凹陷管道建模方法及其力学性能影响参数研究_胡正兴.pdf

投稿网址：http：/辽宁石油化工大学学报JOURNAL OF LIAONING PETROCHEMICAL UNIVERSITY第43卷 第2期2023 年4月Vol.43 No.2Apr.2023凹陷管道建模方法及其力学性能影响参数研究胡正兴1，包瑞新1，边小丹2，彭启强1，郭宇1（1.辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.国家管网集团联合管道有限责任公司 西部甘肃输油气分公司，甘肃 兰州 730000）摘要：利用三维扫描仪对凹陷管道进行数据采集及建模，评价了凹陷管道处的剩余强度；在建立模型的基础上，运用 ABAQUS 软件对三维建模的含凹陷管道进行有限元分析，采用数值模拟的方法进行了应力应变分析；通过几何变形检测方法对凹陷管道进行检测，计算并分析凹陷管道处的应力应变，对凹陷管道的承载能力进行了评估；对管道有/无内压两种情况进行了对比分析。结果表明，在有/无内压两种情况下，凹陷处的最大 Von Mises应力相差较大；在有内压情况下，最大 Von Mises应力位于管线凹陷处的周边，而不是凹陷处；在有内压情况下，凹陷附近区域的最大等效应力为 22.6 MPa，而无内压情况下的最大等效应力为 14.8 MPa；压头设置 50 mm 的向下位移约束，管道所受的最大 Von Mises应力分布在凹陷最深处，其值为 710.3 MPa，最大等效应变为 8.99%，分布在凹陷管道的内侧。在工程应用中，采用三维扫描技术可以更快捷地得到管道凹陷的轮廓，利用输出数据为后续的应力应变分析、管道评价以及修复提供技术支持。关键词：管道凹陷；三维扫描；几何检测器；剩余寿命；工程应用中图分类号：TE973 文献标志码：A doi：10.12422/j.issn.16726952.2023.02.012Research on Modeling Method and Mechanical Influence Parameters of Depressed PipelineHu Zhengxing1，Bao Ruixin1，Bian Xiaodan2，Peng Qiqiang1，Guo Yu1（1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Petrochemical University，Fushun Liaoning 113001，China；2.Western Gansu Oil and Gas Transmission Branch，National Pipe Group United Pipeline Co.，Lanzhou Gansu 730000，China）Abstract:The data acquisition and modeling of the depressed pipe were carried out using a 3D scanner,and the residual strength at the depressed pipe was evaluated;based on the modeling,the finite element analysis of the 3D modeled pipe containing the depression was carried out using ABAQUS software,and the stressstrain analysis was carried out using numerical simulation;the geometric deformation detection method was used to detect the depressed pipe,and the stressstrain at the depressed pipe was calculated and analyzed.The loadbearing capacity of the recessed pipe was evaluated;a comparative analysis was conducted for both cases of the pipe with/without internal pressure.The results show that the maximum Von Mises stress at the depression differs greatly between the two cases with/without internal pressure;in the case with internal pressure,the maximum Von Mises stress is located at the perimeter of the pipe depression rather than at the depression;in the case with internal pressure,the maximum equivalent force in the area near the depression is 22.6 MPa,while the maximum equivalent force in the case without internal pressure is 14.8 MPa.The maximum Von Mises stress applied to the pipe is distributed in the deepest part of the depression with a value of 710.3 MPa,and the maximum equivalent force becomes 8.99%,which is