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        有限元法在管道擠壓變形分析中的應(yīng)用

        2010-09-07 09:19:26王世煒孟賢勇馬希欽
        關(guān)鍵詞:壓扁壓頭鋼管

        尚 凱 王世煒 孟賢勇 馬希欽

        (1、91133 部隊(duì) 2、78479 部隊(duì) 3.重慶大學(xué))

        1 緒論

        管道輸送是目前油品輸送的主要方式,也是最經(jīng)濟(jì)、高效、安全的一種方式,我國(guó)輸油管道經(jīng)過(guò)50 多年的發(fā)展,截止2007年為止,我國(guó)也建成輸油管道2.9 萬(wàn)km,其中原油管道1.7 萬(wàn)km,成品油管道1.2 萬(wàn)km[1],且每年都在以一定速度增加,輸油管道如果由于腐蝕、施工破壞、自然災(zāi)害等可能發(fā)生泄漏或斷裂。

        為了解決管道斷裂處存在大落差或者處于大坡段這一難題,設(shè)想在輸油管道發(fā)生斷裂或大面積破裂時(shí),在靠近斷裂或破裂的地方,使用一種特殊的管夾快速地將輸油管道壓扁,作為一種臨時(shí)措施,能夠盡量減少或止住油品的外泄,然后將管道里面的油品回收,再進(jìn)行換管等搶維修作業(yè)。夾壓裝置的設(shè)計(jì),需要對(duì)管道進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)取得相關(guān)數(shù)據(jù),由于大口徑管道擠壓實(shí)驗(yàn)中存在的不可預(yù)知因素比較多,并且多次實(shí)驗(yàn)的成本也比較高。隨著有限元數(shù)值分析方法的發(fā)展,可以利用有限元分析方法來(lái)模擬管道擠壓變形,獲得需要的數(shù)據(jù),并和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,以指導(dǎo)夾壓截流裝置的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

        2 管道擠壓試驗(yàn)

        2.1 試樣

        試樣為406×8×3200mm的 X60 管線(xiàn)鋼管,管道為直焊縫管,外裹有防腐層。

        2.2 實(shí)驗(yàn)方法

        實(shí)驗(yàn)在1000 噸萬(wàn)能擠壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,按要求將特定的上下壓頭安裝好后,將鋼管吊裝放入壓頭之間,調(diào)節(jié)鋼管焊縫線(xiàn)與水平面成一很小角度,鋼管兩端用支墩支撐,然后將上壓頭調(diào)節(jié)下移至接觸鋼管,隨后加載擠壓直到鋼管完全被壓扁。

        2.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

        在鋼管的擠壓過(guò)程中,在加載載荷較小階段,鋼管在擠壓處發(fā)生緩慢而微小的形變,隨著載荷的增加,擠壓處變形量越來(lái)越大,鋼管的兩端也發(fā)生一定程度的橢圓化,隨著擠壓變形量的增大,鋼管兩端的橢圓化也越來(lái)越大。在擠壓的最后階段,鋼管擠壓截面內(nèi)部的中間部位首先接觸,隨后兩邊逐漸被壓扁。壓扁后繼續(xù)加載,此時(shí)隨著載荷的增加位移形變量很小,壓扁卸載后,鋼管壓扁處出現(xiàn)一定量的回彈。

        3 有限元分析

        管道在擠壓變形過(guò)程中,局部存在大變形,不僅只存在線(xiàn)性變形關(guān)系,還有非線(xiàn)性變形關(guān)系。變形進(jìn)入塑性后,線(xiàn)彈性的關(guān)系理論就不再適用,這時(shí)需要采用非線(xiàn)性的理論關(guān)系,平衡方程也必須建立于變形后的狀態(tài)以考慮變形對(duì)平衡的影響[2]。

        3.1 基本過(guò)程

        有限元分析的過(guò)程可分為以下3個(gè)階段:前處理,包括材料性質(zhì)參數(shù)、幾何形狀定義、單元網(wǎng)格劃分及加邊界和載荷條件等;分析計(jì)算;后處理,即分析處理計(jì)算得到的數(shù)據(jù)。

        3.2 分析建模過(guò)程

        鋼管受擠壓實(shí)際過(guò)程簡(jiǎn)化成合適的有限元軟件模擬的力學(xué)模型是有限元模擬的關(guān)鍵所在,雖然在簡(jiǎn)化的過(guò)程中要求實(shí)際過(guò)程與模型的力學(xué)特性一致,但為了使模型達(dá)到既便于分析又可得到想要的精確值,可以重點(diǎn)突出所關(guān)心的部分,淡化或者忽略所不關(guān)心的部分。對(duì)于管道擠壓情況,重點(diǎn)關(guān)心的是管道加載擠壓的塑性變形過(guò)程和壓扁后的變形情況,由于鋼管的壁厚遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管徑,在建模時(shí)使用殼單元;而壓頭的變化情況則可以不去考慮,在建模時(shí)將壓頭設(shè)定為剛體。在對(duì)管道進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),將變形較大的中間部分區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格劃分得很細(xì),而變形較小的端頭附近劃分得相對(duì)比較粗略一些,同樣也采用四邊形網(wǎng)格劃分,而在兩種粗細(xì)不同的網(wǎng)格中間,使用三角形網(wǎng)格連接過(guò)渡,如圖1 所示。

        3.3 結(jié)論分析

        通過(guò)前面對(duì)管道受擠壓的有限元的分析,模擬計(jì)算了406×8×3200mm 的管道受擠壓變形情況,從模擬的結(jié)果來(lái)看,離壓頭越近的區(qū)域,變形越大,應(yīng)力也越大;離壓頭越遠(yuǎn)的區(qū)域,變形也越小,應(yīng)力值也相對(duì)較小。鋼管擠壓過(guò)程的應(yīng)力云圖如圖2 所示,從圖中可以看出,在壓扁過(guò)程中,應(yīng)力集中在被壓扁的位置。對(duì)于管道的擠壓,有限元模擬和實(shí)驗(yàn)得到位移載荷曲線(xiàn)圖3 所示,模擬得到的曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)比較吻合,在一個(gè)合理的誤差范圍之內(nèi)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)管道擠壓實(shí)驗(yàn)和有限元模擬結(jié)果的分析比較,模擬和實(shí)驗(yàn)得到的位移載荷曲線(xiàn)非常吻合,變形和壓扁過(guò)程也非常近似,說(shuō)明建立的模型是正確的,可以將此模型推廣到到其他不同管徑管線(xiàn)的擠壓模擬,以得到夾壓截流裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需要的數(shù)據(jù)。

        [1]中國(guó)油氣管道分析發(fā)展報(bào)告.

        [2]王勖成,劭敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.

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