充分保證接觸的穩定性以及大應力梯度區域計算結果的準確性，幾何模型見圖2，網格模型見圖3；壓頭為球面結構，對管道施壓形成管體平滑凹陷，模型中處理為剛體。模型幾何參數見表2。

圖2 幾何模型

圖3 網格模型

表2 模型幾何參數

1.3 有限元分析方案

首先利用ABAQUS/explicit準靜態動力學分析模塊，采用剛體壓頭對管道施壓，形成一定深度的平滑凹陷。然后將動力學部分計算得到的帶凹陷管道的幾何、材料、應力和應變等數據作為初始狀態進行數據傳遞，導入ABAQUS/standard進行凹陷回彈分析。

非約束型凹陷由臨時性外力造成，當臨時性外力撤除后，凹陷發生回彈。假設內檢測數據準確，此時影響內檢測凹陷深度和開挖檢測凹陷深度數據一致性的因素，僅有土壤對凹陷的約束作用。所以對于非約束型凹陷的回彈分析，以外力撤除后已發生回彈凹陷的應力、應變數據為初始條件，建立管土耦合模型，分析土壤約束作用對非約束型凹陷深度的影響。

同樣，約束型凹陷是由永久性外力（硬物等）造成，開挖后硬物和土壤去除，凹陷發生回彈。影響內檢測凹陷深度和開挖檢測凹陷深度數據一致性的因素，是硬物和土壤對凹陷的約束作用。所以對于約束型凹陷，以凹陷形成后的應力、應變數據為初始條件，建立管土耦合模型，分析硬物和土壤約束作用對約束型凹陷深度的影響。

2 有限元分析結果與討論

2.1 凹陷預制過程的應力應變

凹陷預制屬于金屬成型問題，建立有限元模型后運用ABAQUS/explicit模塊進行有限元分析，圖4和圖5分別為預制6%OD凹陷的應力和位移云圖。結果表明，經過剛體壓頭沖壓，管道上形成了一個深度為6%OD的平滑凹陷。凹陷形成后其Mises應力最大值為817 MPa，最大真應變為9.84%，應力與應變最大值均出現在凹陷最底部。

圖4 Mises應力云圖/MPa

圖5 凹陷截面位移云圖/mm

2.2 基于管土耦合模型的凹陷回彈分析

考慮不同類型凹陷的形成原因，建立管土耦合模型，模擬凹陷在殘余應力和運行內壓作用下的回彈過程，其中土體開挖過程采用生死單元法。以上節預制的6%OD凹陷為例，建立管土耦合模型。圖6為管土耦合模型，圖7為凹陷處環向截面和凹陷處軸向橫截面，其中紅色部分為管道，藍色為土體。土體材料采用線彈性土體模型，具體參數見表3，土體與變形管道之間的應力傳遞通過接觸實現。

圖6 管土耦合模型

圖7 凹陷處橫截面

表3 土體材料參數

對于非約束型凹陷，模擬臨時性約束外力撤除后埋地狀態下的回彈和開挖回彈；對于約束型凹陷模擬開挖回彈?？紤]到質量力對回彈量計算精度的影響，回彈部分在ABAQUS/standard采用靜態回彈，以提高計算精度。

埋地狀態下，約束型凹陷由于硬物等造成的永久性外力持續存在，因此不發生回彈；非約束型凹陷由于臨時性約束外力的撤除而發生回彈。

為了研究凹陷回彈行為，模型求解后，取凹陷部位環向和軸向的位移參數繪制成曲線進行對比分析，如圖8所示。

圖8 凹陷區域節點位移曲線

（1）在殘余應力和管道運行內壓的共同作用下，非約束型凹陷在埋地狀態下發生大部分回彈，開挖后土壤的約束力解除，繼續發生少量回彈。對于非約束型凹陷來說，內檢測凹陷深度與開挖檢測凹陷深度具有一致性，有少量差別。

（2）約束型凹陷開挖后硬物和土壤對凹陷的約束力解除，一次性產生大量回彈。約束型凹陷的內檢測凹陷深度與開挖檢測凹陷深度差異較大。

（3）另一方面，開挖后凹陷后邊緣存在隆起現象，這主要是由凹陷形成過程引起的材料硬化造成的，使得凹陷區域材料的屈服強度高于其他區域，計算結果與實際開挖檢測過程中的現象相符，見圖9。

圖9 現場開挖測量發現的凹陷邊界區域隆起

2.3 不同深度凹陷回彈對比分析

通過對不同深度凹陷回彈的系列分析，得到不同約束狀態下的凹陷深度以及回彈量和回彈率數據。為了分析不同狀態時凹陷回彈后深度的變化規律，將表示不同狀態下凹陷回彈后的深度繪制成曲線，如圖10所示。從圖中可以看出：

（1）埋地狀態下，約束型凹陷由于硬物的持續約束作用，回彈率為0；非約束型凹陷，由于臨時性約束外力撤除，埋地狀態下凹陷已發生大量回彈，并且其回彈量隨著初始凹陷深度的增大而減小。

圖10 凹陷回彈規律

（2）開挖后，由于永久性約束硬物和土壤的去除，約束型凹陷一次性發生大量回彈。其回彈趨勢為回彈率隨著初始凹陷深度的增大而減??；非約束型凹陷，去除土壤的約束后發生少量回彈，其回彈趨勢為回彈率隨著初始凹陷深度的增大而增大。

（3）從內檢測和開挖后檢測結果方面來看，對于約束型凹陷，管道凹陷內檢測深度與開挖檢測深度差值很大，并且隨著凹陷深度的增大，內檢測凹陷深度與開挖檢測數值差異增大；對于非約束型凹陷，由于土壤對凹陷的約束作用有限，管道凹陷內檢測深度與開挖檢測深度差值較小，其差值約為內檢測深度的8.6%左右。

2.4 工程分析

截至2016年11月底，某檢測公司共完成管道智能測徑45段，累計檢測里程3 342 km，涉及D 219～1 219 mm等十余種不同口徑，共檢測報告管道變形949處，最大變形深度為13.5%OD，深度≥6%OD的變形105處。根據目前我國執行標準，這105處變形管段需進行切除修復。但對不合格管體凹陷進行開挖檢測發現，其凹陷深度均在5%OD以內，說明這些不合格管體凹陷均為約束型凹陷，這與本文理論分析結果一致。

3 結束語

本文運用ABAQUS/explicit和ABAQUS/standard模塊數據傳遞耦合計算方法，采用彈塑性材料本構模型，對X80、D 1 219 mm×18.4 mm管道凹陷的形成以及不同約束狀態下凹陷的回彈情況進行了系列分析，得出了長輸管道缺陷檢測過程中，內檢測數據與開挖檢測數據差異性的來源及變化規律。

（1）管道凹陷的約束狀態不同是內檢測數據與開挖檢測數據差異較大的主要原因。

（2）管道凹陷的回彈行為是由于凹陷形成后的殘余應力和管內內壓作用而發生的。

（3）考慮到開挖后因管道凹陷處約束狀態的改變產生的凹陷回彈，在役帶凹陷管道的修復應在區分凹陷的約束狀態后，以內檢測數據為依據制訂修復方案更為合理。

（4）通過理論分析結合某檢測公司現場檢測數據得出，在役管道開挖檢測后凹陷深度一般在5%OD以內，此結論符合API1156[11-12]中的論述。