distributed in the inner part of the depressed pipe when the downward displacement constraint of 50 mm is set in the indenter.In engineering applications,the 3D scanning technology can be used to obtain the contour of the pipe depression more quickly,and the output data can be used to provide technical support for subsequent stressstrain analysis,pipe evaluation,and rehabilitation.Keywords:Pipe depression；3D scanning；Geometry detector；Residual life；Engineering application文章编号：16726952（2023）02007206收稿日期：20220302 修回日期：20220516基金项目：辽宁省自然科学基金项目（20180550466）。作者简介：胡正兴（1995），男，硕士研究生，从事承压设备检测方面的研究；Email：。通信联系人：包瑞新（1981），男，博士，教授，从事现代机械结构设计、管道输送核心设备健康管理及性能优化技术等方面的研究；Email：。第 2 期胡正兴等.凹陷管道建模方法及其力学性能影响参数研究管道运输主要应用于天然气、石油液化气等资源的配送。凹陷引发的管道事故破裂易对周边环境造成污染，威胁管道的正常安全运行。国内外很多学者对管道凹陷进行了深入的研究。J.Gossard等1通过对一定数量带有金属损耗缺陷的凹痕进行挖掘和测量，确定有金属损失缺陷的凹陷，捕捉了其凹痕和金属损耗特征的尺寸；通过激光扫描仪扫描凹痕和金属损失区域形成三维图像，将三维表面网格转换为三维实体网格，并使用有限元分析软件进行分析，预测了可能导致失效的内压。X.K.Zhu等2使用经过验证的弹塑性有限元分析模型模拟管道的机械凹痕，研究了有限元单元类型、土体约束条件、压头类型、管道等级和初始管道压力对凹痕响应的影响；同时，采用该有限元模型还对最小管壁厚度进行了评价。结果表明，凹痕对管道完整性的影响最小。X.K.Zhu 等2还预测了管线钢全尺寸疲劳试验中凹痕的失效行为。杨琼等3对工程实践中的凹陷管道进行检测和研究，用三次样条插值完成拟合凹陷的管道轮廓，计算了轴轮廓曲线和外切轮廓曲线的管道应变，以此评价了管道凹陷；根据应变计算结果，提出了凹陷评价应该结合基于应变和深度的两种标准的建议。张柱柱等4提出了基于三维点云数据计算罐顶凹瘪度和凹瘪面积的新方法：通过三维扫描技术，采集油罐顶部变形区域；对扫描后的点云数据进行处理，检测油罐顶部凹陷区域；利用三维处理软件与自编程序，实现罐顶及其变形区域变形量的三维可视化。本文以三维扫描技术扫描凹陷管道，还原管道凹陷获得凹陷管道的点云数据，通过逆向工程软件建立实体凹陷模型，判断凹陷位置、深度等，并结合有限元软件来分析凹陷管道的剩余强度，评判凹陷位置的最大应力、最大应变等参数，分析管道凹陷的承载能力。1 基 于 3D 扫 描 的 含 凹 陷 管 道模型的建立 采用三维扫描仪现场测量带有凹陷的管道，获得三维表面网格的凹陷和金属损失的特征。建立管道凹陷的三维表面模型及三维实体模型，通过ABAQUS软件对凹陷管道进行了有限元分析。1.1 凹陷管道模型的建立采用 VTOP 200B 三维扫描仪对凹陷管线进行扫描，获取点云数据。激光扫描凹陷管道照片如图1 所示。激光投射在凹陷的管道上，摄像机在另一侧采集数据。1.2 凹陷管道三维数据的获取及预处理在 VTOP Studio 中处理点云数据。通过点云数据处理软件自动删除多余无效的点云数据，提高点云质量并将点云数据进行封装处理，得到高质量的三维点云模型。为了方便研究，在扫描数据的边缘拟合一个标准圆柱表面，将每个原始扫描数据转换为圆柱表面网格模型，以形成完整的圆柱模型。完整的圆柱表面网格模型由所有其他区域的可用扫描数据和管道几何形状组成，以创建凹陷管道的所有外表面。将凹陷管道的点云数据输入 Geomagic Studio逆向软件后，先优化模型数据，再进行“封装”操作，得到由小三角片组成的管道模型5。对凹陷管道模型进行模型简化、去除表面特征、砂纸打磨等操作，获取与原始管道相似的表面光滑的管道模型。封装操作后，模型的点数据变成面数据，放大模型后多边形的网格形状清晰呈现。数据封装得到的模型结构如图 2所示。通过封装步骤获取的数据文件保存为 STL格式。1.3 基于逆向工程技术的凹陷实体模型的建立通过三维扫描技术获得的点云数据不具有实体特点，因此还要基于逆向工程技术对点云数据进行建模操作，使凹陷管道模型具有点、线、面等实体特征的三维几何尺寸。通过 Geomagic Design X 软件中的自动分割功能6，将基于点云数据的凹陷管道模型划分为领域组，结果如图 3所示。图 1激光扫描凹陷管道照片图 2数据封装得到的模型结构73辽宁石油化工大学学报第 43 卷基于模型的草图建立凹陷管道模型，在此基础上建立实体凹陷管道模型，结果如图 4 所示。曲面面片拟合的准确性取决于曲线构造。在 Geomagic进行网格划分，对每个模型的网格质量进行审查，确保没有缺陷；将表面网格模型与原 始 扫 描 数 据 进 行 比 较，以 确 保 模 型 在 导 入ABAQUS之前的准确性。2 基于实测数据的凹陷模型有限元分析 在实际工况下，检测带有凹陷管道的应力应变是否达到最大值十分困难，通过有限元软件模拟可以得到凹陷管线的应力应变分布情况，方便评价凹陷管道的剩余寿命。2.1 平滑凹陷的剩余强度评价本文主要对普通平滑凹陷的剩余强度进行研究。普通平滑凹陷评价方法有两种：第一种是基于深度的评价方法，这种评价方法简单明